基于天线层面信号融合与采样控制的蓝牙寻向定位方法及系统

本发明涉及室内定位，尤其是涉及一种基于天线层面信号融合与采样控制的蓝牙寻向定位方法及系统。

背景技术：

1、室内定位技术一直是物联网应用中的一个核心需求，特别是在零售、仓库管理和医疗服务等行业。有效的室内定位系统能够提高运营效率，改善客户体验，并提升安全性。然而，室内环境的复杂性常常给定位带来挑战，如多变的障碍物布局和各种信号干扰，这些因素都可能导致定位不准确。

2、室内定位技术的发展受到了多方面需求的推动，在诸如购物中心、机场和医院等大型建筑中，精确的室内定位有助于用户更便捷地导航至目的地。此外，室内定位技术能使智能家居系统通过识别居住者的位置来自动调整环境设置，增强居住舒适性和能效。它还在商业环境中通过提供基于位置的个性化服务和优惠信息，增强顾客体验并促进销售。同时，这项技术也能帮助企业更高效地管理和追踪资产。总之，室内定位技术正逐步成为现代生活和工作的重要组成部分，其发展受到了广泛的关注和投资。

3、室内定位技术面临多样的挑战，尽管现有方法众多，但每种技术都有其固有的局限性。wi-fi定位利用已经广泛部署的基础设施进行定位，其主要优点在于成本较低且容易部署，但其定位精度容易受到环境因素如墙壁和其他电子设备的影响。蓝牙定位，尤其是蓝牙低功耗(ble)，因成本低和设备普及率高而受到青睐，尽管使用蓝牙信标能够提高定位精度，但它需要部署额外的信标设备，且维护成本相对较高。超宽带(uwb)定位以其厘米级的高精度和强大的信号穿透能力著称，然而这种技术的部署成本较高，需要专用的硬件设备。红外和超声波定位虽然能提供较高的精度且成本适中，但安装和维护过程复杂，并且极易受到光线和声波反射等环境因素的影响。磁场定位技术依赖于地球磁场和环境中的磁场畸变，无需额外的发射设备，但其精度易受周围磁性材料的影响。视觉定位系统(vslam)利用摄像头捕捉的图像数据进行定位，非常适合精度要求高的应用，但这种方法对光照条件有较高要求，计算资源消耗大，同时可能涉及到隐私问题。这些技术的局限性促使行业不断寻求更精确、成本效益更高的室内定位解决方案。

4、在所有室内定位技术中，基于wifi和蓝牙低功耗(ble)的解决方案由于其设备普及率高和成本较低而备受关注。wifi定位通常依赖于信号强度或通道状态信息来估计位置，但精度受限于ap的部署密度和环境因素。与wifi相比，ble设备功耗更低，但传统的ble定位精度也通常受限于信号强度的变化。为了克服传统ble定位的局限，bluetooth sig在ble 5.1标准中引入了寻向定位(direction-finding)功能。使用寻向定位标准的定位系统，会在环境中布建多个蓝牙基站(即定位器，locator)，这些定位器具有天线阵列。而被定位的目标(即目标设备，target)是一同样支持ble5.1寻向定位协议的蓝牙设备。要进行定位时，目标设备会和定位器通信，定位器利用天线阵列收到来自目标设备的信号以计算到达角(angle of arrival,aoa)，然后结合多个定位器的aoa来估计目标设备的三维位置。

5、尽管ble 5.1引入了寻找定位功能，其定位精度在复杂环境下仍面临挑战。在现实应用中，如商场、机场或医院等场所，多径效应和电磁干扰普遍存在，这些因素会干扰信号的传播路径，从而误导方向的判定和位置的计算。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对ble 5.1direction-finding在复杂环境中的局限性，提供一种基于天线层面信号融合与采样控制的蓝牙寻向定位方法及系统，通过优化天线层面的信号融合和采样控制策略，显著提高在多径和干扰环境中的定位精度和可靠性；特别是，本发明能够在天线层面上组合和过滤信号，更有效地抵抗干扰，确保高精度的角度估计，使得其在实际应用中比传统ble 5.1方案具有更强的适用性和更高的准确率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于天线层面信号融合与采样控制的蓝牙寻向定位方法，包括以下步骤：

