UWB的三种算法详解

内容导读

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内容图文

超宽带UWB定位的三种常用定位算法，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的定位方法与基于TOA的定位方法在本质上是相同的，而TOF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。
（二）TDOA定位算法
基于TDOA的定位方法又称为双曲线定位，其原理是通过测量UWB信号从UWB标签到两个UWB基站之间传播时间的差值，得到UWB标签到两个UWB基站之间的固定距离差。TDOA算法是对TOA算法的改进，它并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个UWB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。
（三）TOA定位算法
TOA定位算法即“到达时间”，这种方式定位是通过UWB基站和UWB标签之间的多次通信实现的，实际应用中为了更加靠谱，往往不仅仅是利用两次通信来测距，还会有更加复杂的多次通信来提高精度。
对于空间定位，只需要利用SX（球面相交法）便可以得出最后的坐标。
可见，为了一次定位，每个UWB基站和UWB标签之间要进行两次通信，故又将这种定位方式称为“Two-way-ranging”，简称“TWR”。这种定位的优势在于其实现的便捷性和对硬件的宽容，只需要有几个摆放在不同位置的UWB基站和一个UWB标签便可进行定位，缺点首先自然是定位速度了，其次，由于每次通信的质量无法保证，而一对UWB基站/UWB标签又无法做自我的校准，精度自然也会受到影响。
TDOA即“到达时间差”，这种方式的一次测距是由两个UWB基站和一个UWB标签实现的。在这种模式下，多个时钟完全同步的UWB基站同时接受来自一个UWB标签的包，对于不同位置的UWB基站，同一个UWB标签的同一次广播包到达的时间是不同的，所以便有有以下算法：
1、UWB标签发出一个广播包。
2、 两个UWB基站接收到同一个包，UWB基站1接收到的时间为T1，UWB基站2接收到的时间为T1。
3、计算时间差Td = T2 - T1。
4、对于至少四个UWB基站，可以得到三组这样的两两之间的信息。
5、通过数学方法（multi-lateration）可以解算出UWB标签的空间坐标。
由于算法比较复杂，这里不再赘述。由此可见，TDOA的优势首先在于一次定位的通信次数显著减少，其次由于是用时间差而非绝对时间进行测距，其精度也比TOA高出一些。但要保证TDOA系统中各个UWB基站的时钟必须严格同步，云酷科技的UWB定位系统方案基于TDOA定位算法，根据现场不同的定位环境，精度误差在10厘米-30厘米。UWB定位方案和硬件广泛应用于隧道、变电站、电厂、监狱等场所人员定位。

内容总结

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