克服挑戰，實(shí)現高精準度室內定位

針對高精準度室內定位難題，藍牙提供了一個(gè)新答案。為了要測試這項技術(shù)，u-blox于工業(yè)倉庫進(jìn)行了概念驗證試驗，本文聚焦介紹適合室內定位的到達角度（AoA）解決方案。
位置感知：這是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為企業(yè)和消費者帶來(lái)的主要好處之一。不用花大錢(qián)，車(chē)隊管理人員就能實(shí)時(shí)追蹤車(chē)隊車(chē)輛，物流公司可以追蹤運輸貨物，農民也能追蹤他們的牲畜。人們也可以購買(mǎi)聯(lián)網(wǎng)裝置來(lái)看顧年邁親人、追蹤寵物或汽車(chē)等貴重物品。
透過(guò)全球導航衛星系統（global navigation satellite systems；GNSS），包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略系統的建置，定位技術(shù)已全面進(jìn)入人類(lèi)經(jīng)濟活動(dòng)及日常生活的各個(gè)層面。年復一年，GNSS 技術(shù)持續精進(jìn)，定位精準度從幾公尺縮減至幾公分，初始定位時(shí)間也從幾十秒減少至幾秒，且服務(wù)可用性不斷增進(jìn)，即使是最為密集的都市叢林，GNSS也能提供精確的定位服務(wù)。
然而，時(shí)至今天，高精準度定位仍存在一個(gè)嚴重盲點(diǎn)：室內空間的定位。微弱的 GNSS 信號無(wú)法有效滲透至大部分的室內空間，因此，許多室內活動(dòng)無(wú)法利用連續性位置感知來(lái)提升效率，例如：

? 醫院管理人員無(wú)法追蹤醫療設備、患者和員工。

? 機場(chǎng)管理公司無(wú)法優(yōu)化行李處理程序及快速定位遲到乘客。

? 制造廠(chǎng)商無(wú)法提升自動(dòng)化生產(chǎn)流程。

? 服務(wù)業(yè)和零售業(yè)者無(wú)法追蹤客戶(hù)行為及后端作業(yè)。

? 倉庫管理人員無(wú)法利用地面機器人升級作業(yè)操作。

基本上，衛星信號在這些室內環(huán)境里可說(shuō)是無(wú)用武之地，因此必須采用其他技術(shù)來(lái)填補此空白區域。例如，具有行動(dòng)通訊調制解調器的設備，可以利用行動(dòng)通訊信號，以所謂的網(wǎng)絡(luò )指紋辨識（network fingerprinting）或更復雜的飛行時(shí)間（time-of-flight）技術(shù)，估出相對于附近行動(dòng)通訊基地臺的位置。配備Wi-Fi的設備，也能使用類(lèi)似方法，以相對于Wi-Fi 熱點(diǎn)的位置進(jìn)行定位。具有藍牙功能的設備，則能使用接收信號強度指針 （RSSI），估計相對于附近藍牙信目標接近距離。

然而，這些技術(shù)都有所局限，限制了它們在上述使用情境中的應用，畢竟GNSS技術(shù)在準確性、可用性、易用性和成本負擔方面，皆已樹(shù)立極為不凡的標竿。行動(dòng)通訊和 Wi-Fi 的定位技術(shù)所需的硬件成本相對較高，然而能提供的精準度卻低于預期。至于藍牙 RSSI，盡管精準度也不算高，不過(guò)由于成本低、功耗低，且兼容于目前市面上的大部分聯(lián)網(wǎng)設備，因此已成功在需要房間級（room-level）定位精準度的應用中站穩腳步。

2019 年，藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）推出了藍牙尋向技術(shù)（Bluetooth Direction Finding），在室內定位領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該方法使用新型藍牙信號和多天線(xiàn)數組，測量行動(dòng)卷標與一個(gè)或多個(gè)靜態(tài)錨點(diǎn)之間的藍牙訊息傳播角度，為室內定位難題帶來(lái)了新的解決可能性。這是首次有室內定位技術(shù)能夠符合高精準度、易于部署、設備成本低，以及低功耗等各項條件。

