蓝牙51:蓝牙AOA定位原理

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  蓝牙设备在我们日常生活中已随处可见,手机、蓝牙耳机、笔记本电脑等等,蓝牙技术最早由瑞典的公司爱立

  蓝牙设备在我们日常生活中已随处可见,手机、蓝牙耳机、笔记本电脑等等,蓝牙技术最早由瑞典的公司爱立信发明,到1998年2月,5大跨国公司包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝以及英特尔组成了一个特殊兴趣小组(SIG),他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术,即现在的

  2016年12月蓝牙技术联盟发布蓝牙5.0标准,相比于蓝牙4.2,蓝牙5.0有以下特点:

  1,蓝牙5.0针对低功耗设备,有着更广的覆盖范围和相较现在四倍的速度提升

  3,传输级别达到无损级别有效工作距离可达300米,是之前4.2LE版本的4倍。

  5,在蓝牙4.2中,蓝牙分为三个广播信道,37,38,39;而在蓝牙5.0规范当中,Bluetooth LE部分的扩展广播信道可以在0-39任意信道,也即位蓝牙设备可以工作在任何蓝牙频道。

  2019年2月蓝牙技术联盟发布蓝牙5.1标准,相比蓝牙5.0,蓝牙5.1加入了测向功能厘米级的定位服务,即Angle of Arrival (AoA) ,也即到达角度定位,至此,通过蓝牙实现高精度厘米级定位成为可通过蓝牙AoA定位技术,其定位精度最早可做到10~30cm的定位精度。

  到达角度定位(AOA)是利用单一天线发射寻向讯号,而接收端的装置内建天线阵列,当信号通过时,会因阵列中接收到的不同距离,产生相位差异,进而计算出相对的信号方向;AOA定位是一种高精度定位测向角技术,不只利用蓝牙可实现高精度定位,利用UWB、5G信号作为载波同样可以实现。

  固定频率蓝牙信号在空旷的环境中传播时,两个接收端接收到发射端传输的信号时,具备一相位差(两束相同频率的信号发生时机相差的度数)。

  如上图,天线一和天线二在接收到发射端发射的信号时,由于天线距离不同,接收的蓝牙信号具备相位差。

  当两个天线足够近时(小于半波长),可消除相位差的整周期模糊,能够唯一的确定来波的方向。如上图所示,其中λ为发送信号波长、Δφ 为天线 接收到同一信号的相位差,θ为待求的信号到达角度(AoA),d 为两个天线间的距离,由图示关系可得:

  在二维平面上,到达角度θ可获取两个为a的角度即实际所在的坐标。则会存在一个以r为半径角度为a的圆形轨迹线,无法判断到底处于哪个位置,如下图所示

  若要确定发射点在三维空间的具体坐标,需要用到点阵天线组合才能达到计算出具体坐标的位置。点阵天线获取发射点方位角的计算方式并不复杂,利用正交天线阵列,同时有三个接收点天线收到发射终端发射的信号时,即可得到唯一的方向角,也即两个轨迹圆的交点。

  实际应用中,一般常用线阵、矩形阵、圆阵等不同的天线阵列进行信号检测。线阵是一维的,所有天线位于一条直线上,可以获取方位角。矩形阵和圆阵可以获取二维角度(方位角和俯仰角)。

  基站的部署高度为H,通过 AOA 角度估计可以获得从蓝牙AOA基站出发的一根射线,该射线和定位终端的高度平面相交便可获得平面坐标。从图中可以看出,单基站的定位覆盖是以基站为中心的锥形区域,距离基站越远,相同角度误差带来的平面坐标的变化越大,位置误差也就越大,越靠近基站定位精度越好。一般而言,基站的高度的1.2倍,也即1.2H为基站的覆盖半径范围内,定位精度可达30~50cm。大于1.2H范围小于1.5H范围内,定位精度可达50~70cm。

  由于基站的覆盖范围为锥形区域,可通过提高蓝牙AOA基站的部署高度来提高基站的覆盖范围,但基站的部署高度最高不能超过10米,也即单个蓝牙AOA基站的覆盖半径为12~15米。

  蓝牙AOA基站单基站的覆盖范围和部署高度息息相关,定位覆盖范围为部署高度的1.5倍。比如蓝牙AOA基站部署在5米高的地方,其覆盖半径为6米~7.5米

  蓝牙AOA的定位频率最快可做到1秒10次,也就是定位终端每100ms需广播一次蓝牙数据

  蓝牙AOA采用到达角度定位算法,相较于蓝牙RSSI定位算法,不易受周围的环境干扰。但是在周围金属、玻璃较多的环境中,容易发生多径反射,导致定位出现偏差,如下图所示:

  不是的,在部署蓝牙AOA基站时可以与水平方面存在一定程度的夹。但是如果基站与水平地图有角度的话,对于算法计算是有挑战的,建筑基站部署与水平地图呈水平安装角,夹角不能超过45度

  蓝牙4.2中,采用蓝牙RSSI定位,定位精度最高只能做到2米,但蓝牙5.1的,最高30cmAOA定位可做到厘米级

  基于蓝牙5.1的AOA定位能够做到与UWB定位一样的定位精度,也即30cm的定位精度;蓝牙AOA一个基站即可做到厘米级定位,UWB若做到厘米级定位,基站必须四个一组。在房间较多的环境中,比如养老院、监狱、看守所,蓝牙AOA定位用的基站更少,更有优势。并且采用蓝牙芯片的定位终端价格要比UWB定位终端便宜不少。返回搜狐,查看更多

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