揭秘藍牙定位技術，實現精準室內導航
提及定位，我們首先想到的是GPS定位系統。然而，GPS主要適用于室外環境，在室內定位方面存在局限性，這主要歸結于兩個原因：首先，GPS信號功率極低，接收要求相當高，只有在天線對空無遮擋物的情況下才能接收到衛星信號并實現定位；其次，由于現代建筑材料的特性，GPS信號很容易受到墻體的阻擋或反射，無法順利進入室內，從而導致無法接收到衛星信號，無法在室內實現定位。
那么，在室內應如何定位呢？隨著BLE（藍牙低功耗技術）的不斷成熟和發展，基于RSSI（接收信號強度指示）、AoA（到達角）和AoD（出發角）的定位功能已經廣泛應用于室內定位場景。
RSSI 定位
在無線通信中，信號傳播距離越遠，能量衰減越嚴重。若接收設備能測量收到信號的能量大小，就能推算出發射設備與接收設備之間的距離。藍牙設備能夠接收到信號的能量大小，即RSSI（接收信號強度指示），通常以dBm為單位。RSSI數值多為負值，因為藍牙芯片的最大發射功率通常只有幾dBm，經過路徑損失后，接收端設備的信號強度通常為負值。但RSSI不會低于芯片的接收靈敏度，因為低于接收靈敏度的信號無法被藍牙芯片測量。
RSSI越大，距離越近，RSSI越小，距離越遠。當然，接收設備需要事先了解發送設備的發射功率。例如，同一位置設備A的發射功率為0dBm，設備B的發射功率為10dBm，接收設備所讀取的兩個設備的RSSI值必然不同，因此判斷它們的距離也會有差異。
藍牙信號傳播距離和強度受多種因素影響。在商場等場景中，移動的人群會嚴重干擾RSSI的穩定性，使距離測量變得困難。盡管可以通過增加接收點或采用算法來提高穩定性，但目前基于RSSI的定位精度通常僅為1-2米。這樣的精度僅能將目標定位到一個區域范圍內，想要進一步提高精度較為困難。
采用RSSI定位時，設備一致性要求較高。在相同環境和距離下，不同廣播設備的RSSI值差異應盡可能小，且波動相對穩定。目前，基于RSSI的定位系統分為主動式、被動式以及主被動一體式三種類型。
1.1 主動式RSSI藍牙定位
主動式RSSI藍牙定位系統，又叫終端側RSSI藍牙定位系統，原理是通過RSSI值來確定藍牙終端設備和藍牙信標（Beacon）之間的相對位置，由信標發射信號，藍牙終端設備接收，定位精度在米級（2-3米），可以實現路徑規劃、語音導航、反向尋車等功能，可集成于微信小程序、APP之中。
定位原理：
1 ? 在定位區域部署藍牙信標，一般需要至少3個信標，信標會每隔一定的時間廣播數據包到周圍；
2 ? 當終端設備（智能手機、平板等）進入信標廣播覆蓋范圍，會掃描接收到信標廣播出來的數據包（包含MAC、RSSI等信息）；
3 ? 終端設備通過定位算法以及云端后臺地圖引擎數據庫，即可在地圖上標記出設備當前位置。
圖1. 1 主動式RSSI藍牙定位
應用場景：商超、景點、停車場定位導航（反向尋車）、醫院、養老院、展會、機場、火車站、展館博物館等。
1.2 被動式RSSI藍牙定位
被動式RSSI藍牙定位系統，又叫RSSI藍牙探測定位系統或網絡側RSSI藍牙定位系統。依托于基于RSSI的藍牙定位引擎算法、藍牙網關、藍牙定位標簽（手環、工卡、Beacon信標等），可實現2~3米左右的定位精度。
被動式藍牙定位系統架構包括：終端顯示設備、服務器、藍牙定位引擎和算法、云端數據傳輸、藍牙網關和藍牙定位標簽（手環、工卡、Beacon信標等），如圖1.2所示。
定位原理：
1 ? 藍牙定位標簽（手環、工卡、Beacon信標等）工作在信標廣播狀態，將自身的MAC地址、電量、RSSI、心率等信息進行廣播；
2 ? 藍牙網關（4G/Wi-Fi/RJ45三種通信方式）掃描到藍牙定位標簽的廣播信息，將相關信息傳輸到中央定位引擎，中央定位引擎對有關信息進行計算，獲取到藍牙定位標簽的位置信息；
3 ? 終端顯示軟件將藍牙定位標簽的位置信息進行顯示，可以實現實時位置跟蹤、軌跡回放、電子圍欄、心率監測等功能。
圖1. 2 被動式RSSI藍牙定位
應用場景：醫院、養老院等。
1.3 主被動一體RSSI藍牙定位
主被動一體藍牙定位系統，集成前臺用戶自主定位導航和后臺實時定位監測功能于一體的室內定位系統。系統主要由藍牙定位引擎算法，藍牙網關、藍牙工卡和Beacon信標等一系列藍牙定位硬件，可以最大限度減少藍牙網關的使用，節省用戶部署藍牙網關的成本，是低成本室內定位系統較好的選擇，可實現2-5米以內的定位。
