BLE 5.1 AoA 是基于 IQ 信号的方向计算技术

BLE AoA 是一种通过计算无线信号到达方向来估计位置的方法。现有的 RTLS 技术大多依赖信号强度（RSSI）或时间差（TDoA），而 AoA 则旨在测量信号到达天线阵列的角度。 为了实现这一运算，BLE 5.1 标准定义了名为 CTE（Constant Tone Extension）的专用信号结构。CTE 是在负载（Payload）传输后附加一段固定长度的恒定频率音调的结构，在此区间内可以周期性地收集 IQ 数据。接收端锚点分析在 CTE 区间收集的 IQ 信号相位差，计算信号的到达角（方位角）。方位角计算的核心在于精确测量多个天线之间的相位差。 接收天线间的间距通常设计在半波长（λ/2）以内，相位差随接收角度呈线性变化。通过频率和天线间距补偿此时产生的相位差，即可实时估计精确的入射角。ORBRO 的 AoA 系统设计用于完整接收 BLE 5.1 CTE 信号，由 12 个天线顺序执行 IQ 采样。 IQ 数据通过串口通信实时输出，各天线接收到的 IQ 值根据方位角运算算法转换为连续的角度。BLE AoA 的扩展性极强，因为它无需特殊的标签设置，仅使用通用的 BLE 发射设备即可应用。此外，由于 AoA 方式优先计算基于角度的相对位置信息而非直接计算坐标，因此在实时追踪所需的反应性和运算速度方面具有优势。

方位角结合高度角，改变位置的分辨率

BLE AoA 本质上是计算信号入射角的方式，但大多数实现仅停留在方位角（Azimuth）的测量上。在这种情况下，坐标仅基于水平面识别，难以区分楼层或应对高度变化。特别是在天花板、货架、楼梯等垂直移动频繁的室内环境中，这些局限性会直接影响定位精度。 为了解决这个问题，ORBRO 引入了同时计算方位角和高度角（Elevation Angle）的三维运算结构。ORBRO AoA 将 12 个接收天线呈方形布置，根据每个天线的位置和电波到达距离差异，估计信号的空间进入路径。通过这种方式，不仅可以计算简单的水平方向，还可以同时计算垂直角度，从而减少 Z 轴方向的位置误差，并将整个三维室内结构纳入运算范围。 12 天线结构旨在同时确保多个垂直/水平方向向量，每个天线顺序收集 IQ 数据以形成立体相位分布。该分布不收敛于单一的方位角结果，而是与从多个角度推导出的高度估计值相结合。 结果是，位置被估计为空间中具有方向性的点，这为分析运动方向和计算楼层分离提供了有利结构。现有基于 AoA 的系统无法实现高度推论功能的原因在于硬件设计和运算结构的局限。然而，ORBRO 从设计阶段就以高度角计算为前提设计了天线阵列，并将其与实时 IQ 采样及信号方向推论算法结合，实现了包含垂直轴信息的高分辨率位置计算 BLE RTLS 系统。

技术运行原理

ORBRO AoA 是一种三维位置追踪技术，通过分析 CTE 区间接收到的 IQ 信号相位差来计算方位角和高度角。利用多天线阵列和向量场算法补偿垂直误差，实现基于方向的稳定位置估计。

步骤 1. 发送 Poll 消息与确保接收信号

根据 BLE 5.1 标准配置的标签在广播数据包（Advertisement Packet）后，定期发送包含一定长度 CTE（Constant Tone Extension）区间的信号。CTE 区间是频率固定的音调，接收器设计用于在此区间稳定提取 IQ 采样。由于标签仅执行发送功能而不进行单独运算，因此功耗低，有利于大规模扩展。

步骤 2. 发送 Response 消息与收集 RTT

TwinTracker 使用呈圆形布置的 12 个接收天线，顺序采集 CTE 信号的 IQ 值。天线间距采用针对相位差运算优化的 λ/2 间距设计，每个天线根据相同的 CTE 区间收集 IQ 数据。该数据包含 BLE 信号的复数形式（I: 同相，Q: 正交），是相位信息运算的基础。

步骤 3. 距离计算与基于信号质量的精炼

同步的 IQ 采样用于根据天线间的相位差计算方位角（Azimuth）。相位差随信号入射角呈线性变化，通过分析即可估计信号来自哪个方向。ORBRO 为此运算应用了优化的相位校正算法，实现了 ±2.5° 以内的方位角误差。

步骤 4. 时间轴连续性评估与距离稳定化

超越简单的方位角计算，TwinTracker 通过向量场算法共同推论高度角（Elevation）。从 12 个天线收集的立体 IQ 分布共同反映了 Z 轴方向的相位差，并以此为基础进行垂直方向的位置校正。在此阶段，不仅可以进行水平方向，还可以进行三维空间上的位置解析。

BLE AoA 可作为室内定位系统的务实解决方案

RTLS 技术若要应用于实际环境，除精度外，还必须同时满足安装便利性、成本、系统扩展性等多种条件。现有的基于 UWB 的高精度系统虽然精度高，但终端和基础设施均需特殊硬件，存在整体系统构建成本高的缺点。相比之下，RSSI 方式虽然实现简单，但随环境产生的误差较大，不适合基于精确坐标的运营。BLE AoA 则是处于这两种方式中间的技术。 仅凭支持 BLE 5.1 的通用设备即可实现，即使是相对简单的发射标签结构也能实现高精度位置估计。标签侧不执行特殊运算，因此终端成本和功耗较低，只需升级接收器（锚点）即可确保整个系统的精度。 为了将 BLE AoA 技术提升至实际应用水平，ORBRO 同步设计了硬件与算法。12 天线结构配置为可稳定接收 BLE 信号的相位差，从 IQ 采样 → 时间同步 → 向量场运算 → 高度角推论的一系列流程在一个系统内自动完成。 此外，TwinTracker AoA 包含基于以太网及 PoE 的通信、串口 IQ 输出、实时角度可视化功能，可直接应用于从测试到运营的所有阶段。BLE AoA 目前仍被评估为商用案例稀少且实现难度较高的技术。 然而，ORBRO 已确保了将其转化为实质性位置基础设施的结构，并在实现水平上开发了基于通用 BLE 标签、具有经济效益的高精度定位系统。