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UWB技术

UWB定位算法TDOA和TWR之比较研究
Date:2021-03-15 22:47 Views:
使用UWB技术进行定位时,有两种基本定位算法:基于差分飞行时间(TDOA)和双向测距(TWR)的UWB定位算法,这两种算法各有优劣,下面将进行比较。
 
超宽带是一种可用于室内定位的短距离无线电通信。与蓝牙定位和Wi-Fi定位相比,位置的确定不是基于信号强度的测量(接收信号强度指示器,RSSI),而是基于时间飞行的算法(飞行时间,TOF)。测量一个UWB定位终端和多个UWB定位基站之间的光传播时间。至少需要三个定位基站才能使用三边法精确定位终端的位置。定位基站和定位终端之间也必须保持直线和可视。
 
使用超宽带时,有两种定位技术:时差(TDOA)和双向测距(TWR)。通过TDOA方法,UWB标签将数据包发送到环境中的定位基站(anchor)。附近的所有定位基站都接收UWB标签的信号,但不发送任何信号。由于定位基站与定位标签之间的间隔不同,因此脉冲信号在不同的时间到达每个定位基站。这些时间差乘以空间中的恒定光速得出UWB定位标签和UWB定位基站之间的距离,并构成多延迟计算的基础,以确定标记的X、Y和Z坐标。这里的决定性因素是所有的UWB定位标签必须同步工作,否则结果将毫无意义。

这两种方法的都有在目前的各个厂家的定位系统中所采用,其中,DW1000的原厂家用的主要是TWR的算法,优缺点情况下面仔细分析:
 
1、定位的准确度
 
超宽带(UWB)无线电技术使我们能够在室内和室外定位物体,精度小于30厘米。时差法和双向测距法都能达到这一精度。由于时差法是由光速和时间差的乘积来计算的,因此双向测距技术总体上更为精确。
 
2、可伸缩性-定位基站和定位终端的数量
 
到达时差法,定位终端使用一个小的时间段发送一条脉冲消息。因此大量的定位终可以在帧速率内传输信号。相对容纳的定位终端数量更多。而定位基站的数量相对也比较少。
 
双向测距在设备之间发送一系列消息,从而导致有限数量的定位终端可以在刷新率内传输信号,因此终端数量相对较少。而定位基站分成主站和从基站,一个主基站可以对应4个从基站,主基站负责和定位引擎进行通信,因此需要的基站数量总体比较多,部署比较麻烦。
 
3、可扩展性-面积大小
 
到达时差算法可以在不更改系统或设置的情况下向系统添加定位基站。
 
双向测距算法你要求系统中的所有从UWB定位基站与主UWB定位基站直接通信。从定位基站和主定位基站之间的通信区域限制了区域的大小。主定位基站都与定位服务器通信。
 
4、鲁棒性
 
到达时间差算法你要求UWB定位基站的时间同步非常精确,这会对鲁棒性产生负面影响。如前所述,TDOA方法的一个基本要求是保持定位基站的同步。
 
双向测距算法不需要定位基站的同步,这增加了系统的鲁棒性。
 
5、电池寿命
 
到达时差算法只需要脉冲信号来定位UWB定位终端,从而将电池寿命延长到几年。
 
采用双向测距算法,UWB标签必须多次发送和接收定位基站的信号。TWR需要交换9条消息来定位UWB定位终端,这大大缩短了终端的待机时间。
 
6、易用性
 
在定位系统中增加基于TDOA的定位基站,需要测量定位基站的位置并标记分配定位基站ID,所以增加基站或者扩容相对简单。
 
对于TWR算法的系统,添加额外的定位基站或终端需要在服务器上进行修改系统算法,以便新定位基站和定位终端之间能够融入到原有的系统中进行通信。因此,相对比较麻烦些。

结论
 
在目前的许多UWB系统中,两种算法都有使用,优缺点都有介绍,总之,用双向测距算法对同步要求低,但是耗电相对较大,而采用TDOA的算法的容量和耗电上都有优势,但是对同步要求比较高,系统的健壮性相比TWR算法的系统稍弱。最合理的方法是根据现场情况而定,采用最合理的UWB定位解决方案

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