超宽带UWB定位的三种常用定位算法-TDOA/TOF/TOA

xingyun86 7天前 17

介绍下超宽带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,如下图:

TOA定位算法

1、UWB基站首先发给UWB标签一个包,同时记录下UWB基站当前的时间信息,记为T1。

2、UWB标签收到基站的信息,返回一个ACK。

3、UWB基站收到UWB标签的ACK,记录当前的时间信息,记为T2。

4、UWB基站计算时间差Tr = T2 - T1,并且根据此计算出距离。

d = c * Tr / 2 其中c为光速。

当然,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。

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。

由此可见,TDOA算法的优势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,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。


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