克服挑战，实现高精准度室内定位

针对高精准度室内定位难题，蓝牙提供了一个新答案。为了要测试这项技术，u-blox于工业仓库进行了概念验证试验，本文聚焦介绍适合室内定位的到达角度（AoA）解决方案。
位置感知：这是物联网技术为企业和消费者带来的主要好处之一。不用花大钱，车队管理人员就能实时追踪车队车辆，物流公司可以追踪运输货物，农民也能追踪他们的牲畜。人们也可以购买联网装置来看顾年迈亲人、追踪宠物或汽车等贵重物品。
透过全球导航卫星系统（global navigation satellite systems；GNSS），包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略系统的建置，定位技术已全面进入人类经济活动及日常生活的各个层面。年复一年，GNSS 技术持续精进，定位精准度从几公尺缩减至几公分，初始定位时间也从几十秒减少至几秒，且服务可用性不断增进，即使是最为密集的都市丛林，GNSS也能提供精确的定位服务。
然而，时至今天，高精准度定位仍存在一个严重盲点：室内空间的定位。微弱的 GNSS 信号无法有效渗透至大部分的室内空间，因此，许多室内活动无法利用连续性位置感知来提升效率，例如：

‧ 医院管理人员无法追踪医疗设备、患者和员工。

‧ 机场管理公司无法优化行李处理程序及快速定位迟到乘客。

‧ 制造厂商无法提升自动化生产流程。

‧ 服务业和零售业者无法追踪客户行为及后端作业。

‧ 仓库管理人员无法利用地面机器人升级作业操作。

基本上，卫星信号在这些室内环境里可说是无用武之地，因此必须采用其他技术来填补此空白区域。例如，具有行动通讯调制解调器的设备，可以利用行动通讯信号，以所谓的网络指纹辨识（network fingerprinting）或更复杂的飞行时间（time-of-flight）技术，估出相对于附近行动通讯基地台的位置。配备Wi-Fi的设备，也能使用类似方法，以相对于Wi-Fi 热点的位置进行定位。具有蓝牙功能的设备，则能使用接收信号强度指针 （RSSI），估计相对于附近蓝牙信目标接近距离。

然而，这些技术都有所局限，限制了它们在上述使用情境中的应用，毕竟GNSS技术在准确性、可用性、易用性和成本负担方面，皆已树立极为不凡的标竿。行动通讯和 Wi-Fi 的定位技术所需的硬件成本相对较高，然而能提供的精准度却低于预期。至于蓝牙 RSSI，尽管精准度也不算高，不过由于成本低、功耗低，且兼容于目前市面上的大部分联网设备，因此已成功在需要房间级（room-level）定位精准度的应用中站稳脚步。

2019 年，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）推出了蓝牙寻向技术（Bluetooth Direction Finding），在室内定位领域取得突破性进展。该方法使用新型蓝牙信号和多天线数组，测量行动卷标与一个或多个静态锚点之间的蓝牙讯息传播角度，为室内定位难题带来了新的解决可能性。这是首次有室内定位技术能够符合高精准度、易于部署、设备成本低，以及低功耗等各项条件。

ABI Research 预测，从2019 年至 2025 年，蓝牙标签出货量的复合年成长率为 28.3%，预估智能办公室的成长幅度最大（64.2%），仓储和物流垂直领域的绝对数量最大（超过 1.63 亿）。蓝牙技术与u-blox的户外 GNSS 解决方案可相互补，且采用此技术开发解决方案的全球产业生态系统庞大，加上拥有低功耗、低成本，以及1公尺以下的定位精准度等优点，因此 u-blox 投入大量研发资源推动蓝牙室内定位技术的普及。

蓝牙如何实现高精准度室内定位
蓝牙室内定位的底层技术是蓝牙寻向。顾名思义，蓝牙寻向是要测定蓝牙信号在行动卷标和固定锚点之间的传播方向，有两种方式可以实现这个目的，一是采用到达角度（AoA），由锚点计算蓝牙卷标传输传入信号的方向。二是采用出发角度（AoD），在此方式中，角色被翻转，由蓝牙标签来计算锚点传输信号的角度。本文聚焦于介绍AoA，此方法更适合室内定位解决方案，至于 AoD则是在室内导航解决方案具有优势。
为了评估此技术，在位于瑞典马尔默市的u-blox办公室内，我们建构了采用AoA 的蓝牙寻向展示，在寻向锚点上安装了伺服马达并设计程序，根据实时计算的到达角度输出来追?移动的蓝牙标签。


 
图1 : 位于瑞典马尔默市的u-blox办公室内，建构采用AoA的蓝牙寻向追?移动的蓝牙标签展示。

蓝牙测向的工作原理有两个秘密，首先是带有被称为固定频率扩展信号（constant tone extension；CTE）附加数据的新型蓝牙寻向信号。蓝牙讯息的其余部分经过调变以携带数据，CTE 仅由一连串的「1」组成，因此接收器可以使用这部分讯息来准确测量信号之间的相位差。这也带来了蓝牙寻向工作原理的第二个秘密，也就是隐藏在每个锚点内部的不是单一天线，而是多天线数组。


