基于蓝牙5.1的低功耗室内定位系统的研究与设计.pdfVIP

摘要

现如今，室内定位服务广泛应用于生活中的各种场景，人们有70%~90%的时间是

在室内度过的，因而极度依赖室内位置服务。目前主流的室内定位技术仍存在着定位

精度低、功耗高、抗干扰能力差、成本高昂等问题，并没有标准的室内定位解决方

案。2019年1月，蓝牙技术联盟发布了蓝牙5.1标准规范，其中更新了到达角(Angleof

Arrival,AoA)寻向功能，为室内精确定位提供了标准方案。蓝牙AoA定位技术兼顾高

精度、低功耗、低成本、高安全性等优势，应用前景十分广泛。本文基于蓝牙5.1协

议，对蓝牙AoA室内定位展开系统设计与精度提升等工作，主要内容如下：

首先，基于一维天线阵列推导了4×4均匀面阵的接收信号模型。探究了蓝牙5.1通

过恒定频率扩展(ConstToneExtension,CTE)实现来波测向的原理与机制，针对蓝牙接收

机分时采样引起的相位偏移问题，本文对均匀面阵的16个阵元进行了相位补偿。

其次，对经典空间谱估计算法及相干信源到达角估计算法进行了仿真分析，针对

低功耗蓝牙信号在室内多径信号干扰下，来波角度估计困难的问题，本文提出了一种

基于均匀面阵的二维角度估计算法。通过对阵列接收信号协方差矩阵进行补偿和修

正，削弱了多径信号干扰，提高了来波角度估计精度；针对多重信号分类(Multiple

SignalClassification,MUSIC)算法在整个二维空间谱上有哪些信誉好的足球投注网站极大值，导致算法实时性差

的问题，本文通过引入ESPRIT算法对角度进行粗估计，以初步估计的结果为基础实现

了空间谱的局部有哪些信誉好的足球投注网站，大大降低了算法运行的时间，提升了系统实时性。

然后，针对蓝牙AoA技术只能实现来波测向，无法完成三维空间中的目标定位及

姿态获取，本文提出了多传感器融合方案。将蓝牙AoA估计的来波角度数据与气压计

和惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)采集的数据进行融合，通过单基站即可

实现三维空间中的目标定位及姿态检测。

最后，本文设计并搭建了由定位标签、定位基站以及PC上位机组成的——基于蓝

牙5.1的低功耗室内定位系统，并进行了来波角度估计试验和三维定位试验，对试验数

据的均方根误差、圆概率误差及成功分辨率等精度评价指标进行了分析。本文到达角

度估计改进算法相较于传统MUSIC算法，角度估计成功分辨率提高32.65%，角度估计

精度提升40.62%，角度有哪些信誉好的足球投注网站速度提升60%以上。系统通过单基站即可实现对标签的三

维定位及姿态解算，室内定位精度在0.1米左右，姿态检测的精度为轴：0.05°、

轴：0.05°、轴：0.1°，低功耗模式下定位标签的待机电流仅40μA。

关键词室内定位蓝牙5.1到达角寻向多传感器融合空间谱估计

Abstract

Nowadays,indoorpositioningservicesarewidelyusedinvariousscenariosinlife,and

peoplespend70%to90%oftheirtimeindoors,thusrelyingextremelyonindoorlocation

services.Thecurrentmainstreamindoorpositioningtechnologystillsuffersfromlow

positioningaccuracy,highpowerconsumption,pooranti-jammingability,highcost,etc.,and

thereisnostandardindoorpositioningsolution.InJanuary2019,theBluetoothTechnology

AlliancereleasedtheBluetooth5.1standardspecification,whichupdatestheangleofarrival

(Angleof