「技術(shù)」室內(nèi)定位—AOA測距算法，定位精度可達(dá)1m

什么是AOA測距？

到達(dá)角度測距(Angle-of-Arrival：AOA)：基于信號到達(dá)角度的定位算法是典型的、基于測距的定位算法，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，AOA（到達(dá)角度測距）作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位一種常見的定位算法，其主要特點(diǎn)有：成本低、定位精度高等。主要是通過一些應(yīng)用固件探測發(fā)射信號的到達(dá)方向，然后根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)與始發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的交錯(cuò)夾角，再利用三角測量或者是其他角位推算出發(fā)送信號中存在未知節(jié)點(diǎn)的位置，在目前無線應(yīng)用市場中被廣泛利用。

關(guān)于AOA算法的基本原理

在無線信號傳輸過程中，在對信號傳輸中信號傳播方向構(gòu)成的不同角度、范圍的天線陣列信號，不同的天線所接收到的信號都會存在一個(gè)接收信號時(shí)間差，而這個(gè)時(shí)間差則可以用來對應(yīng)不同的信號到達(dá)角度，這就是AOA技術(shù)基于信號到達(dá)角度定位算法的基本原理，可以參考下圖。

按照不同信號到達(dá)角度構(gòu)成的時(shí)間差這樣的思路來看，從信號傳輸?shù)慕嵌壬蟻碚f，AOA算法的核心理論就是需要計(jì)算到不同天線所接收的時(shí)間差。就是在藍(lán)牙芯片開放藍(lán)牙射頻端的載波振幅和相位收發(fā)值時(shí)，根據(jù)不同的天線陣列設(shè)計(jì)使用I/Q（相位值）值計(jì)算出信號到達(dá)角度方位，再通過兩個(gè)不同方位的接收端，就可以判斷出發(fā)射端的精確位置（這個(gè)誤差大約為125px，目前市場上較為高精度的數(shù)據(jù)）。

常見的時(shí)間差計(jì)算方法

不同天線上信號到達(dá)時(shí)間差的計(jì)算方法有兩種：

①在接收到信號時(shí)，采用信號時(shí)延計(jì)算方法進(jìn)行確定，再結(jié)合信號當(dāng)前傳播速率以及陣列幾何分布來計(jì)算到達(dá)角度。

②Beamforming——波束成形技術(shù)，將從不同方向的信號進(jìn)行加強(qiáng)放大，然后按照不同方向上的信息強(qiáng)度來確定到達(dá)角度。

根據(jù)到達(dá)角度進(jìn)行定位具體算法

在基站的位置已知的條件下，基站發(fā)送的信號到達(dá)兩個(gè)已經(jīng)被定位的節(jié)點(diǎn)：基站1到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角α1，同時(shí)基于此方向畫一條射線L1；同樣基站2到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角α2，基于此方向畫一條射線L2。那么射線L1與射線L2的交點(diǎn)就是設(shè)備的到達(dá)角位置。

將基站BS1的坐標(biāo)記作(x1,y1)，BS2的坐標(biāo)記作(x2,y2)，被測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)。

假設(shè)α1和α2均不為90°，則兩射線的直線方程分別為 y?y1=k1(x?x1)，y?y2=k2(x?x2)，其中k1=tan(α1)，k2=tan(α2)

假設(shè)基站BS1的坐標(biāo)為(0,0)，BS2的坐標(biāo)為(1,0)，α1=30°，α2=120°，求被定位節(jié)點(diǎn)的代碼如下:

x1=0;y1=0;x2=1;

y2=0;α1=30;

α2=120;k1=tan(α1/180pi);k2=tan(α2/180pi);

x=(k1x1-k2x2-y1+y2)/(k1-k2)

y=(k1k2(x1-x2)-k2y1+k1y2)/(k1-k2)

結(jié)果為

x = 0.750，y = 0.433

(x,y)=(0.75,0.433)即為被定為節(jié)點(diǎn)的位置。

若α1或α2為90°時(shí)，兩射線方程為x=x1或x=x2，和另一射線聯(lián)立即可求得被測節(jié)點(diǎn)位置。

AOA技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景

AOA定位技術(shù)作為目前室內(nèi)定位的主要無線技術(shù)之一，可以向?qū)ο?a target="_blank">標(biāo)簽提供精準(zhǔn)定位信息，還可以用于對人員活動(dòng)軌跡的跟蹤，以及對室內(nèi)固定資產(chǎn)的的控制，目前主要的應(yīng)用場景有：

①智慧城市——超市商場：商場中的定位服務(wù)以及商場中的商品可以進(jìn)行標(biāo)簽固定，避免出現(xiàn)取貨不付錢的情況。

②工業(yè)智能化——工廠：可以給工人進(jìn)行定位，并對工作區(qū)域進(jìn)行優(yōu)先級/權(quán)限劃分。除此之外，還可以對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行定位操作，為其規(guī)劃線路并控制其工作等等。

審核編輯：湯梓紅