UWB定位:兩種雙向飛行時間法及TOA,TDOA,AOA介紹

UWB測距基本原理:

TOF(Time Of Flight飛行時間測距法):測距方法屬於雙向測距技術,它主要利用信號在兩個異步收發機(Transceiver)之間飛行時間來測量節點間的距離。因爲在視距視線環境下,基於TOF測距方法是隨距離呈線性關係,所以結果會更加精準。我們將發送端發出的數據包和接收回應的時間間記爲TTOT,接收端收到數據包和發出迴應的時間間隔記爲TTAT,那麼數據包在空中單向飛行的時間TTOF可以計算爲:

                                                                             TTOF=(TTOT-TTAT)/2

                                                                      

但是單純的TOF算法有一個比較嚴格的約束:發送設備和接收設備必須始終同步

TW-TOF(雙向飛行時間法):

1、Single-sided Two-way TOF

設備A首先向設備B發出一個數據包,並記錄下發包時刻Ta1,設備B收到數據包後,記下收包時刻Tb1。之後設備B等待Treply時刻,在Tb2(Tb2=Tb1+Treply)時刻,向設備A發送一個數據包,設備A收到數據包後記下時刻值Ta2。然後可以算出電磁波在空中的飛行時間Tprop,飛行時間乘以光速即爲兩個設備間的距離。

因爲設備A和設備B使用各自獨立的時鐘源,時鐘都會有一定的偏差,假設設備A和設備B時鐘的實際頻率是預期頻率的eA和eB倍,那麼因爲時鐘偏差引入的誤差error爲:

2、Double-sidedTwo-way TOF

 

DS測距是在SS測距的基礎上再增加一次通訊,兩次通訊的時間可以互相彌補因爲時鐘偏移引入的誤差。

使用DS測距方式時鐘引入的誤差爲:

        

假設設備A和設備B的時鐘精度是20ppm(很差),1ppm爲百萬分之一,那麼Ka和Kb分別是0.99998或者1.00002,ka和kb分別是設備A、B時鐘的實際頻率和預期頻率的比值。設備A、B相距100m,電磁波的飛行時間是333ns。則因爲時鐘引入的誤差爲20*333*10-9秒,導致測距誤差爲2.2mm,可以忽略不計了。

 

UWB定位的幾種算法:

  1. TOA定位(到達時間)

T

測量一個UWB定位終端和多個UWB定位基站之間的光傳播時間。至少需要三個定位基站才能使用三邊法精確定位終端的位置。定位基站和定位終端之間也必須保持直線和可視。LOS情況下精確度很高

約束:發送設備和接收設備必須始終同步

2、TDOA 定位

TDOA 是基於到達時間差定位,系統中需要有精確時間同步功能

時間同步有兩種,一種是通過有線做時間同步,有線時間同步可以控制在0.1ns 以內,同步精度非常高,但由於採用有線,所有設備要麼採用中心網絡的方式,要麼採用級聯的方式,但增加了網絡維護的複雜度,也增加了施工的複雜度,成本升高。並且,系統中還有一個專用的有線時間同步器,價格昂貴;

另一種是通過無線做時間同步,採用無線同步一般可以達到0.25ns,精度稍遜於有線時間同步,但其系統相對來說更爲簡單,定位基站只需要供電,數據回傳可以採用WiFi 的方式,有效降低了成本。

基站時間同步之後,標籤發送一個廣播報文,基站收到之後,標記接收到此報文的時間戳,將才內容發送到計算服務器,計算服務器更加其他基站的定位報文的時間戳,計算出被定爲目標的位置。

 

約束:TDOA定位不必要進行基站和移動終端之間的同步,而只需要基站之間進行同步。因爲基站的位置是固定的,基站之間進行同步與基站和移動終端之間進行同步要容易實現得多。這使得TDOA定位比TOA定位要更加容易實現,所以 TDOA定位的應用非常廣泛。

  1. AOA定位

AOA 定位一般是基於相位差的方式計算出到達角度,一般不單獨使用,由於AOA 涉及到角度分辨率的問題,若單純AoA 定位,若離基站越遠,定位精度就越差。

AOA 可以配合TOF測距時下定位

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