uwb測(cè)距原理：TWR雙向測(cè)距一文詳細(xì)介紹！
發(fā)布日期：2023-08-09 瀏覽次數(shù)：2131次

UWB測(cè)距主要指的是TWR雙向測(cè)距。TWR是Two Way Ranging的英文縮寫，意指雙向測(cè)距。簡(jiǎn)單說：TWR測(cè)距就是uwb測(cè)距模塊來回發(fā)送超寬帶脈沖信號(hào)，通過計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)uwb模塊之間的飛行時(shí)間T，從而確定飛行距離S。

UWB測(cè)距原理

UWB測(cè)距主要采用雙向測(cè)距(Two-way Ranging)方法，以下所有的方法都包括兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：uwb設(shè)備A和uwb設(shè)備B（uwb設(shè)備可以是uwb模塊，或者uwb標(biāo)簽，uwb基站），默認(rèn)uwb設(shè)備A是測(cè)距的發(fā)起者，uwb設(shè)備B是響應(yīng)者。

TWR雙向測(cè)距主要分為以下兩種方法：

1、單邊TWR雙向測(cè)距(Single-sided Two-way Ranging)

2、雙邊TWR雙向測(cè)距(Double-sided Two-way Ranging)

一、單邊TWR雙向測(cè)距(Single-sided Two-way Ranging)

單邊雙向測(cè)距(Single-sided Two-way Ranging)，單側(cè)雙向測(cè)距（SS-TWR）是對(duì)單個(gè)往返消息時(shí)間上的簡(jiǎn)單測(cè)量，uwb設(shè)備A主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)到uwb設(shè)備B，uwb設(shè)備B返回?cái)?shù)據(jù)響應(yīng)uwb設(shè)備A。

圖1：?jiǎn)芜呺p向測(cè)距

測(cè)距流程：uwb設(shè)備A（Device A）主動(dòng)發(fā)送（TX）數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間戳，uwb設(shè)備B（Device B）接收到之后記錄接收時(shí)間戳；延時(shí)Treply之后，uwb設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間戳，uwb設(shè)備A接收數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄接收時(shí)間戳。

所以可以拿到兩個(gè)時(shí)間差數(shù)據(jù)，uwb設(shè)備A的時(shí)間差Tround和uwb設(shè)備B的時(shí)間差Treply，最終得到無線信號(hào)的飛行時(shí)間Tprop如下：

兩個(gè)差值時(shí)間都是基于本地的時(shí)鐘計(jì)算得到的，本地時(shí)鐘誤差可以抵消。但是不同uwb設(shè)備之間會(huì)存在微小的時(shí)鐘偏移，假設(shè)uwb設(shè)備A和B的時(shí)鐘偏移分別為eA和eB，因此得到的飛行時(shí)間會(huì)隨著Treply的增加而增加，測(cè)距誤差的方程如下：

Treply越小，uwb測(cè)距越準(zhǔn)確。另外Treply不僅僅是uwb設(shè)備B接收到發(fā)送的時(shí)間，也包括裝載數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)耗費(fèi)的時(shí)間（UWB除了支持測(cè)距和定位之外，也可以傳輸數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)可以裝載128字節(jié)，擴(kuò)展模式可以裝載1024字節(jié)數(shù)據(jù)。這里我們主要講uwb測(cè)距）。

典型的誤差關(guān)系如下表格所示：（1ns約等于30cm距離誤差）

可以看出，隨著Treply和時(shí)鐘偏移的增加，會(huì)增加飛行時(shí)間的誤差，從而使得uwb測(cè)距不準(zhǔn)確。 因此單邊uwb雙向測(cè)距（SS-TWR）并不常用，但對(duì)于特定的應(yīng)用，如果對(duì)于測(cè)距精度要求不是很高，但是需要更短的測(cè)距時(shí)間時(shí)，可以采用。

二、雙邊TWR雙向測(cè)距（Double-sided Two-way Ranging）

雙邊TWR雙向測(cè)距（Double-sided Two-way Ranging）是單邊雙向測(cè)距的一種擴(kuò)展測(cè)距方法，記錄了兩個(gè)往返的時(shí)間戳，最后得到飛行時(shí)間。雖然增加了響應(yīng)的時(shí)間，但會(huì)降低測(cè)距誤差。

