UWB定位3種定位算法：TOF定位算法、TDOA定位算法和TOA定位算法
發(fā)布日期：2019-07-29 瀏覽次數(shù)：1938次

本文95power小編介紹下超寬帶UWB定位的三種常用定位算法，包括TDOA定位算法、TOF定位算法、TOA定位算法。

（一）TOF定位算法

        基于TOF的定位方法與基于TOA的定位方法在本質(zhì)上是相同的，而TOF測(cè)距不依賴(lài)基站與標(biāo)簽的時(shí)間同步，故沒(méi)有時(shí)鐘同步偏差帶來(lái)的誤差，但TOF測(cè)距方法的時(shí)間取決于時(shí)鐘精度，時(shí)鐘偏移會(huì)帶來(lái)誤差。為了減少時(shí)鐘偏移量造成的測(cè)距誤差，通常采用正反兩個(gè)方向的測(cè)量方法，即遠(yuǎn)端基站發(fā)送測(cè)距信息，標(biāo)簽接收測(cè)距信息并回復(fù)，然后再由標(biāo)簽發(fā)起測(cè)距信息，遠(yuǎn)端基站回復(fù)，通過(guò)求取飛行時(shí)間平均值，減少兩者之間的時(shí)間偏移，從而提高測(cè)距精度。

（二）TDOA定位算法

        基于TDOA的定位方法又稱(chēng)為雙曲線(xiàn)定位，其原理是通過(guò)測(cè)量UWB信號(hào)從UWB標(biāo)簽到兩個(gè)UWB基站之間傳播時(shí)間的差值，得到UWB標(biāo)簽到兩個(gè)UWB基站之間的固定距離差。TDOA算法是對(duì)TOA算法的改進(jìn)，它并不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而是利用多個(gè)UWB基站接收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)目標(biāo)的位置。因此與TOA相比并不需要加入專(zhuān)門(mén)的時(shí)間戳來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步，定位精度相對(duì)有所提高。

（三）TOA定位算法

TOA定位算法即“到達(dá)時(shí)間”，這種方式定位是通過(guò)UWB基站和UWB標(biāo)簽之間的多次通信實(shí)現(xiàn)的，如下圖：

1、UWB基站首先發(fā)給UWB標(biāo)簽一個(gè)包，同時(shí)記錄下UWB基站當(dāng)前的時(shí)間信息，記為T(mén)1。

2、UWB標(biāo)簽收到基站的信息，返回一個(gè)ACK。

3、UWB基站收到UWB標(biāo)簽的ACK，記錄當(dāng)前的時(shí)間信息，記為T(mén)2。

4、UWB基站計(jì)算時(shí)間差Tr = T2 - T1，并且根據(jù)此計(jì)算出距離。

d = c * Tr / 2 其中c為光速。

當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中為了更加靠譜，往往不僅僅是利用兩次通信來(lái)測(cè)距，還會(huì)有更加復(fù)雜的多次通信來(lái)提高精度。

對(duì)于空間定位，只需要利用SX（球面相交法）便可以得出最后的坐標(biāo)。

        可見(jiàn)，為了一次定位，每個(gè)UWB基站和UWB標(biāo)簽之間要進(jìn)行兩次通信，故又將這種定位方式稱(chēng)為“Two-way-ranging”，簡(jiǎn)稱(chēng)“TWR”。這種定位的優(yōu)勢(shì)在于其實(shí)現(xiàn)的便捷性和對(duì)硬件的寬容，只需要有幾個(gè)擺放在不同位置的UWB基站和一個(gè)UWB標(biāo)簽便可進(jìn)行定位，缺點(diǎn)首先自然是定位速度了，其次，由于每次通信的質(zhì)量無(wú)法保證，而一對(duì)UWB基站/UWB標(biāo)簽又無(wú)法做自我的校準(zhǔn)，精度自然也會(huì)受到影響。

        TDOA即“到達(dá)時(shí)間差”，這種方式的一次測(cè)距是由兩個(gè)UWB基站和一個(gè)UWB標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)的。在這種模式下，多個(gè)時(shí)鐘完全同步的UWB基站同時(shí)接受來(lái)自一個(gè)UWB標(biāo)簽的包，對(duì)于不同位置的UWB基站，同一個(gè)UWB標(biāo)簽的同一次廣播包到達(dá)的時(shí)間是不同的，所以便有有以下算法：

1、UWB標(biāo)簽發(fā)出一個(gè)廣播包。

2、 兩個(gè)UWB基站接收到同一個(gè)包，UWB基站1接收到的時(shí)間為T(mén)1，UWB基站2接收到的時(shí)間為T(mén)1。

3、計(jì)算時(shí)間差Td = T2 - T1。

4、對(duì)于至少四個(gè)UWB基站，可以得到三組這樣的兩兩之間的信息。

5、通過(guò)數(shù)學(xué)方法（multi-lateration）可以解算出UWB標(biāo)簽的空間坐標(biāo)。

        由于算法比較復(fù)雜，這里不再贅述。由此可見(jiàn)，TDOA的優(yōu)勢(shì)首先在于一次定位的通信次數(shù)顯著減少，其次由于是用時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)距，其精度也比TOA高出一些。但要保證TDOA系統(tǒng)中各個(gè)UWB基站的時(shí)鐘必須嚴(yán)格同步，深圳微能信息（95power）的UWB定位系統(tǒng)方案基于TDOA定位算法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的定位環(huán)境，精度誤差在10厘米-30厘米。UWB定位方案和硬件廣泛應(yīng)用于隧道、變電站、電廠(chǎng)、監(jiān)獄等場(chǎng)所人員定位。更多UWB定位的信息可咨詢(xún)95power小編。

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