克服挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度室內(nèi)定位

針對高精準(zhǔn)度室內(nèi)定位難題，藍(lán)牙提供了一個新答案。為了要測試這項(xiàng)技術(shù)，u-blox于工業(yè)倉庫進(jìn)行了概念驗(yàn)證試驗(yàn)，本文聚焦介紹適合室內(nèi)定位的到達(dá)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(fèi)者帶來的主要好處之一。不用花大錢，車隊(duì)管理人員就能實(shí)時(shí)追蹤車隊(duì)車輛，物流公司可以追蹤運(yùn)輸貨物，農(nóng)民也能追蹤他們的牲畜。人們也可以購買聯(lián)網(wǎng)裝置來看顧年邁親人、追蹤寵物或汽車等貴重物品。
透過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite systems；GNSS），包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略系統(tǒng)的建置，定位技術(shù)已全面進(jìn)入人類經(jīng)濟(jì)活動及日常生活的各個層面。年復(fù)一年，GNSS 技術(shù)持續(xù)精進(jìn)，定位精準(zhǔn)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(zhǔn)度定位仍存在一個嚴(yán)重盲點(diǎn)：室內(nèi)空間的定位。微弱的 GNSS 信號無法有效滲透至大部分的室內(nèi)空間，因此，許多室內(nèi)活動無法利用連續(xù)性位置感知來提升效率，例如：

? 醫(yī)院管理人員無法追蹤醫(yī)療設(shè)備、患者和員工。

? 機(jī)場管理公司無法優(yōu)化行李處理程序及快速定位遲到乘客。

? 制造廠商無法提升自動化生產(chǎn)流程。

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

? 倉庫管理人員無法利用地面機(jī)器人升級作業(yè)操作。

基本上，衛(wèi)星信號在這些室內(nèi)環(huán)境里可說是無用武之地，因此必須采用其他技術(shù)來填補(bǔ)此空白區(qū)域。例如，具有行動通訊調(diào)制解調(diào)器的設(shè)備，可以利用行動通訊信號，以所謂的網(wǎng)絡(luò)指紋辨識（network fingerprinting）或更復(fù)雜的飛行時(shí)間（time-of-flight）技術(shù)，估出相對于附近行動通訊基地臺的位置。配備Wi-Fi的設(shè)備，也能使用類似方法，以相對于Wi-Fi 熱點(diǎn)的位置進(jìn)行定位。具有藍(lán)牙功能的設(shè)備，則能使用接收信號強(qiáng)度指針 （RSSI），估計(jì)相對于附近藍(lán)牙信目標(biāo)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(yīng)用，畢竟GNSS技術(shù)在準(zhǔn)確性、可用性、易用性和成本負(fù)擔(dān)方面，皆已樹立極為不凡的標(biāo)竿。行動通訊和 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(zhǔn)度卻低于預(yù)期。至于藍(lán)牙 RSSI，盡管精準(zhǔn)度也不算高，不過由于成本低、功耗低，且兼容于目前市面上的大部分聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因此已成功在需要房間級（room-level）定位精準(zhǔn)度的應(yīng)用中站穩(wěn)腳步。

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

ABI Research 預(yù)測，從2019 年至 2025 年，藍(lán)牙標(biāo)簽出貨量的復(fù)合年成長率為 28.3%，預(yù)估智能辦公室的成長幅度最大（64.2%），倉儲和物流垂直領(lǐng)域的絕對數(shù)量最大（超過 1.63 億）。藍(lán)牙技術(shù)與u-blox的戶外 GNSS 解決方案可相互補(bǔ)，且采用此技術(shù)開發(fā)解決方案的全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)龐大，加上擁有低功耗、低成本，以及1公尺以下的定位精準(zhǔn)度等優(yōu)點(diǎn)，因此 u-blox 投入大量研發(fā)資源推動藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的普及。