定位原理：
1 ? Beacon信標工作在廣播狀態，將自身的MAC地址、電量等信息進行廣播出去；
2 ? 藍牙工卡掃描采集Beacon信標的廣播信息，并將Beacon信標的廣播信息通過藍牙轉發給藍牙網關；
3 ? 藍牙網關收集工卡的信息，將藍牙工卡轉發出來的Beacon信息通過Wi-Fi或者RJ45方式（二選一）發送給定位服務器；
4 ? 定位服務器根據藍牙工卡和Beacon的信息，通過運行位置定位引擎算法，計算出藍牙工卡的位置，終端顯示軟件將藍牙工卡的位置信息進行顯示，可以實現實時位置定位跟蹤、軌跡回放、電子圍欄等功能。
圖1. 3 主被動一體RSSI藍牙定位
該方案可廣泛應用于博物館、貴重資產定位管理、景點、醫院、停車場定位導航（反向尋車）、養老院智慧養老、展館、機場、火車站、訪客人員定位管理等室內定位場景。
1.4 三種定位方案對比
三種定位方案對比如下表所示：
表 1.1定位方案對比
終端側RSSI定位實現起來最簡單，成本也最低，藍牙Beacon單獨工作，紐扣電池供電，待機時間可以達到幾年，不需要聯網，安裝方便，只需要在室內間隔6-8米距離部署藍牙Beacon，配合手機App即可完成系統搭建。
網絡側和主被動一體RSSI定位需要藍牙網關和管理后臺的支持，部署成本會顯著增加，更適用于人員實時監控的場景。
目前基于信馳達RF-B-AR1藍牙信標的終端側RSSI定位方案已經廣泛應用于商超、展覽館、地下停車場等場所，更多信息可直接訪問信馳達官網及淘寶店鋪。
藍牙AoA和AoD定位系統
藍牙5.1協議中提出了兩種更加精確的定位方法：一種是到達角（AoA），另一種是出發角（AoD）。
AoA定位：即藍牙接收器擁有復數個天線，發射天線與每個接收天線距離有差異，故發射出的信號在每個接收天線有接收時差，就可以計算出相位差。
AoD定位：則是通過藍牙的定位信標通過天線陣列發出信號，而接收設備通過單根天線接收信號，通過解碼接收信號計算出信號的發送方向。
2.1 藍牙AoA定位
藍牙AoA定位是一種較新的室內定位技術得益于藍牙5.1標準的推出。藍牙5.1標準引入了AoA特性，AoA定位算法又叫到達角度測距(Angle-of-Arrival，簡稱AoA)，是一種基于藍牙信號到達角度的藍牙定位算法，如圖2.1。其優點是定位算法通信開銷低，定位精度較高。通過陣列天線感知發射節點信號的到達方向，計算接收節點（藍牙AoA定位基站）和發射節點（藍牙AoA標簽）之間的相對方位或角度，然后再利用三角測量法或其他方式計算出未知節點（藍牙AoA標簽）的位置。
適用場景：資產標簽定位，體育場人員定位，養老院定位系統；
監測技術：藍牙到達角度定位計算；
涉及軟硬件：藍牙AoA定位基站、藍牙AoA定位標簽（工卡/手環）、藍牙 AoA定位算法等；
定位精度：10厘米~30厘米；
功能實現：人員實時定位、施工人員數量統計點名、電子圍欄、一鍵呼救、危險情況預警等。
2.2 藍牙AoD定位
AoD定位算法又叫出發角度測距(Angle of Departure，簡稱AoD)，是一種基于藍牙信號出發角度的藍牙定位算法，如圖2.2。發射端由射頻開關和天線陣列組成，通過發射測向廣播包，在發射過程中切換天線，使其出發角（AoD）可被檢測到，接收端使用單個天線來接收這些廣播包，并在這些包中捕獲IQ（In-Phase and Quadrature）樣本。方向的確定基于單個發射端天線陣列中的不同天線發射無線電信號到接收機天線收到的廣播延遲，IQ測量可以檢測廣播延遲。任何具有支持AoD功能的單個天線的接收端都可以捕獲IQ樣本，并借助指定發射端天線布局的配置文件信息，計算無線電的入射角度信號。
圖2. 2 藍牙AoD定位
藍牙AoD定位的接收端可集成在設備端，也可集成在具備藍牙5.1功能的手機上，這樣定位的并發量將不變限制。由于計算不在發射端，藍牙AoD的發射端可采用電池供電，方便安裝與部署。接收端需計算藍牙信號的離開角，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并且成本更高。
AoD相比于AoA，實現起來也相對復雜，目前主要的還是應用AoA方案來實現定位。
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