蓝牙如何作为室内“GPS”?


发布日期:2019-11-01 10:16:16
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GPS的普及和应用极大地方便了我们的日常生活,外出办公、游玩和消费都已离不开GPS。然而由于建筑物对卫星信号的阻隔,GPS无法在室内环境下提供优质的定位服务。因此出现了基于蓝牙、WiFi、UWB(Ultra-Wideband)等技术的室内定位解决方案,把定位服务带入到花费人们更多时间的室内场景。下面我们来聊聊蓝牙为何比WiFi,UWB等其它方案更适合,以及蓝牙是如何实现定位的。



蓝牙定位的优势


蓝牙模块早已成为智能手机的标配,且Android系统和iOS系统对蓝牙的支持都非常好,可通过手机APP获取蓝牙信号相关信息进行定位,也可以把微信小程序、公众号乃至支付宝作为蓝牙定位系统的入口,非常易于推广和使用。


由于不需要进行数据通信,可采用低功耗蓝牙传输技术广播特定的蓝牙节点识别信息,较传统蓝牙降低90%的功耗,一个装配纽扣电池的蓝牙节点可工作3-5年之久。


出于安全与隐私方面的考虑,iOS系统不允许获取与WiFi相关的信息,APP、微信小程序、公众号等都无法获取MAC地址和信号强度等信息,基于WiFi在iOS平台上实现室内定位系统也就成为了不可能。。另外WiFi需要额外铺设电路,部署成本和功耗也都显著高于蓝牙节点。UWB虽然可以获得厘米级别的精度,但由于其昂贵的设备成本、维护成本以及需要使用专用设备,并不适合在消费级场景中应用。



如何利用蓝牙节点感知目标位置?


蓝牙与WiFi、蜂窝移动网络类似,都是一种射频技术,通过电磁波传输信息。电磁波在自由空间中传播时符合对数衰落规律,如下图所示,接收到的电磁波强度随着接收距离的增加而以某种规律衰减,这意味着当已知接收信号强度时,可以反推接收端与发射端之间的距离。



电磁波随接收距离的对数衰落规律


预先在室内环境布置蓝牙节点并记录相应的位置,当用户收到3个及3个以上蓝牙节点的信号时,先根据接收到的信号强度反推和蓝牙信号源之间的距离R1,R2,R3,进而采用三角定位法确定用户位置,如下图所示,三个圆的交点即为用户的位置。


三角定位法

    当然,实际的情形中存在测量误差,三个圆不一定相交于一个点,这时需要使用其他数学优化方法进行处理,估计最可能的位置,把定位误差控制在一定范围内。



蓝牙定位效果如何进一步提升?


由于室内丰富的多径环境会对信号的传播规律造成干扰,导致测量误差;蓝牙和WiFi是同处于2.4GHz频段的射频技术,两者亦会相互干扰,所以蓝牙定位在绝对精度方面并不十分理想。


目前的手机中都标配了加速度计,陀螺仪和磁力计,因此可以采用在其它领域被广泛应用的PDR(Pedestrian Dead Reckoning,行人航位估计)算法,进一步对定位位置进行修正。PDR计算方法如下图所示,通过手机内置的相关传感器估计用户的行进方向和步长,进而得到用户的相对位移。PDR具有短时间误差小,轨迹平滑等优点,但会有累计误差,这正好与蓝牙定位没有累计误差,但是短时间内会跳动的特性互补。因而通过融合两种定位方案,可获得一个更精准的定位效果,定位精度可达2m-5m,足以满足大部分消费级的应用需求,成为室内的“GPS”。



PDR

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