ABI Research 預測，從2019 年至 2025 年，藍牙標簽出貨量的復合年成長(cháng)率為 28.3%，預估智能辦公室的成長(cháng)幅度最大（64.2%），倉儲和物流垂直領(lǐng)域的絕對數量最大（超過(guò) 1.63 億）。藍牙技術(shù)與u-blox的戶(hù)外 GNSS 解決方案可相互補，且采用此技術(shù)開(kāi)發(fā)解決方案的全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統龐大，加上擁有低功耗、低成本，以及1公尺以下的定位精準度等優(yōu)點(diǎn)，因此 u-blox 投入大量研發(fā)資源推動(dòng)藍牙室內定位技術(shù)的普及。

藍牙如何實(shí)現高精準度室內定位
藍牙室內定位的底層技術(shù)是藍牙尋向。顧名思義，藍牙尋向是要測定藍牙信號在行動(dòng)卷標和固定錨點(diǎn)之間的傳播方向，有兩種方式可以實(shí)現這個(gè)目的，一是采用到達角度（AoA），由錨點(diǎn)計算藍牙卷標傳輸傳入信號的方向。二是采用出發(fā)角度（AoD），在此方式中，角色被翻轉，由藍牙標簽來(lái)計算錨點(diǎn)傳輸信號的角度。本文聚焦于介紹AoA，此方法更適合室內定位解決方案，至于 AoD則是在室內導航解決方案具有優(yōu)勢。
為了評估此技術(shù)，在位于瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內，我們建構了采用AoA 的藍牙尋向展示，在尋向錨點(diǎn)上安裝了伺服馬達并設計程序，根據實(shí)時(shí)計算的到達角度輸出來(lái)追?移動(dòng)的藍牙標簽。


 
圖1 : 位于瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內，建構采用AoA的藍牙尋向追?移動(dòng)的藍牙標簽展示。

藍牙測向的工作原理有兩個(gè)秘密，首先是帶有被稱(chēng)為固定頻率擴展信號（constant tone extension；CTE）附加數據的新型藍牙尋向信號。藍牙訊息的其余部分經(jīng)過(guò)調變以攜帶數據，CTE 僅由一連串的「1」組成，因此接收器可以使用這部分訊息來(lái)準確測量信號之間的相位差。這也帶來(lái)了藍牙尋向工作原理的第二個(gè)秘密，也就是隱藏在每個(gè)錨點(diǎn)內部的不是單一天線(xiàn)，而是多天線(xiàn)數組。


 
圖2 : 行動(dòng)卷標發(fā)射的測向信號

圖2說(shuō)明了行動(dòng)標簽發(fā)射的測向信號，是如何到達靜態(tài)錨點(diǎn)天線(xiàn)數組的各個(gè)天線(xiàn)。由于行進(jìn)距離不同，每個(gè)天線(xiàn)接收到的信號，相對于其他天線(xiàn)都有輕微的相移，歸功于 CTE，這是可以測量的。接下來(lái)交由錨點(diǎn)內建 MCU 的算法來(lái)解析此數據，以計算出信號的到達角度，精準度約 +/- X 度。
當使用多個(gè)錨點(diǎn)而不是單一錨點(diǎn)時(shí)，可以使用來(lái)自多個(gè)錨點(diǎn)的到達角度，以三角測量方式定位追蹤器的大致位置。這需要將錨點(diǎn)的精確位置和方向輸入定位引擎，然后運用另一種算法，根據每個(gè)錨點(diǎn)計算出的到達角度，藉以算出附有標記資產(chǎn)的2D或3D位置。
我們在一個(gè)簡(jiǎn)單的 8 x 6 公尺辦公室環(huán)境中，于4個(gè)角落安裝了4個(gè)錨點(diǎn)，以95%概率達到1 公尺以下的平均精準度。


 
圖3 : 在工業(yè)倉庫中試用技術(shù)

工業(yè)倉庫是典型的資產(chǎn)追蹤應用情境，我們在現場(chǎng)試用了藍牙室內定位解決方案。30 x 50 公尺的倉庫里有金屬貨架，用來(lái)存放設備和箱子。根據藍牙規范的定義，原始 RF 數據是交由較低層技術(shù)負責，但是并沒(méi)有指定計算實(shí)際到達角度的算法。在試用中，我們開(kāi)發(fā)一種高效率的算法，在藍牙芯片的嵌入式 MCU 上運作，同時(shí)仍能提供高精準度和高更新率。特別的是，還優(yōu)化了射頻前端、天線(xiàn)、運作于錨點(diǎn)藍牙模塊的嵌入式算法，以及將錨點(diǎn)鏈接至網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )骨干。