4、信号采集：定位器采用天线阵列接收目标设备发出的蓝牙定位信号并实时上传至定位服务器；

5、天线层面的信号融合：定位服务器接收蓝牙定位信号并在天线层面上进行异常值滤除和信号融合；

6、天线层面的采样控制：定位服务器根据异常值滤除和信号融合中的天线信息进行采样策略调整，并将采样策略反馈给目标设备，对信号到达时间进行优化；

7、三维定位：定位服务器基于优化后的融合信号进行计算，确定目标设备的三维坐标。

8、所述信号采集具体包括以下步骤：

9、同步信道：定位器按照ble5.1寻向定位标准和目标设备用广播信道进行通信，确定信号发送与接收的信道；

10、同步时间：目标设备在同步好的信道发送同步数据包，通过同步数据包实现目标设备与定位器在时间上的同步，确保在接收和发送信号时的时间一致性；

11、轮询切换天线采集定位信号：定位器采用轮询方式逐一读取各天线上的数据，对采集到的蓝牙定位信号进行处理，得到信号的iq值，即信号的幅值和相位，其中，每次同步数据包传输期间，每根天线能多次切换和采集信号；

12、采集信号上传：将采集到的各天线信号的iq值实时上传至定位服务器。

13、所述同步数据包格式由ble5.1寻向定位标准所定义，其前半部分包含目标设备的地址和其他关键信息，后半部分包含用于定位的cte信号。

14、所述天线层面的信号融合具体包括以下步骤：

15、异常值滤除：根据相位差识别信号中异常的信号值并进行滤除，得到剩余的正常天线数据；

16、天线信号融合：对正常天线数据中的每根天线，计算每个信号的信噪比，并根据信噪比的大小分配信号权重，根据权重对多次采集的信号进行加权融合。

17、所述异常值滤除具体为：根据天线阵列的切换模式，生成一个具有已知空间结构的特定天线阵列的相位差的理想模式，并将其与实际采集到的数据进行比较，根据比较结果识别异常值，并将其从数据集中滤除。

18、所述天线层面的采样控制具体包括以下步骤：

19、坏读取检测：获取天线层面的信号融合步骤中确定的异常信号值对应的天线，以及信噪比低于阈值的信号对应的天线，确定坏读取的天线排列；

20、采样策略调整：根据定位器天线阵列的天线数量，计算每次cte信号传输期间的天线轮询过程中轮次大于预设阈值的天线数量，依照所述天线数量以及坏读取检测步骤中确定的坏读取的天线排列，决定需要多采样的天线组，以此作为下一次目标设备发送信号时的采样策略；

21、到达时间优化：将采样策略反馈给目标设备，目标设备延迟下一次的蓝牙定位信号，对蓝牙定位信号到达定位器的时间进行优化，使得第一个收到蓝牙定位信号的天线为需要多采样的天线组中的第一根天线。

22、所述三维定位具体包括以下步骤：

23、到达角估计：根据优化后的每个天线的融合信号计算其相位，并结合已知的天线间距，利用aoa估计算法估计得到到达角；

24、三维位置计算：利用从多个定位器测得的到达角数据，以及已知的定位器位置，定位服务器计算目标设备的精确位置。

25、所述aoa估计算法包括music、esprit或波束形成。

26、所述三维位置计算采样的方法包括几何位置解算。

27、一种基于天线层面信号融合与采样控制的蓝牙寻向定位系统，用于实现如上述所述的方法，该系统包括：

28、定位器：用于接收与处理来自目标设备的蓝牙定位信号，并将数据传输至定位服务器进行进一步的分析和定位计算；

29、目标设备：需要被定位的蓝牙设备，用于发出蓝牙定位信号；

30、定位服务器：用于接收来自定位器的信号数据，并在天线层面上进行异常值滤除和信号融合，从而计算目标设备的位置，以及，根据定位效果进行采样策略调整，发送反馈信息给目标设备以动态调整信号发送时间。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、(1)提高定位精度和可靠性：通过动态调整采样策略和优化信号采集时间，以及利用天线层面的信号融合，本发明能够显著提高在复杂环境中的定位精度和可靠性。这对于需要在多变环境下进行精确定位的应用场景(如工业自动化、医疗监控等)尤为重要。

33、(2)降低系统的敏感性对环境干扰：本发明通过先进的信号处理技术滤除异常值和优化信号融合，对环境干扰的敏感度大幅降低，这使得定位系统更加稳定，即使在高干扰环境下也能维持高性能。

34、(3)提高数据处理效率：本发明通过优化算法减少了无效数据的处理，提高了数据处理效率，这种效率的提升不仅减少了计算资源的消耗，还可能降低能耗，对于需要长时间运行的设备尤为有益。