 
图2 : 行动卷标发射的测向信号

图2说明了行动标签发射的测向信号，是如何到达静态锚点天线数组的各个天线。由于行进距离不同，每个天线接收到的信号，相对于其他天线都有轻微的相移，归功于 CTE，这是可以测量的。接下来交由锚点内建 MCU 的算法来解析此数据，以计算出信号的到达角度，精准度约 +/- X 度。
当使用多个锚点而不是单一锚点时，可以使用来自多个锚点的到达角度，以三角测量方式定位追踪器的大致位置。这需要将锚点的精确位置和方向输入定位引擎，然后运用另一种算法，根据每个锚点计算出的到达角度，藉以算出附有标记资产的2D或3D位置。
我们在一个简单的 8 x 6 公尺办公室环境中，于4个角落安装了4个锚点，以95%概率达到1 公尺以下的平均精准度。


 
图3 : 在工业仓库中试用技术

工业仓库是典型的资产追踪应用情境，我们在现场试用了蓝牙室内定位解决方案。30 x 50 公尺的仓库里有金属货架，用来存放设备和箱子。根据蓝牙规范的定义，原始 RF 数据是交由较低层技术负责，但是并没有指定计算实际到达角度的算法。在试用中，我们开发一种高效率的算法，在蓝牙芯片的嵌入式 MCU 上运作，同时仍能提供高精准度和高更新率。特别的是，还优化了射频前端、天线、运作于锚点蓝牙模块的嵌入式算法，以及将锚点链接至网络的无线网络骨干。

图4是在锚点中使用的蓝牙卷标和 L 形天线数组。



 
图4 : 在锚点中使用的蓝牙卷标和 L 形天线数组

在这个试验中，使用了 10 个锚点来覆盖 6 公尺高的空间，占地面积约为1000平方公尺。经由缜密的规划和准备，在安装过程没有任何中断的情况下，只花了大约两个小时便完成定位系统的安装。为了最大化追踪器卷标和多天线数组之间的视野范围，将锚点安装在离地面3至5公尺之间。
我们采用第三方追踪软件来简化部署，在这个案例中使用了 Traxmate，得以轻松输入锚点的位置和方向，并能使用整合型 API 设置定位引擎。最后，在每个锚点和定位引擎之间建立了 Wi-Fi 通信骨干。
在这个试验中，特别费心于配置的设计，务求能在室内环境中提供可靠的效能，毕竟大部分的室内环境部署极为复杂。首先，为了最大化所有可能卷标位置和至少3个锚点之间的视线可能性，锚点的放置位置是经过深思熟虑的。关于锚点数量也需审慎考虑，如上所述，在这个试验中，使用10个相距约10公尺的锚点，这样的设置能提供良好的平均定位精准度，并且可以实时追踪到卷标位置。更重要的是，必须处理多径效应，例如当无线电信号遇到墙壁反弹时，便会造成此效应。在锚点运作用来计算角度的算法中，就包括多路径缓解，即使在仓库这种颇具挑战性的无线电环境中，依然能够提供强大的效能。

为了减少多径效应，在3个蓝牙传播通道中都使用了CTE，在锚点上使用双极化天线；并且使用先进的传播器直接数据采集（propagator direct data acquisition；PDDA）技术，用于角谱搜寻。
此次成功执行概念验证部署的经验，让我们更加确认蓝牙高精准度室内定位技术的强大。首先，如果部署得当，此技术可以为室内定位新应用提供众所期待的1公尺以下的精准度。其次，如同一般的蓝牙装置，此技术所需的硬件成本远低于其他竞争技术，电力需求也是低得多。室内定位解决方案的部署一向深具挑战性，我们所采用的硬件配置以及和 Web 接口（例如由 Traxmate 开发的接口）的整合，大幅简化了部署工作。
为了协助客户快速开发室内定位应用，u-blox的两款「探索者套件（explorer kit）」，可协助产品开发人员评估蓝牙寻向和高精准度室内定位技术的潜力。u-blox XPLR-AOA-1 和 XPLR-AOA-2 探索者套件是专为低功耗、简易部署和低拥有成本所设计，可轻松测试利用蓝牙技术来开发门禁控制、碰撞侦测、智慧家电、室内定位和资产追踪等各种应用的能力。

此外，u-blox推出的NINA-B4模块可支持蓝牙5.1标准─包括寻向（direction finding）功能，此模块能在高达105°C的宽广温度范围内运作，再结合其长传输距离能力，是部署于恶劣环境中的理想选择。透过采用到达角（AoA）和出发角（AoD, angle-of-departure）寻向技术，NINA-B4模块可同时做为发射器和接收器使用，为室内应用带来高精准度定位的优势。

（本文作者Erik Carlberg为u-blox短距离无线电产品策略部门资深产品经理 ）