uwb定位技術算法的UWB 定位主要是通過TOF 測距定位、TDoA 定位、AoA 定位,前2種通常單獨使用,第三種的AoA通常是和ToF 或TDoA 進行融合定位。
1、定位算法ToF
TOF(time-of-flight)時間飛行原理。時間飛行原理是指各種測量飛行時間的方法,更確切的是指一個物體或粒子或聲波或電波等其他波類在某種介質內穿越一段距離所用的時間。TOF 測距方法是 D.McCrady 提出的 , 然而該技術只側重于直接序列擴頻( DSSS)的通信系統。TOF 測距技術可以理解為飛行時差測距( Time of Flight Measurem ent) 方法, 傳統的測距技術分為雙向測距技術( Two Way Rang ing )和單向測距技術( OneWay Ranging) 。TOF 測距方法屬于雙向測距技術, 它主要利用信號在兩個異步收發機( Transceiver)之間往返的飛行時間來測量節點間的距離。
在這種模式下,取決于Device B 從收到報文到Ack 的時間差,若這個時間越長,會導致系統的精度也低。同時,Device A、B 的時鐘精度有關,若兩個時鐘精度的偏差為eA和eB,若兩個時鐘的誤差偏差為10 個PPM,處理時間為100us,則誤差達到150cm。
SDSTWR對稱雙邊雙向測距Symmetric double-sided two-way ranging (SDSTWR),在這個系統中,誤差和treplyB 有關系,但沒有那么大,而是從中可以看出,若兩邊的時鐘偏差為10PPM,回復時間為100us,則誤差不到8cm,相對150cm 有質的改善。
TDOA 定位
TDOA 的首要問題是解決時間同步問題,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,但由于采用有線,所有設備要么采用中心網絡的方式,要么采用級聯的方式,但增加了網絡維護的復雜度,也增加了施工的復雜度,成本升高。并且,系統中還有一個專用的有線時間同步器,價格昂貴。一種是通過無線做時間同步,采用無線同步一般可以達到0.25ns,精度稍遜于有線時間同步,但其系統相對來說更為簡單,定位基站只需要供電,數據回傳可以采用WiFi 的方式,有效降低了成本,時間同步基站時間同步之后,標簽發送一個廣播報文,基站收到之后,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,計算出被定為目標的位置。
AoA定位
AoA定位一般是基于相位差的方式計算出到達角度,一般不單獨使用,由于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,此模式下,單基站就可以完成定位。
也可以兩個基站通過AoA 實現定位
2、uwb定位技術算法選擇
定位方法選擇涉及到多方面因素,在系統中需要綜合判斷,以更好地滿足系統的使用。
3、uwb定位技術算法容量因素
在基于測距模式,相對來說容量比較低;
在TDOA 模式下,若采用6.8Mbps的傳送速率,標簽的報文限制在12 個字節內,每個報文的持續時間為95微秒,按18% 的系統占空比計算,每個標簽按1Hz 的頻率工作,系統容量接近1500個標簽。若ToF 配合AoA 使用,能顯著提升系統融合,比如,只和其中一個基站測距,其他基站輔助做角度判斷,完成定位,系統容量能顯著提升。
4、uwb定位技術算法定位模式與工耗
主要比較一下ToF 和TDoA兩種模式下的功耗,ToF 模式下,標簽需要逐一和基站測距,需要多次測距,一般一輪測距下來,需要5ms 以上。TDoA 定位,標簽只需要發送一個報文即可完成定位,一般從準備到發送完成也在0.5ms 內完成,其功耗顯著低于ToF模式。
5、uwb定位技術算法環境因素
環境因素是多方面的,最為典型的是區域內定位和區域外定位;由于TDoA 是基于到達時間差,將到達時間差轉換為距離差之后,一般采用雙曲線算法,而雙曲線算法的局限性決定了在基站圍成的區域內定位精度高,在區域外定位精度比較差。而類似電廠等環境復雜的場景,系統面臨建設的巨大難度,用TDoA 定位就很難滿足應用的需求。這種模式下,可以采用ToF 定位,或采用TDoA 融合AoA 的定位方法解決。