UWB常规TOF、TDOA、AOA算法

UWB定位的最基础技术是TOF测距、TDOA到达时间差、AOA到达角度测量：

定位算法：TOF、TDOA、AOA／PDOA

UWB定位算法

(1) TOF（Time of Flight飞行时间）：

以基站为圆心，以标签和基站距离为半径画圆，相交区域即为标签位置。标签和基站间的距离是通过多次收发脉冲测量。

• 优点：算法简单、精度较高

• 缺点：标签费电、系统容量小

(2) TDOA（Time Difference of Arrival）：

基站彼此需高精度时间同步，标签定时广播，根据标签广播信号到达不同基站的时间差值画出双曲线，相交区域即为标签位置。

• 优点：标签省电、系统容量大

• 缺点：基站需高精度时间同步、包络线外精度低

(3) AOA／PDOA（Angle of Arrival）：

标签的广播信号到达不同基站角度连线的交点，就是标签的位置。

• 优点：需要基站数量少

• 缺点：准确测量角度困难，信号遮挡敏感

实际部署

1. 最常见的是基于TOF测距和TDOA到达时间差可以实现基于最小二乘法的三角定位实现三维定位；真实的应用环境由于定位基站的安装不可能保证基站之间的高度差，实际也只能实现二维定位；

2. 三角定位有很多应用限制条件，除非环境条件很好，否则采用三角定位实现二维定位是个灾难；

3. 高度定位目前唯一可行的技术手段就是基于标签和基站的气压差，演算标签的高度值，相对稳定的气流环境，精度可以在50厘米左右；

4. TOA定位对传播中产生的误差比较敏感，这些误差来自于传播中的反射、多径传播、非视距传播和噪声等干扰，会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步，1ns的同步误差将会给定位带来大约0．3米的不确定性。

5. 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。

6. AOA的优点是所需要的基站比较少，最少只要两个基站就可以进行定位。AOA的缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候，即使有微小的定位角度的误差，都会造成比较大的定位距离的偏差。因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

TOF

飞行时间法（Time of flight，TOF）是一种双向测距技术，它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。

基于TOF的定位方法测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时钟偏移会带来误差。为了减少时钟偏移量造成的测距误差，通常采用正反两个方向的测量方法，即远端基站发送测距信息，标签接收测距信息并回复，然后再由标签发起测距信息，远端基站回复，通过求取飞行时间平均值，减少两者之间的时间偏移，从而提高测距精度。

TOF类，在这个大类里，有人采用传统单边或者双边测量，也有人采用群发群收的共用模式提高容量。当然这是模式和发包速率有关；这种传统模式对于电池电量是一个苛刻的考验。

优点

• 算法简单，可靠，相比TDOA而言，鲁棒性强，抗环境干扰能力强

• 通过TWR，可以基本可以抵消时钟精度的误差，无需时钟同步。精度较高

• 算法可以前置在各定位区域主基站，不同场景定义不同定位算法。使用灵活

• 可以实现全无线方式，即无线定位和无线通讯

• 采用定位算法前置，避免了集中定位引擎，系统可靠性高

缺点

• 相比TDOA，标签费电，大致在5倍以上。需要类似集成加速度传感器、BLE等技术实现非定位状态下的低功耗。

• 系统容量小，TOF是采用分区定位策略，典型单个定位区域<200个标签，多数可以满足应用要求。TDOA如果采用分区无线同步，有类似同样的限制。

• 采用TDM的通讯方式，带宽有效利用率低，相比TDOA，定位延时大，对于实时要求高的定位需求，不建议采用。

• 严格的划区部署，部署复杂度相比TDOA要高

TDOA

到达时间差（Time Differenceof Arrival，TDOA）是一种利用到达时间差进行定位的方法又称为双曲线定位。TDOA算法并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。因此与TOA相比并不需要加入专门的时间戳来进行时钟同步，定位精度相对有所提高。

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，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，综合价格比较昂贵。

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。

TDOA类：利用标签广播、基站同步接收的方式，高速、省电、容量大，成本也低。这种算法虽然好处多，但是总体精度低于tof（这是因为算法在扰动环境中收敛有问题）。因此大概的精度0.3m，扰动情况下、边界情况下，精度0.3-0.8甚至1.5m。

优点

• 标签和基站交互少，标签省电，待机时间长

• 系统容量大，如果采用时钟同步器的有线同步方式，理论上标签的数量可以超过6000个

• 增加基站，补定位盲点容易，系统扩展容易

缺点：

• 需要基站之间做高精度时间同步、跨组定位算法复杂，采用有线同步需要时钟同步器，实施复杂。采用无线时钟同步，只能分区同步，带来跨区以及标签数量限制等问题。

• 因为同步误差不可能消除，整体定位精度低于TOF，此外基站包络线外精度低。

• 不支持定位算法前置基站，定位基站需要采用有线的方式连接到定位引擎服务器，不能采用无线通讯方式。

• 算法相比TDOA复杂，抗干扰和鲁棒性相比TOF要差一些

由于TDoA 是基于到达时间差，将到达时间差转换为距离差之后，一般采用双曲线算法，而双曲线算法的局限性决定了在基站围成的区域内定位精度高，在区域外定位精度比较差。而类似电厂等环境复杂的场景，系统面临建设的巨大难度，用TDoA 定位就很难满足应用的需求。这种模式下，可以采用ToF 定位

比较一下ToF 和TDoA两种模式下的功耗，ToF 模式下，标签需要逐一和基站测距，需要多次测距，一般一轮测距下来，需要5ms 以上。TDoA 定位，标签只需要发送一个报文即可完成定位，一般从准备到发送完成也在0.5ms 内完成，其功耗显著低于ToF模式。