uwb測距原理：TWR雙向測距一文詳細介紹！
發布日期：2023-08-09 瀏覽次數：1232次
UWB測距主要指的是TWR雙向測距。TWR是Two Way Ranging的英文縮寫，意指雙向測距。簡單說：TWR測距就是uwb測距模塊來回發送超寬帶脈沖信號，通過計算出脈沖信號在兩個uwb模塊之間的飛行時間T，從而確定飛行距離S。
UWB測距原理
UWB測距主要采用雙向測距(Two-way Ranging)方法，以下所有的方法都包括兩個節點：uwb設備A和uwb設備B（uwb設備可以是uwb模塊，或者uwb標簽，uwb基站），默認uwb設備A是測距的發起者，uwb設備B是響應者。
TWR雙向測距主要分為以下兩種方法：
1、單邊TWR雙向測距(Single-sided Two-way Ranging)
2、雙邊TWR雙向測距(Double-sided Two-way Ranging)
一、單邊TWR雙向測距(Single-sided Two-way Ranging)
單邊雙向測距(Single-sided Two-way Ranging)，單側雙向測距（SS-TWR）是對單個往返消息時間上的簡單測量，uwb設備A主動發送數據到uwb設備B，uwb設備B返回數據響應uwb設備A。
圖1：單邊雙向測距
測距流程：uwb設備A（Device A）主動發送（TX）數據，同時記錄發送時間戳，uwb設備B（Device B）接收到之后記錄接收時間戳；延時Treply之后，uwb設備B發送數據，同時記錄發送時間戳，uwb設備A接收數據，同時記錄接收時間戳。
所以可以拿到兩個時間差數據，uwb設備A的時間差Tround和uwb設備B的時間差Treply，最終得到無線信號的飛行時間Tprop如下：
兩個差值時間都是基于本地的時鐘計算得到的，本地時鐘誤差可以抵消。但是不同uwb設備之間會存在微小的時鐘偏移，假設uwb設備A和B的時鐘偏移分別為eA和eB，因此得到的飛行時間會隨著Treply的增加而增加，測距誤差的方程如下：
Treply越小，uwb測距越準確。另外Treply不僅僅是uwb設備B接收到發送的時間，也包括裝載數據和發送數據耗費的時間（UWB除了支持測距和定位之外，也可以傳輸數據，標準可以裝載128字節，擴展模式可以裝載1024字節數據。這里我們主要講uwb測距）。
典型的誤差關系如下表格所示：（1ns約等于30cm距離誤差）
可以看出，隨著Treply和時鐘偏移的增加，會增加飛行時間的誤差，從而使得uwb測距不準確。 因此單邊uwb雙向測距（SS-TWR）并不常用，但對于特定的應用，如果對于測距精度要求不是很高，但是需要更短的測距時間時，可以采用。
二、雙邊TWR雙向測距（Double-sided Two-way Ranging）
雙邊TWR雙向測距（Double-sided Two-way Ranging）是單邊雙向測距的一種擴展測距方法，記錄了兩個往返的時間戳，最后得到飛行時間。雖然增加了響應的時間，但會降低測距誤差。
雙邊雙向測距根據發送消息個數不同，分為兩種方法：
4消息方式（4 messages）
3消息方式（3 messages）
（一）雙邊uwb雙向測距4消息方式
分為兩次測距，uwb設備A主動發起第一次測距消息，uwb設備B響應，得到4個時間戳；然后過了一段時間，uwb設備B主動發起測距，uwb設備A響應，同樣得到4個不同的時間戳。最終可以得到如下四個時間差：
Tround1，Treply1；
Tround2，Treply2；
圖2：雙邊TWR雙向測距4消息方式
（二）雙邊雙向測距3消息方式
相比較于4消息方式，省掉了第二次測距的發起動作，當uwb設備A收到數據之后，立刻返回數據，最終也可以得到如下四個時間差：
Tround1，Treply1；
Tround2，Treply2；
圖3：雙邊TWR雙向測距3消息方式
三、雙邊雙向TWR測距——飛行時間計算方法
飛行時間計算方法，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算：
四、雙邊雙向測距飛行時間誤差分析
以上uwb測距的機制都是非對稱的測距方法，因為他們對于響應時間不要求是相同的。使用雙邊TWR雙向測距4消息方式和雙邊TWR雙向測距3消息方式的方法測距，即便使用20ppm的晶體，時鐘誤差也是在ps級別的。
誤差公式如下：
uwb設備A以需要的頻率Ka運行，uwb設備B以需要的頻率Kb運行，Ka和Kb都是接近于數值1的。
為了搞清楚這個錯誤值的大小，如果uwb設備A和B以比較差的晶振（20ppm誤差）運行，例如uwb設備A慢20ppm，uwb設備B快20ppm，或者反過來，這樣將會導致總的誤差在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，無線信號空中飛行時間大概333ns，因為誤差為：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：響應時間是不需要相等的，也及時Treply1不一定要等于Treply2，這樣對于MCU系統的處理帶來了很多便利。
主要的誤差來源一定是接收數據的時間戳是否正確，而不是晶體的ppm值。
五、雙邊雙向測距（響應時間對稱）
比較特殊的例子，雙邊雙向測距方法響應時間對稱，也就是Treply1和Treply2相等，飛行時間計算方法如下：
這種方法只是需要一些時間戳做加減法，然后除以4就可以得到飛行時間，但是可能需要更多的時間。另外這種方法的難點在于，怎么保證Treply1和Treply2是相等的。
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六、uwb測距模塊、uwb測距基站、uwb測距標簽
uwb測距基站：VDU2506；
uwb測距工牌：VDU1501R。
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