圖4是在錨點(diǎn)中使用的藍牙卷標和 L 形天線(xiàn)數組。



 
圖4 : 在錨點(diǎn)中使用的藍牙卷標和 L 形天線(xiàn)數組

在這個(gè)試驗中，使用了 10 個(gè)錨點(diǎn)來(lái)覆蓋 6 公尺高的空間，占地面積約為1000平方公尺。經(jīng)由縝密的規劃和準備，在安裝過(guò)程沒(méi)有任何中斷的情況下，只花了大約兩個(gè)小時(shí)便完成定位系統的安裝。為了最大化追蹤器卷標和多天線(xiàn)數組之間的視野范圍，將錨點(diǎn)安裝在離地面3至5公尺之間。
我們采用第三方追蹤軟件來(lái)簡(jiǎn)化部署，在這個(gè)案例中使用了 Traxmate，得以輕松輸入錨點(diǎn)的位置和方向，并能使用整合型 API 設置定位引擎。最后，在每個(gè)錨點(diǎn)和定位引擎之間建立了 Wi-Fi 通信骨干。
在這個(gè)試驗中，特別費心于配置的設計，務(wù)求能在室內環(huán)境中提供可靠的效能，畢竟大部分的室內環(huán)境部署極為復雜。首先，為了最大化所有可能卷標位置和至少3個(gè)錨點(diǎn)之間的視線(xiàn)可能性，錨點(diǎn)的放置位置是經(jīng)過(guò)深思熟慮的。關(guān)于錨點(diǎn)數量也需審慎考慮，如上所述，在這個(gè)試驗中，使用10個(gè)相距約10公尺的錨點(diǎn)，這樣的設置能提供良好的平均定位精準度，并且可以實(shí)時(shí)追蹤到卷標位置。更重要的是，必須處理多徑效應，例如當無(wú)線(xiàn)電信號遇到墻壁反彈時(shí)，便會(huì )造成此效應。在錨點(diǎn)運作用來(lái)計算角度的算法中，就包括多路徑緩解，即使在倉庫這種頗具挑戰性的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中，依然能夠提供強大的效能。

為了減少多徑效應，在3個(gè)藍牙傳播通道中都使用了CTE，在錨點(diǎn)上使用雙極化天線(xiàn)；并且使用先進(jìn)的傳播器直接數據采集（propagator direct data acquisition；PDDA）技術(shù)，用于角譜搜尋。
此次成功執行概念驗證部署的經(jīng)驗，讓我們更加確認藍牙高精準度室內定位技術(shù)的強大。首先，如果部署得當，此技術(shù)可以為室內定位新應用提供眾所期待的1公尺以下的精準度。其次，如同一般的藍牙裝置，此技術(shù)所需的硬件成本遠低于其他競爭技術(shù)，電力需求也是低得多。室內定位解決方案的部署一向深具挑戰性，我們所采用的硬件配置以及和 Web 接口（例如由 Traxmate 開(kāi)發(fā)的接口）的整合，大幅簡(jiǎn)化了部署工作。
為了協(xié)助客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)室內定位應用，u-blox的兩款「探索者套件（explorer kit）」，可協(xié)助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員評估藍牙尋向和高精準度室內定位技術(shù)的潛力。u-blox XPLR-AOA-1 和 XPLR-AOA-2 探索者套件是專(zhuān)為低功耗、簡(jiǎn)易部署和低擁有成本所設計，可輕松測試利用藍牙技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)門(mén)禁控制、碰撞偵測、智慧家電、室內定位和資產(chǎn)追蹤等各種應用的能力。

此外，u-blox推出的NINA-B4模塊可支持藍牙5.1標準─包括尋向（direction finding）功能，此模塊能在高達105°C的寬廣溫度范圍內運作，再結合其長(cháng)傳輸距離能力，是部署于惡劣環(huán)境中的理想選擇。透過(guò)采用到達角（AoA）和出發(fā)角（AoD, angle-of-departure）尋向技術(shù)，NINA-B4模塊可同時(shí)做為發(fā)射器和接收器使用，為室內應用帶來(lái)高精準度定位的優(yōu)勢。

（本文作者Erik Carlberg為u-blox短距離無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品策略部門(mén)資深產(chǎn)品經(jīng)理 ）