藍芽5.1反向定位：藍芽AOD是如何做到釐米級定位的？

藍芽5。1反向定位：藍芽AOD定位原理

2016年12月藍芽技術聯盟釋出藍芽5。0標準，相比於藍牙4。2，藍芽5。0有以下特點：

1，更快的傳輸速度

，新版本的藍芽傳輸速度上限為2Mbps，是之前藍芽4。2LE版本的2倍

2，更遠的傳輸距離，藍芽5。0的有效傳輸距離最遠300米，是藍芽4。2LE的4倍

3，更低的功耗，藍芽5。0針對物聯網進行了很多底層最佳化，力求以更低的功耗和更高的效能為智慧家居服務

時隔兩年後，2019年2月，藍芽技術聯盟（SIG）公佈藍芽5。1標準，相比藍芽5。0，藍芽5。1增加了測向功能定位，以此，基於藍芽AOA（Angel of Arrival）和AOD（Angel of Departure）技術的定位測向功能，可達到釐米級的定位精度。

上一篇文章介紹了基於藍芽AOA的到達角度定位原理，本文重點介紹基於藍芽AOD的離開角度定位原理。

在藍芽5。1協議中，若啟用藍芽AoA到達角定位時，傳送端需傳送一個固定頻率擴充套件訊號（Constant Tone Extension ：CTE），接收端接收CTE時按照一定的順序切換不同的接收天線。而在藍芽離開角AoD定位中，傳送端傳送CTE時按照一定的順序切換不同的傳送天線，而接收端只是用一個天線。

如果理解起來有難度的話，我們先從電磁波尋向理論基礎講起，藍芽發射端發射的電磁波訊號被多個藍芽接收端接接收時，會存在相位差

（兩束相同頻率的訊號發生時機相差的度數

），如下圖所示：

訊號的相位在向三維空間傳輸過程中會從0到360度（0-2*PI）連續變化。在不同半徑圓上有兩個不同位置天線一和天線二，兩者接收到的正弦波訊號的相位是不一致，存在相位差，如下圖所示：

不同位置，會得到不同正弦波訊號相位，如上圖的藍色點。若求P1與P2之間的距離，利用公式： r=C*t（C代表電磁波傳送速度，也即光速；t代表傳送時間）

利用正弦波週期距離公式，傳送時間等於若干個整數正弦波週期加上不到一個正弦波週期的小數正弦小週期，得出公式： t = K*T + uT = r / C； （T表示正弦波週期，k表示整數，u表示小數）

變換公式：r = C * （K*T + u*T）

當兩個天線足夠近時（小於半波長），可消除相位差的整週期模糊，也即兩者之間的K值相等。以此得到，p1和p2兩者之間的距離差公式：

r1 - r2 = C*（u1*T - u2*T） = C*T*（u1-u2） =

λ*

Δφ

其中

Δφ，也即

u1-u2為相位差，C*T是訊號波長

λ，藍芽頻率為2。4GHz，波長在12。5cm左右。從公式中可得出，如果知道P1和P2兩點之間的距離，可計算出P1和P2之間的相位差。反之，亦然。

以最簡單的一個接收端同時接收兩個發射端天線為例，如下圖所示：

其中λ為傳送訊號波長、Δφ 為天線 1 和2 接收到同一訊號的相位差，θ為待求的訊號到達角度（AoA），d 為兩個天線間的距離，由圖示關係可得：

θ = arccos（λΔφ/2πd）

在二維平面上，

有兩個接收端能夠形成AOD的到達角θ，而在三維空間中，則是以θ的錐體。如下圖所示：

若要確定發射點在三維空間的具體座標，需要用到點陣天線組合才能達到計算出具體座標的位置。點陣天線獲取發射點方位角的計算方式並不複雜，利用正交天線陣列，同時有三個接收點天線收到發射終端發射的訊號時，即可得到唯一的方向角；如下圖所示：

