UWB定位技术算法TOF 测距定位TDoA 定位AoA 定位选择及环境因素

来源: 发布时间:2020-12-02 13299 次浏览

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uwb定位技术算法的UWB 定位主要是通过TOF 测距定位、TDoA 定位、AoA 定位,前2种通常单独使用,第三种的AoA通常是和ToF 或TDoA 进行融合定位。

1、定位算法ToF

TOF(time-of-flight)时间飞行原理。时间飞行原理是指各种测量飞行时间的方法,更确切的是指一个物体或粒子或声波或电波等其他波类在某种介质内穿越一段距离所用的时间。TOF 测距方法是 D.McCrady 提出的 , 然而该技术只侧重于直接序列扩频( DSSS)的通信系统。TOF 测距技术可以理解为飞行时差测距( Time of Flight Measurem ent) 方法, 传统的测距技术分为双向测距技术( Two Way Rang ing )和单向测距技术( OneWay Ranging) 。TOF 测距方法属于双向测距技术, 它主要利用信号在两个异步收发机( Transceiver)之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。


在这种模式下,取决于Device B 从收到报文到Ack 的时间差,若这个时间越长,会导致系统的精度也低。同时,Device A、B 的时钟精度有关,若两个时钟精度的偏差为eA和eB,则带来的误差为


从有图可以看出,若两个时钟的误差偏差为10 个PPM,处理时间为100us,则误差达到150cm。

SDSTWR

对称双边双向测距Symmetric double-sided two-way ranging (SDSTWR),示意图如下:


在这个系统中,误差和treplyB 有关系,但没有那么大,而是从中可以看出,若两边的时钟偏差为10PPM,回复时间为100us,则误差不到8cm,相对150cm 有质的改善。


TDOA 定位

TDOA 的首要问题是解决时间同步问题,时间同步有两种,一种是通过有线做时间同步,有线时间同步可以控制在0.1ns 以内,同步精度非常高,但由于采用有线,所有设备要么采用中心网络的方式,要么采用级联的方式,但增加了网络维护的复杂度,也增加了施工的复杂度,成本升高。并且,系统中还有一个专用的有线时间同步器,价格昂贵。一种是通过无线做时间同步,采用无线同步一般可以达到0.25ns,精度稍逊于有线时间同步,但其系统相对来说更为简单,定位基站只需要供电,数据回传可以采用WiFi 的方式,有效降低了成本,时间同步基站时间同步之后,标签发送一个广播报文,基站收到之后,标记接收到此报文的时间戳,将才内容发送到计算服务器,计算服务器更加其他基站的定位报文的时间戳,计算出被定为目标的位置。


AoA定位

AoA定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度,一般不单独使用,由于AoA 涉及到角度分辨率的问题,若单纯AoA 定位,若离基站越远,定位精度就越差。AoA可以配合ToF测距时下定位,此模式下,单基站就可以完成定位。


也可以两个基站通过AoA 实现定位


2、uwb定位技术算法选择

定位方法选择涉及到多方面因素,在系统中需要综合判断,以更好地满足系统的使用。

3、uwb定位技术算法容量因素

在基于测距模式,相对来说容量比较低;

在TDOA 模式下,若采用6.8Mbps的传送速率,标签的报文限制在12 个字节内,每个报文的持续时间为95微秒,按18% 的系统占空比计算,每个标签按1Hz 的频率工作,系统容量接近1500个标签。若ToF 配合AoA 使用,能显著提升系统融合,比如,只和其中一个基站测距,其他基站辅助做角度判断,完成定位,系统容量能显著提升。

4、uwb定位技术算法定位模式与工耗

主要比较一下ToF 和TDoA两种模式下的功耗,ToF 模式下,标签需要逐一和基站测距,需要多次测距,一般一轮测距下来,需要5ms 以上。TDoA 定位,标签只需要发送一个报文即可完成定位,一般从准备到发送完成也在0.5ms 内完成,其功耗显著低于ToF模式。

5、uwb定位技术算法环境因素

环境因素是多方面的,最为典型的是区域内定位和区域外定位;由于TDoA 是基于到达时间差,将到达时间差转换为距离差之后,一般采用双曲线算法,而双曲线算法的局限性决定了在基站围成的区域内定位精度高,在区域外定位精度比较差。而类似电厂等环境复杂的场景,系统面临建设的巨大难度,用TDoA 定位就很难满足应用的需求。这种模式下,可以采用ToF 定位,或采用TDoA 融合AoA 的定位方法解决。

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