藍(lán)牙如何實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度室內(nèi)定位
藍(lán)牙室內(nèi)定位的底層技術(shù)是藍(lán)牙尋向。顧名思義，藍(lán)牙尋向是要測定藍(lán)牙信號在行動卷標(biāo)和固定錨點(diǎn)之間的傳播方向，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)這個目的，一是采用到達(dá)角度（AoA），由錨點(diǎn)計(jì)算藍(lán)牙卷標(biāo)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(zhuǎn)，由藍(lán)牙標(biāo)簽來計(jì)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(nèi)定位解決方案，至于 AoD則是在室內(nèi)導(dǎo)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(nèi)，我們建構(gòu)了采用AoA 的藍(lán)牙尋向展示，在尋向錨點(diǎn)上安裝了伺服馬達(dá)并設(shè)計(jì)程序，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的到達(dá)角度輸出來追?移動的藍(lán)牙標(biāo)簽。


 
圖1 : 位于瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內(nèi)，建構(gòu)采用AoA的藍(lán)牙尋向追?移動的藍(lán)牙標(biāo)簽展示。

藍(lán)牙測向的工作原理有兩個秘密，首先是帶有被稱為固定頻率擴(kuò)展信號（constant tone extension；CTE）附加數(shù)據(jù)的新型藍(lán)牙尋向信號。藍(lán)牙訊息的其余部分經(jīng)過調(diào)變以攜帶數(shù)據(jù)，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準(zhǔn)確測量信號之間的相位差。這也帶來了藍(lán)牙尋向工作原理的第二個秘密，也就是隱藏在每個錨點(diǎn)內(nèi)部的不是單一天線，而是多天線數(shù)組。


 
圖2 : 行動卷標(biāo)發(fā)射的測向信號

圖2說明了行動標(biāo)簽發(fā)射的測向信號，是如何到達(dá)靜態(tài)錨點(diǎn)天線數(shù)組的各個天線。由于行進(jìn)距離不同，每個天線接收到的信號，相對于其他天線都有輕微的相移，歸功于 CTE，這是可以測量的。接下來交由錨點(diǎn)內(nèi)建 MCU 的算法來解析此數(shù)據(jù)，以計(jì)算出信號的到達(dá)角度，精準(zhǔn)度約 +/- X 度。
當(dāng)使用多個錨點(diǎn)而不是單一錨點(diǎn)時(shí)，可以使用來自多個錨點(diǎn)的到達(dá)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(yùn)用另一種算法，根據(jù)每個錨點(diǎn)計(jì)算出的到達(dá)角度，藉以算出附有標(biāo)記資產(chǎn)的2D或3D位置。
我們在一個簡單的 8 x 6 公尺辦公室環(huán)境中，于4個角落安裝了4個錨點(diǎn)，以95%概率達(dá)到1 公尺以下的平均精準(zhǔn)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(yīng)用情境，我們在現(xiàn)場試用了藍(lán)牙室內(nèi)定位解決方案。30 x 50 公尺的倉庫里有金屬貨架，用來存放設(shè)備和箱子。根據(jù)藍(lán)牙規(guī)范的定義，原始 RF 數(shù)據(jù)是交由較低層技術(shù)負(fù)責(zé)，但是并沒有指定計(jì)算實(shí)際到達(dá)角度的算法。在試用中，我們開發(fā)一種高效率的算法，在藍(lán)牙芯片的嵌入式 MCU 上運(yùn)作，同時(shí)仍能提供高精準(zhǔn)度和高更新率。特別的是，還優(yōu)化了射頻前端、天線、運(yùn)作于錨點(diǎn)藍(lán)牙模塊的嵌入式算法，以及將錨點(diǎn)鏈接至網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)骨干。

