BLE 5.1 AoAはIQ信号ベースの方向計算技術です

BLE AoAは、無線信号の到達方向を計算して位置を推定する方式です。従来のRTLS技術が信号の強度（RSSI）や時間差（TDoA）に依存していたのに対し、AoAは信号がアンテナアレイにどの角度で到達したかを測定する構造を持っています。 BLE 5.1標準は、この演算を可能にするためにCTE（Constant Tone Extension）という専用の信号構造を定義しています。CTEはペイロード送信後に一定の長さの一定周波数トーンを付加する構造であり、この区間では周期的にIQデータを収集できます。受信側のアンカーはこのCTE区間で収集したIQ信号の位相差を分析し、信号の到達角度（Azimuth）を計算します。方位角計算の核心は、多数のアンテナ間の位相差を正確に測定することにあります。 受信アンテナ間の間隔は一般的に半波長（λ/2）以内で設計され、位相差は受信角度に応じて線形的に変化します。この時に発生する位相差を周波数とアンテナ間の距離で補正すれば、正確な入射角をリアルタイムで推定できます。ORBROのAoAシステムは、BLE 5.1 CTE信号を完全に受信できるように設計されており、12個のアンテナが順次IQサンプリングを遂行します。 IQデータはシリアル通信を通じてリアルタイムで出力され、各アンテナで受信されたIQ値は方位角演算アルゴリズムに従って連続的な角度に変換されます。BLE AoAは、別途のタグ設定なしで汎用的なBLE送信デバイスのみで適用が可能であるという点で拡張性が高いです。また、AoA方式は座標を直接計算せず、角度ベースの相対位置情報を優先的に算出するため、リアルタイム追跡に必要な反応性と演算速度の面でも有利な構造を持っています。

方位角に仰角を加えることで、位置の解像度が変わります

BLE AoAは本質的に信号の入射角を計算する方式ですが、ほとんどの実装は方位角（Azimuth）の測定に留まっています。この場合、座標は水平面基準でのみ把握され、階層の区分や高さの変化に対応するのは困難です。特に天井、棚、階段など垂直移動が頻繁な屋内環境では、このような限界が位置精度に直接的な影響を及ぼします。 ORBROはこの問題を解決するために、方位角と仰角（Elevation Angle）を同時に計算する3次元演算構造を導入しました。ORBRO AoAは12個の受信アンテナを四角形に配置し、各アンテナの位置と電波到達距離の差に基づいて信号の空間的な進入経路を推定します。これにより、単なる水平方向だけでなく垂直角度まで共に計算することができ、Z軸方向の位置誤差を減らし、屋内の3次元構造全体を演算範囲に含めることができます。 12アンテナ構造は、複数の垂直・水平方向ベクトルを同時に確保できるように設計されており、各アンテナは順次IQデータを収集して立体的な位相分布を形成します。この分布は一つの方位角の結果に収束するのではなく、多重角度から導き出された高度推定値と共に組み合わされます。 結果として、位置は2次元座標ではなく、空間内で方向性を持つ点として推定され、これは移動方向の解析や階層分離の計算にも有利な構造を提供します。既存のAoAベースのシステムが高度推論機能を実装できなかった理由は、ハードウェア設計と演算構造の限界のためです。しかし、ORBROは設計段階から仰角計算を前提にアンテナアレイを設計し、これをリアルタイムIQサンプリングおよび信号方向推論アルゴリズムと結合させることで、垂直軸情報が含まれた高解像度の位置計算が可能なBLE RTLSシステムを実現しました。

技術の動作原理

ORBRO AoAは、CTE区間で受信したIQ信号の位相差を分析して方位角と仰角を計算する3次元位置追跡技術です。多重アンテナアレイとベクトル場アルゴリズムを活用して垂直誤差まで補正し、安定した方向ベースの位置推定が可能です。

Step 1. Pollメッセージの送信と受信信号の確保

BLE 5.1標準に従って構成されたタグは、周期的にアドバタイズメントパケット（Advertisement Packet）の後に一定の長さのCTE（Constant Tone Extension）区間を含む信号を送信します。CTE区間は周波数が固定されたトーンであり、受信機はこの区間でIQサンプルを安定して抽出できるように設計されています。タグは別途の演算を行わず送信機能のみを遂行するため、バッテリー消費が低く、大規模な拡張に有利です。

Step 2. Responseメッセージの送信とRTTの収集

TwinTrackerは円形に配置された12個の受信アンテナを使用して、CTE信号のIQ値を順次サンプリングします。アンテナ間の間隔は位相差演算に最適化されたλ/2間隔で設計されており、各アンテナは同一のCTE区間を基準にIQデータを収集します。このデータはBLE信号の複素数形式（I: In-phase, Q: Quadrature）を含み、位相情報演算の基礎となります。

Step 3. 距離計算および信号品質に基づく精製

同期されたIQサンプルは、アンテナ間の位相差に基づいて方位角（Azimuth）を計算するために使用されます。位相差は信号の入射角に応じて線形的に変化し、これを分析すれば信号がどの方向から到達したかを推定できます。ORBROはこの演算に最適化された位相補正アルゴリズムを適用し、±2.5°以内の方位角誤差を達成しました。

Step 4. 時間軸の連続性評価と距離の安定化

単なる方位角の計算を超えて、TwinTrackerはベクトル場アルゴリズムを通じて仰角（Elevation）を共に推論します。12個のアンテナから収集された立体的なIQ分布はZ軸方向の位相差まで共に反映され、これに基づいて垂直方向の位置補正が行われます。この段階で、水平方向だけでなく3次元空間上での位置解析が可能になります。

BLE AoAは屋内位置測位システムの現実的な解決策になり得ます

RTLS技術が実際の環境に適用されるためには、精度だけでなく、設置の容易性、コスト、システムの拡張性など、多様な条件を同時に満たす必要があります。従来のUWBベースの高精度システムは高い精度を提供しますが、端末とインフラの両方に特殊なハードウェアが必要であり、システム全体の構築コストが高いという短所があります。一方、RSSI方式は実装が簡単ですが、環境による誤差が大きく、精密な座標ベースの運用には適していません。BLE AoAは、これら二つの方式の中間に位置する技術です。 BLE 5.1をサポートする汎用デバイスのみで実装が可能であり、比較的単純な送信タグ構造でも高精度の位置推定が可能です。タグ側は特別な演算を行わないため、端末コストと消費電力が低く、受信機（アンカー）のみを高度化すればシステム全体の精度を確保できます。 ORBROはBLE AoA技術を実用レベルまで引き上げるために、ハードウェアとアルゴリズムを共に設計しました。12アンテナ構造は、BLE信号の位相差を安定して受信できるように構成されており、IQサンプリング → 時間同期 → ベクトル場演算 → 仰角推論に至る一連のプロセスが、一つのシステム内で自動的に遂行されます。 また、TwinTracker AoAはイーサネットおよびPoEベースの通信、シリアルIQ出力、リアルタイム角度視覚化機能を備えており、テストから運用までの全段階で即座に適用できます。BLE AoAは未だ商用化された事例が少なく、実装難易度が高い技術として評価されています。 しかし、ORBROはこれを実質的な位置インフラにするための構造を確保しており、汎用的なBLEタグをベースにした経済性のある高精度位置システムを、実現可能なレベルで開発しています。