一文了解各种高精度室内定位技术

在消费需求和创新技术驱动下，可穿戴设备和物联网产品的发展驶入了快车道，GNSS定位功能在无人驾驶、智能设备、资产追踪等日趋智能化中广泛应用，而随着万物互联时代的到临，物联网技术围绕人员、资产的室内位置服务需求也愈加强烈。

得益于蓝牙技术的发展，基于蓝牙AOA/AOD技术的室内定位新框架，以及蓝牙寻向算法，室内定位日趋精准简单，蓝牙定位依然是工业物联网、智能家居、楼宇和城市、资产追踪及电子健康领域中各类应用的理想之选。

技术对比表

01 WiFi指纹

设备扫描附近的Wi-Fi接入点；
扫描结果代表当前位置的“指纹（fingerprint）”；
“指纹（fingerprint）”被发送给定位服务器，服务器将会计算位置并返回；
可实现10m级定位精度。

02 WiFi渡越时间

接入点与客户端之间的渡越时间测量值→距离；
使用多个AP和三边测量法，可以计算出大体位置；
需要访问芯片组支持的底层时间测量系统；
可实现1-2m定位精度。

03 蓝牙RSSI

信号强度（RSSI）大致反映信号源与目标之间的距离；
使用多个锚点和三边测量法，可以计算出大致位置；
定位精度通常为3-5m。

04 蓝牙AoA

蓝牙5.1增加测向功能

◆蓝牙5.1核心规范中的主要功能是寻向

◆两种用于确定方向的方法：

到达角(AoA) 计算接收信号的角度

发射角 (AoD) 计算发送信号的角度

◆实现更高的室内定位精度

采用AoA方法的蓝牙室内定位

◆使用多个锚点和三边测量法，可以计算出更精确的位置

◆定位精度通常为1-2m

采用到达角(AoA)方法的定位

◆标签发送广播消息

◆锚点检测消息并通过相位差计算出传入信号的角度

◆在锚点内计算角度

◆从单个锚点读取角度

◆从多个锚点读取角度，通过三角计算获得位置

采用发射角(AoD)方法的定位

◆锚点使用多个天线发送广播消息

◆定位器检测多个消息并通过相位差计算信号发射角度

◆从单个锚点读取的数据

→角度

◆从多个锚点读取的数据

→位置

◆位置的计算在定位器或中央服务器内进行

2.蓝牙寻向功能

01 AoA架构

AoA发射机（单天线）向外发送连续信号（PDU+CTE）；
AoA信号以不同的相位偏移抵达阵列中的不同位置的天线；
AoA 接收机对连续信号的IQ（in-phase同相，quadrature正交）数据进行采样。

02 AoA/AoD天线阵列

03 AoA的基本原理

04 AoA发射机

CTE提供固定频率和波长的信号，是AoA/AoD数据包的扩展数据；
以250KHz 的GFSK 载波频率调制；
CTE不包括在CRC或MIC校验中；
支持无连接（定期广播）和面向连接的模式；
用于接收机RX在t时间采样信号I/Q值，计算相位差使用。

05 AoA接收机

06 从载波频率到相位信息

从射频信号(2.4 GHz)到基带信号(250 kHz)的降频转换；
基带信号的IQ采样；
降频信号保留了载波的相位信息。

07 从IQ样本到AoA

估算（窄带）信号到达天线阵列的到达角；
角度估算算法从所需信号中滤除噪声和多路径干扰；
IQ 样本信号处理不是蓝牙规范的一部分。

08 超分辨率算法

复杂矩阵运算对嵌入式系统来说是一项挑战；
提供多种算法MUSIC、PDDA、ESPRIT、SSS；
在准确性和处理工作量之间建立一个折衷方案。

09 AoA估算流程图

配置

设置开关和天线方案

●天线阵列架构

●设置信道频率

●CTE和IQ采样配置

预处理

IQ 样本过滤

●过滤CTE的IQ数据

●基于RSSI选择水平或垂直极化信号

AoA算法

所有天线组的功率谱估算

●高效的AoA算法PDDA

●计算以下各项的频谱：

H+V极化天线列

3种频率

后处理

角度估算

●提供估算角度

●处理不同功率谱

●局部极大值（z分数、乘积、平均值/中位数）

定位

通过至少两个锚点估算标签位置

●实时定位引擎

●利用估算角度、RSSI、质量指标

3.室内定位演示

本次演示环境为一间12×6m的房间，覆盖72m2总计布设4个锚点，其中锚点为EVK NINA-B4和天线阵列，定位引擎为笔记本电脑。

4.应用场景

01 查找我的物品

物品上有电池供电小标签；
智能手机应用定位附近目标；
支持寻向功能的智能手机将提高定位的精度。

02 趣点查询

目标兴趣发出信标；
智能手机应用检索有关目标的附加信息；
寻向功能可改善用户体验。

03 增强控制

一个/多个锚点
利用角度检测目标/人员移动

经过或朝向房门

04 资产追踪

锚点覆盖建筑物/区域；
定位引擎计算目标的位置；
医院、仓库、工厂、零售店。

05 室内导航

具有AoD的室内信标设施；
智能手机应用使用信标数据进行导航。

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