雙邊雙向測(cè)距根據(jù)發(fā)送消息個(gè)數(shù)不同，分為兩種方法：

4消息方式（4 messages）

3消息方式（3 messages）

（一）雙邊uwb雙向測(cè)距4消息方式

分為兩次測(cè)距，uwb設(shè)備A主動(dòng)發(fā)起第一次測(cè)距消息，uwb設(shè)備B響應(yīng)，得到4個(gè)時(shí)間戳；然后過了一段時(shí)間，uwb設(shè)備B主動(dòng)發(fā)起測(cè)距，uwb設(shè)備A響應(yīng)，同樣得到4個(gè)不同的時(shí)間戳。最終可以得到如下四個(gè)時(shí)間差：

Tround1，Treply1；

Tround2，Treply2；

 圖2：雙邊TWR雙向測(cè)距4消息方式

（二）雙邊雙向測(cè)距3消息方式

相比較于4消息方式，省掉了第二次測(cè)距的發(fā)起動(dòng)作，當(dāng)uwb設(shè)備A收到數(shù)據(jù)之后，立刻返回?cái)?shù)據(jù)，最終也可以得到如下四個(gè)時(shí)間差：

Tround1，Treply1；

Tround2，Treply2；

圖3：雙邊TWR雙向測(cè)距3消息方式

三、雙邊雙向TWR測(cè)距——飛行時(shí)間計(jì)算方法

飛行時(shí)間計(jì)算方法，無論是4消息方式或者3消息方式，都可以使用如下公式計(jì)算：

四、雙邊雙向測(cè)距飛行時(shí)間誤差分析

以上uwb測(cè)距的機(jī)制都是非對(duì)稱的測(cè)距方法，因?yàn)樗麄儗?duì)于響應(yīng)時(shí)間不要求是相同的。使用雙邊TWR雙向測(cè)距4消息方式和雙邊TWR雙向測(cè)距3消息方式的方法測(cè)距，即便使用20ppm的晶體，時(shí)鐘誤差也是在ps級(jí)別的。

誤差公式如下：

uwb設(shè)備A以需要的頻率Ka運(yùn)行，uwb設(shè)備B以需要的頻率Kb運(yùn)行，Ka和Kb都是接近于數(shù)值1的。

為了搞清楚這個(gè)錯(cuò)誤值的大小，如果uwb設(shè)備A和B以比較差的晶振（20ppm誤差）運(yùn)行，例如uwb設(shè)備A慢20ppm，uwb設(shè)備B快20ppm，或者反過來，這樣將會(huì)導(dǎo)致總的誤差在40ppm。

這樣Ka和Kb可能是0.99998或者1.00002，即使UWB的工作距離范圍較大，例如100m，無線信號(hào)空中飛行時(shí)間大概333ns，因?yàn)檎`差為：20 x 10e-6 x 333 x 10e-9 = 6.7 x 10e-12 = 6.7ps，換算為距離之后也僅僅2.2mm。

注意：響應(yīng)時(shí)間是不需要相等的，也及時(shí)Treply1不一定要等于Treply2，這樣對(duì)于MCU系統(tǒng)的處理帶來了很多便利。

主要的誤差來源一定是接收數(shù)據(jù)的時(shí)間戳是否正確，而不是晶體的ppm值。

五、雙邊雙向測(cè)距（響應(yīng)時(shí)間對(duì)稱）

比較特殊的例子，雙邊雙向測(cè)距方法響應(yīng)時(shí)間對(duì)稱，也就是Treply1和Treply2相等，飛行時(shí)間計(jì)算方法如下：

這種方法只是需要一些時(shí)間戳做加減法，然后除以4就可以得到飛行時(shí)間，但是可能需要更多的時(shí)間。另外這種方法的難點(diǎn)在于，怎么保證Treply1和Treply2是相等的。

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六、uwb測(cè)距模塊、uwb測(cè)距基站、uwb測(cè)距標(biāo)簽

uwb測(cè)距模塊：SKU609、SKU620；

uwb測(cè)距基站：VDU2506；

uwb測(cè)距工牌：VDU1501R。

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