在今天的快速发展的物联网（IoT）时代，定位技术扮演着至关重要的角色。尤其是在室内环境中，精确的位置资讯变得尤为重要。Bluetooth Low Energy (BLE) 的 Angle of Arrival (AoA) 技术提供了一种高精度的解决方案，能够精确追踪物件的位置，从而在多个行业中带来创新的应用。
AoA 技术的工作原理
BLE AoA 技术主要通过测量信号的到达角度（AoA）来实现精确定位。该技术要求配备多个天线的接收器，以便从不同方向接收同一个信号。当信号从发射源发出并达到接收器时，由于接收器上不同天线的位置差异，相同的信号会在不同的天线上造成时间上的微小差异，这些差异可以转换为相位差，并用于计
算信号的到达角度。
定位方法原理与计算范例
相位差是 AoA 技术中的核心概念，其测量过程涉及以下步骤：
1.信号接收：
接收器的多个天线同时接收来自同一发射源的信号。由于天线间存在固定的空间分布，相同的信号会在这些天线上表现出时间差异。
2.测量时间差异：
这些时间差异，即信号在不同天线间的到达时间差，可通过精密的计时技术直接测量。这些时间差直接转换为信号的相位差。
3.相位差计算公司：
- Δϕ：相位差（弧度）
- f 是信号的频率，信号频率为 2.45 GHz
- Δt 是在不同天线之间测量到的时间差,单位 ns。
4.角度计算：
一旦得到相位差，可以使用三角函数来计算信号的到达角度，这是通过以下公式进行的：
- θ：信号到达接收器的角度
- d：相邻天线之间的距离
5.数据校正：
由于硬件非理想特性和外部环境因素的影响，测得的相位差可能需要进一步校正。这通常涉及使用校准数据和算法来调整和优化相位差数据。
计算范例：确定发射源位置
为了展示如何从接收站 A 和 B 的角度测量开始计算发射源位置，假设我们知道这些接收站的确切位置以及它们分别测得的到达角度。这将帮助读者理解整个AoA 技术的应用流程。
接收站和发射源设置
- 接收站 A 位置：（xA,yA）=（0,0）
- 接收站 B 位置：（xB,yB） =（10,0）（单位：米）
假设接收站 A 和 B 分别配置有多个天线，并且能够测量到从同一发射源发出的信号的到达角度。
角度测量
为了进行计算，我们首先需要确定从接收站 A 和 B 测得的到达角度。这些角度是通过以下步骤测量得出的：
- 信号的接收：接收站 A 的天线阵列接收来自发射源的信号。
- 相位差测量：根据信号在接收站 A 的不同天线上的到达时间差，计算相
位差。 - 角度计算： 使用公式
其中 λ 是信号波長，Δϕ 是测得的相位差，d 是天线之间的距离。
- 发射源定位计算
使用接收站 A 和 B 测得的到达角度来确定发射源的位置：
● 接收站 A 测得的到达角度：
● 接收站 B 测得的到达角度：
这些角度转换为弧度：
使用这些角度信息建立从接收站指向发射源的直线方程，然后解这些方程找到它们的交点：
● 从接收站 A：
● 从接收站 B：
解这些方程得到发射源位置：
结论
通过这个计算范例，我们展示了如何从接收站的角度测量开始，透过相位差的计算，到最终确定发射源位置的整个过程。这种方法的精确性使 BLE AoA 技术成为室内定位和跟踪应用中的强有力工具。
应用领域
BLE AoA 技术在多个领域都有广泛的应用，包括：
- 室内导航：如商场、机场和博物馆等大型室内场所，提供用户实时导航。
- 资产追踪：在医院和制造业追踪设备和贵重物品的位置。
- 智能家居：精确控制智慧家居设备，提升居家自动化的体验。
- 个人安全：在儿童或老年人护理中，追踪个人位置以增强安全保障。
挑战与限制
虽然 BLE AoA 技术提供了许多可能，但它也面临一些挑战，如多路径干扰和硬体成本。此外，精准的角度测量需要复杂的演算法和高性能的硬体支援。
结语
随着技术的持续进步，BLE AoA 定位技术正逐步克服这些挑战，开创了高精度室内定位技术的新篇章。无论是提高操作效率、增强用户体验还是创造新的业务机会，BLE AoA 技术都展现了巨大的潜力和广阔的前景。
内容审核:翁圣杰 Mick Weng