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，即现在的蓝牙技术联盟。

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；

2、传输速度上限为24Mbps，是之前4.2LE版本的两倍；

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；

4、为应对移动客户端需求，其功耗更低，且兼容老版本；

5、在蓝牙4.2中，蓝牙分为三个广播信道（37,38,39）；而蓝牙5.0，Bluetooth LE部分的扩展广播信道可以在0-39任意信道，也即为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5.1标准，相比蓝牙5.0，蓝牙5.1加入了测向功能和厘米级定位服务，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能，通过AOA定位技术，其定位精度可高达30厘米。

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。

固定频率的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）。

如上述二图，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。如图所示，其中λ为发送信号波长、ΔΦ为天线1和2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，右图是关系可得：

θ=arcsin(λΔΦ/2πd)

在二维平面上，通过两个天线的位置以及到达角度θ可获取两个为a的角度，但在三维空间中，则会存在一个以r为半径、角度为a的圆形轨迹线，无法判断到底出于哪个位置，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）。

在获取到信号的波达方向角后，据此可计算出定位终端的位置，如下图所示：

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30~50厘米。大于1.2H范围小余1.5H范围内，定位精度可达50~70厘米。

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蓝牙基站的覆盖范围，但基站的步数高度最高不能超过10米，也即单个蓝牙AOA基站的覆盖半径为12~15米。

说了这么多，相信大家对蓝牙AOA定位还有很多疑惑的地方，小编结合实际项目中所碰到的情况，罗列了一下问题及回答：

问题一：蓝牙AOA基站的覆盖范围是多少？定位精度最高能达到多少？

答：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。

问题二：蓝牙AOA定位频率最快是多少？

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

问题三：蓝牙AOA定位容易受周围环境的影响吗？比如金属物较多的环境。

答：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。但是在金属、玻璃较多的周围环境中，容易发生多径反射，导致定位出现偏差，如下图所示：

在金属物较多的环境中，一般定位精度在1米以内。

问题四：蓝牙AOA基站的部署必须水平放置部署吗？

答：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角，夹角不能超过45度。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，建议基站安装时与地面保持水平安装。

问题五：蓝牙AOA定位相较于蓝牙4.2的RSSI定位有哪些优势？

答：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AOA定位可做到厘米级，最高30厘米。

问题六：蓝牙AOA定位于UWB相比有哪些优势？

答：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30厘米的定位精度；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比UWB定位终端便宜不少。

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