圖4是在錨點(diǎn)中使用的藍(lán)牙卷標(biāo)和 L 形天線數(shù)組。



 
圖4 : 在錨點(diǎn)中使用的藍(lán)牙卷標(biāo)和 L 形天線數(shù)組

在這個試驗(yàn)中，使用了 10 個錨點(diǎn)來覆蓋 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(guī)劃和準(zhǔn)備，在安裝過程沒有任何中斷的情況下，只花了大約兩個小時(shí)便完成定位系統(tǒng)的安裝。為了最大化追蹤器卷標(biāo)和多天線數(shù)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簡化部署，在這個案例中使用了 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(shè)置定位引擎。最后，在每個錨點(diǎn)和定位引擎之間建立了 Wi-Fi 通信骨干。
在這個試驗(yàn)中，特別費(fèi)心于配置的設(shè)計(jì)，務(wù)求能在室內(nèi)環(huán)境中提供可靠的效能，畢竟大部分的室內(nèi)環(huán)境部署極為復(fù)雜。首先，為了最大化所有可能卷標(biāo)位置和至少3個錨點(diǎn)之間的視線可能性，錨點(diǎn)的放置位置是經(jīng)過深思熟慮的。關(guān)于錨點(diǎn)數(shù)量也需審慎考慮，如上所述，在這個試驗(yàn)中，使用10個相距約10公尺的錨點(diǎn)，這樣的設(shè)置能提供良好的平均定位精準(zhǔn)度，并且可以實(shí)時(shí)追蹤到卷標(biāo)位置。更重要的是，必須處理多徑效應(yīng)，例如當(dāng)無線電信號遇到墻壁反彈時(shí)，便會造成此效應(yīng)。在錨點(diǎn)運(yùn)作用來計(jì)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(zhàn)性的無線電環(huán)境中，依然能夠提供強(qiáng)大的效能。

為了減少多徑效應(yīng)，在3個藍(lán)牙傳播通道中都使用了CTE，在錨點(diǎn)上使用雙極化天線；并且使用先進(jìn)的傳播器直接數(shù)據(jù)采集（propagator direct data acquisition；PDDA）技術(shù)，用于角譜搜尋。
此次成功執(zhí)行概念驗(yàn)證部署的經(jīng)驗(yàn)，讓我們更加確認(rèn)藍(lán)牙高精準(zhǔn)度室內(nèi)定位技術(shù)的強(qiáng)大。首先，如果部署得當(dāng)，此技術(shù)可以為室內(nèi)定位新應(yīng)用提供眾所期待的1公尺以下的精準(zhǔn)度。其次，如同一般的藍(lán)牙裝置，此技術(shù)所需的硬件成本遠(yuǎn)低于其他競爭技術(shù)，電力需求也是低得多。室內(nèi)定位解決方案的部署一向深具挑戰(zhàn)性，我們所采用的硬件配置以及和 Web 接口（例如由 Traxmate 開發(fā)的接口）的整合，大幅簡化了部署工作。
為了協(xié)助客戶快速開發(fā)室內(nèi)定位應(yīng)用，u-blox的兩款「探索者套件（explorer kit）」，可協(xié)助產(chǎn)品開發(fā)人員評估藍(lán)牙尋向和高精準(zhǔn)度室內(nèi)定位技術(shù)的潛力。u-blox XPLR-AOA-1 和 XPLR-AOA-2 探索者套件是專為低功耗、簡易部署和低擁有成本所設(shè)計(jì)，可輕松測試?yán)盟{(lán)牙技術(shù)來開發(fā)門禁控制、碰撞偵測、智慧家電、室內(nèi)定位和資產(chǎn)追蹤等各種應(yīng)用的能力。

此外，u-blox推出的NINA-B4模塊可支持藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)─包括尋向（direction finding）功能，此模塊能在高達(dá)105°C的寬廣溫度范圍內(nèi)運(yùn)作，再結(jié)合其長傳輸距離能力，是部署于惡劣環(huán)境中的理想選擇。透過采用到達(dá)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(nèi)應(yīng)用帶來高精準(zhǔn)度定位的優(yōu)勢。

（本文作者Erik Carlberg為u-blox短距離無線電產(chǎn)品策略部門資深產(chǎn)品經(jīng)理 ）