基于蓝牙5.1的低功耗室内定位系统的研究与设计

作     者：黄建新 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韦子辉

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：室内定位 蓝牙5.1 到达角寻向 多传感器融合 空间谱估计 

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(Angle of Arrival,Ao A)寻向功能,为室内精确定位提供了标准方案。蓝牙Ao A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Ao A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(Const Tone Extension,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 Signal Classification,MUSIC)算法在整个二维空间谱上搜索极大值,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搜索,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Ao A估计的来波角度数据与气压计和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,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%,角度搜索速度提升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(3轴:0.05°、(4轴:0.05°、(5轴:0.1°,低功耗模式下定位标签的待机电流仅40μA。