EHIGH恒高：漫谈TDOA、TOF-了解UWB技术的启蒙文章

超宽带(UWB技术)是一种基于IEEE802.15.4a和802.15.4z标准的无线电技术，它能够非常准确地测量无线电信号的飞行时间，从而实现厘米精度的距离/位置测量。不同于蓝牙、WiFi等其他定位技术，UWB射频信号与生俱来的物理特性使得UWB技术从一开始就被明确定义：实现实时、超精确、超可靠的定位和通信。

在现有的UWB定位系统中，存在多种基于测距的定位方法，每种定位方法都对应着多种不同的解算定位的算法。本文将通过以下几个方面告诉你UWB是如何工作的？

1. UWB定位的本质是获取距离或者与距离相关的变量信息，反向解算出标签的位置。

   跟蓝牙和WIFI定位方法不同，UWB技术位置信息并不是基于信号强度（RSSI）进行计算，而是通过精确无线信号的发送时刻、接收时刻，并通过算法计算的。UWB无线定位系统要实现精确定位，首先要获取与位置相关的变量信息，建立相应的数学模型，然后根据这些变量和参数以及数学模型来解算目标的坐标。

   UWB技术具有超高的时间分辨率，保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息，信号飞行的速度是光速（固定值），所以只要知道飞行时间就可以计算出两个设备的距离，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。
   2.UWB技术主要分为两种定位方法：TOF和TDOA

   在UWB技术中应用最广泛的是飞行时间测距法（TOF）和到达时间差法（TDOA）。从定位方式来看均属于多点定位，即确定标签与多个已知坐标点的相对位置关系定位。
   3.科普/大话UWB技术之TOF

   飞行时间法（Time of flight，TOF）是一种双向测距技术，它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。根据数学关系，一点到已知点的距离为常数，那么这点一定在以已知点为圆心，以该常数为半径的圆上。有两个已知点，就有两个交点。以三个已知点和距离作三个圆，他们交于同一个点，该点就是标签的位置。

   　　移动标签首先向定位基站发送测距请求，基站收到测距请求进行处理，经过一小段时间处理后向移动标签回复确认信息，分别记录 UWB 信号发送和接收的时间间隔，例如我们将发送端发出信号和接收回应的时间间隔记为TTOT，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT。那么信号在空中的单向飞行时间TTOF可以计算为：

    

   然后根据TTOF与电磁波传播速度的乘积便可算出标签到基站之间的距离。d = c × TTOF

   根据到各个基站的测距信息，以各个基站为中心画圆，就可以得到一个交点，交点就是标签的位置。

    

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。 但是正因如此就造成了TOF功耗大大提高，续航时间行对较短。就像一台长时间保持高强度作业的电脑，工作时间长，耗损大，相对的寿命也会缩短。

4.科普/大话UWB技术之TDOA

到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）是一种利用到达时间差进行定位的方法又称为双曲线定位。标签卡对外发送一次UWB信号，在标签定位距离内的所有基站都会收到无线信号，如果有两个已知坐标点的基站收到信号，标签和基站的距离间隔不同，因此这两个收到信号的时间节点是不一样的，根据数学关系，到已知两点为常数的点，一定处于以这两点为焦点的双曲线上。那么有四个已知点（四个定位基站）就会有四条双曲线，四条双曲线交于一点就是标签的位置。

 

TDOA定位原理：

利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。假设测得标签到第n个基站接收到标签所发出的UWB信号的时刻分别为ti（i=1,2,3,4、、、n），且假设标签到第N个基站的距离为ri（i=1,2,3,4、、、n）

在基站之间完全同步的情况下，得出定位标签相对于四组定位基站（假设1#、2#为第一组，2#、3#为第二组，3#、4#为第三组，4#、1#为第四组）的距离差：

 

式中di,12~di,14为UWB技术测得的定位卡相对于四组定位基站的距离差。

使用TDOA的技术，其核心问题在于解决基站间的同步问题，若基站间不同步，上述公式将不成立。

得到标签卡到各个基站的距离差之后，可以画双曲线，上述所说各个双曲线的交点就是标签的位置。

 

假设空间布有 N 个基站，同时利用多个TDOA 测量值可以构成关于标签位置的双曲线方程组，求解此方程组即可得到标签坐标。

 

   使用TDOA技术不需要定位标签与定位基站之间进行往复通信，只需要定位标签发射一次UWB信号，工作时长缩短了，功耗也就大大降低了，故能做到更高的定位动态和定位容量。