在這個萬物互聯(lián)的時代，定位已經(jīng)成了信息社會運轉(zhuǎn)的核心要素，UWB以其獨特的優(yōu)勢從 Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波等眾多的無線定位技術(shù)中脫穎而出，今天我們很有必要說說UWB測距的基本原理。

1 測距原理：ToF（Time Of Flight 飛行時間）

UWB實際是通過ToF 來測距，主要利用信號在兩個異步收發(fā)機（Transceiver）之間飛行時間來測量節(jié)點間的距離。單邊雙向測距：（SS-TWR，Single Sided - Two-Way Ranging）每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳。

UWB 模塊 A 在其時間戳上的 Ta1 時刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，UWB 模塊 B 在其時間戳上的 Tb1 時刻接收到該信號，然后對 UWB 信號加以一定的處理手段后，UWB 模塊 B 在 Tb2 時刻發(fā)射一個響應(yīng)性質(zhì)的信號被 UWB 模塊 A 在自己的時間戳 Ta2 時刻接收。

由此可以計算出脈沖信號在兩個 UWB 模塊之間的飛行時間 ToFA_B，從而乘以光速 c 就能確定兩個模塊之間的距離了。

圖 1 SS-TWR 測距示意圖▲

這里單純的 ToF 算法有一個比較嚴格的約束：發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須時鐘同步，這是一個比較棘手的問題，所以在 UWB 的應(yīng)用中不常用，但對于特定的應(yīng)用，如果對于精度要求不是很高，且需要更短的測距時間可以采用。

為了降低時鐘偏移的影響，UWB 測距中經(jīng)常采用雙邊雙向測距方法（DS-TWR，Double Sided - Two-Way Ranging），反向測量補償，UWB 模塊 A 在其時間戳上的 Ta1 時刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，UWB 模塊 B 在其時間戳上的 Tb1 時刻接收到該信號，然后對 UWB 信號加以一定的處理手段后，UWB 模塊 B 在 Tb2 時刻同時發(fā)射響應(yīng)性質(zhì)和請求性質(zhì)的信號被UWB 模塊 A 在自己的時間戳 Ta2 時刻接收，處理一段時間后在 Ta3 時刻回復(fù)響應(yīng)信號被模塊 B 在其時間戳的 Tb3 時刻接收。

由此可以計算出脈沖信號在兩個 UWB 模塊之間的飛行時間 ToFA_B，從而乘以光速 c 就能確定兩個模塊之間的距離了。

圖 2 DS-TWR 測距示意圖▲

2 定位原理

常見的 UWB 定位技術(shù)有 TOA（Time of Arrival）、TDOA （Time Difference of Arrival）與 AOA（Angel of Arrival）。

TOA 定位通過分別測量移動終端與三個或更多基站之間信號的傳播時間來定位，它采用了圓周定位。假如己知移動終端到基站 i 的直線距離為 Ri，那么由幾何原理可知，移動終端的位置一定在以基站 i 的位置為圓心，Ri 為半徑的圓周上。

同理可得，多個圓的共同交點就是移動終端的位置。

圖 3 TOA 定位示意圖▲

TOA 定位的缺點是對傳播中產(chǎn)生的誤差比較敏感，這些誤差來自于傳播中的反射、 多徑傳播、非視距傳播和噪聲等干擾，會造成各圓無法相交或相交處不是一個點而是一個區(qū)域。

同時 TOA 定位要求移動終端和基站之間在時間上要準(zhǔn)確同步，1ns 的同步誤差將會給定位帶來大約 0.3 米的不確定性。納秒級的同步精度在許多通信系統(tǒng)中是達不到的。因此，實際中很少使用單純的 TOA 定位。

TDOA 定位就是對 TOA 做了改進，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。因為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(xiàn)得多，所以 TDOA 定位的應(yīng)用非常廣泛。

它通過測量出兩個不同基站與移動終端的傳輸時延差來進行定位。假設(shè)移動終端的位置與基站 1 和基站 2 的距離差為 R21=R2-R1，則移動終端的位置必定在以兩個基站為焦點，與兩個焦點的距離差恒為R21的雙曲線上。

再通過另一組移動終端與基站 1、基站 3 或基站 2 基站 3 的 TDOA，可以得到另一組雙曲線，通過多組雙曲線交于一點也就確認了 UWB 移動終端的位置。

圖 4 TDOA 定位示意圖▲

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，單純 AOA 定位，若離基站越遠，定位精度就越差，所以 AOA 定位多見于中、短距離的定位。

AOA 的優(yōu)點是所需要的基站比較少，最少只要兩個基站就可以進行定位。在 LTE 系統(tǒng)中應(yīng)用了 OFDM 和多天線陣技術(shù)，使得基于 LTE 的 AOA 定位成為了研究熱點。

圖 5 AOA 定位示意圖▲

事實上，使用環(huán)境比較復(fù)雜，一般是采用 TOA（到達時間）、TDOA（到達時間差）、AOA（到達角度）這三種定位技術(shù)的混合技術(shù)，取長補短，讓最終的定位性能得到優(yōu)化。

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