UWB定位：两种双向飞行时间法及TOA,TDOA,AOA介绍

UWB测距基本原理：

TOF(Time Of Flight飞行时间测距法):测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT,那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：

                                                                             TTOF=(TTOT-TTAT)/2

                                                                      

但是单纯的TOF算法有一个比较严格的约束：发送设备和接收设备必须始终同步

TW-TOF(双向飞行时间法):

1、Single-sided Two-way TOF

设备A首先向设备B发出一个数据包，并记录下发包时刻Ta1，设备B收到数据包后，记下收包时刻Tb1。之后设备B等待Treply时刻，在Tb2（Tb2=Tb1+Treply）时刻，向设备A发送一个数据包，设备A收到数据包后记下时刻值Ta2。然后可以算出电磁波在空中的飞行时间Tprop，飞行时间乘以光速即为两个设备间的距离。

因为设备A和设备B使用各自独立的时钟源，时钟都会有一定的偏差，假设设备A和设备B时钟的实际频率是预期频率的eA和eB倍，那么因为时钟偏差引入的误差error为：

2、Double-sidedTwo-way TOF

 

DS测距是在SS测距的基础上再增加一次通讯，两次通讯的时间可以互相弥补因为时钟偏移引入的误差。

使用DS测距方式时钟引入的误差为:

        

假设设备A和设备B的时钟精度是20ppm（很差），1ppm为百万分之一，那么Ka和Kb分别是0.99998或者1.00002，ka和kb分别是设备A、B时钟的实际频率和预期频率的比值。设备A、B相距100m，电磁波的飞行时间是333ns。则因为时钟引入的误差为20*333*10-9秒，导致测距误差为2.2mm，可以忽略不计了。

 

UWB定位的几种算法：

1. TOA定位(到达时间)

T

测量一个UWB定位终端和多个UWB定位基站之间的光传播时间。至少需要三个定位基站才能使用三边法精确定位终端的位置。定位基站和定位终端之间也必须保持直线和可视。（LOS情况下精确度很高）

约束：发送设备和接收设备必须始终同步

2、TDOA 定位

TDOA 是基于到达时间差定位，系统中需要有精确时间同步功能。

时间同步有两种，一种是通过有线做时间同步，有线时间同步可以控制在0.1ns 以内，同步精度非常高，但由于采用有线，所有设备要么采用中心网络的方式，要么采用级联的方式，但增加了网络维护的复杂度，也增加了施工的复杂度，成本升高。并且，系统中还有一个专用的有线时间同步器，价格昂贵；

另一种是通过无线做时间同步，采用无线同步一般可以达到0.25ns，精度稍逊于有线时间同步，但其系统相对来说更为简单，定位基站只需要供电，数据回传可以采用WiFi 的方式，有效降低了成本。

基站时间同步之后，标签发送一个广播报文，基站收到之后，标记接收到此报文的时间戳，将才内容发送到计算服务器，计算服务器更加其他基站的定位报文的时间戳，计算出被定为目标的位置。

 

约束：TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步，而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的，基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。这使得TDOA定位比TOA定位要更加容易实现，所以 TDOA定位的应用非常广泛。

1. AOA定位

AOA 定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度，一般不单独使用，由于AOA 涉及到角度分辨率的问题，若单纯AoA 定位，若离基站越远，定位精度就越差。

AOA 可以配合TOF测距时下定位：