實際應用中，一般常用線陣、矩形陣、圓陣等不同的天線陣列進行訊號檢測。線陣是一維的，所有天線位於一條直線上，

只能計算一個角度

。矩形陣和圓陣可以獲取二維角度（方位角和俯仰角）。

不同型別的AOD陣列天線

矩形陣或圓形陣列天線透過多個角的邊線焦點就可以定位目標位置，再結合發射端裝置安裝的高度，即可精準計算接收端裝置所在的位置，定位精度可達30cm，如下圖所示：

藍芽AoD定位原理圖

再次回到藍芽5。1標準，針對AoA和AoD測向定位，藍芽 5。1 核心規範增加了一個定頻擴充套件 （CTE） 欄位，該欄位是一個位序列，持續時間在 16 微秒到 160 微秒之間。只有以 1 Mbps 的速率（強制速率，也可選擇 2 Mbps）執行的藍芽 LE 支援 CTE。CTE 欄位包含一系列經過調製的 1 位，必須使用恆定波長以一種頻率發射，以便測量接收訊號的相位

。因此，

訊號不受白化的影響（白化是一種對訊號進行加擾以確保不會出現長串 1 或 0 的過程）。

藍芽5。1協議定義

以下是常見的問題解答：

問題一，相較於藍芽AOA定位，藍芽AOD定位有哪些優勢？

1，藍芽AOD定位的接收端可整合在裝置端，也即直接可透過具備藍芽5。1功能的手機上，這樣定位的併發量將不變限制。2，由於計算不在發射端，以故藍芽AOD的發射裝置可採用電池供電，方便安裝與部署

問題二，相較於藍芽AOA定位，藍芽AOD定位有哪些劣勢？

藍芽AOD接收端也即裝置端，接收端需計算藍芽訊號的離開角，這樣會增加接收端的功耗與成本。定位終端的使用時長更短並且成本更高。

問題三，藍芽AOD定位，相較於UWB定位，有哪些優勢與劣勢

藍芽AOD和UWB超寬頻定位同樣都能做到釐米級定位，定位精度均可達到30cm。

1，相較於UWB而言，藍芽AOD裝置更通用，比如具備藍芽5。1的手機就可利用藍芽AoD達到釐米級定位。

2，在一些空曠的環境中，比如鋼廠，化工廠，隧道，由於場景較空曠，UWB傳輸的距離更遠，採用UWB定位要比藍芽AoD的成本要低

3，在一些房間較多的環境中，比如看守所，辦公室，醫院等場所，由於UWB必須四個一組才能精準定位，而AOD定位只需一個AOD基站即可，此環境中採用藍芽AoD定位的成本要低不少；總的來說，藍芽AOD定位更適合於房間較多，遮擋物較多的環境，而UWB更適合空曠的環境中定位

4，藍芽5。1向下相容藍芽4。x，藍芽AOD定位可融合基於訊號RSSI的藍芽4。x定位，高低精度搭配，在一些場所更有價效比

問題四，藍芽AoD定位基站/信標是如何部署的？

藍芽AOD定位基站/信標也即定位的發射端，分為兩種方式部署：

1，水平離地部署，這和藍芽AOA基站一樣，單基站的覆蓋範圍是部署高度的1。5倍，如果部署高度為4米的話，基站的覆蓋半徑為6米。

2，貼地安裝部署，這種方式定位終端一般佩戴的高度在1米左右，與AOD信標/基站的距離不超過4。5米，也即兩兩信標的間隔不能超過10米。

問題五，藍芽AoD定位對於藍芽RSSI定位有哪些優劣勢

1，藍芽AOD定位精度高，一般為30cm的定位精度；基於藍芽4。x的RSSI定位，定位精度最高為2米，做不到釐米級

2，基於藍芽4。x的RSSI定位由於不需要陣列天線，成本要遠遠低於藍芽AoD定位

問題六，藍芽AOD定位的抗干擾性如何，容易受金屬、玻璃等環境影響嗎？

藍芽AOD是基於藍芽訊號的離開角定位，藍芽是2。4GHz頻段，在金屬比較多的環境中，容易受金屬的干擾發生多徑反射，導致定位不準時有發生。準確的講，藍芽AOD和藍芽AOA一樣在金屬、玻璃等環境中，定位精度會下降，但也能達到1米內的定位精度。

問題七，藍芽AoD定位有哪些常見的應用場景？

藍芽AOD定位是釐米級的精準定位，在一些高精度的定位場所，比如醫院、辦公樓，製造業等等。這些場所顯著的特點就是房間多，遮擋物多，採用藍芽AOD定位比較合適