TEL: +86-185 5169 5566

UWB定位算法

Feb,21,2023 << Return list

定位方法

目前,UWB 定位主要是通过TOF 测距定位,TDoA 定位,AoA 定位,前面两种一般可以单独使用,后面的AoA 一般是和ToF 或TDoA 进行融合定位。

ToF定位

ToF 定位是基于测距的方式,标签和每个需要定位的基站发起测距,测距完成后进行位置计算,零维模式下,只需要和一个基站测距即可;一维模式下,至少需要和一个基站测距;二维模式下,一般需要需要三个或以上基站测距,特殊模式下可以和两个基站测距。三维需要和四个基站进行测距;

一维特殊情况,将基站放在最顶端,只需要和一个基站测距也可以完成一维定位。


图片1.png 


二维特殊情况,可以只和两个基站测距


图片2.png 


一般情况下二维定位


图片3.png 


TDoA 定位

TDoA 是基于到达时间差定位,系统中需要有精确时间同步功能。TDOA 的首要问题是解决时间同步问题,时间同步有两种,一种是通过有线做时间同步,有线时间同步可以控制在0.1ns 以内,同步精度非常高,但由于采用有线,所有设备要么采用中心网络的方式,要么采用级联的方式,但增加了网络维护的复杂度,也增加了施工的复杂度,成本升高。并且,系统中还有一个专用的有线时间同步器,价格昂贵。

一种是通过无线做时间同步,采用无线同步一般可以达到0.25ns,精度稍逊于有线时间同步,但其系统相对来说更为简单,定位基站只需要供电,数据回传可以采用WiFi 的方式,有效降低了成本,

基站时间同步之后,标签发送一个广播报文,基站收到之后,标记接收到此报文的时间戳,将才内容发送到计算服务器,计算服务器更加其他基站的定位报文的时间戳,计算出被定为目标的位置。


图片4.png 

AoA 定位

AoA 定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度,一般不单独使用,由于AoA 涉及到角度分辨率的问题,若单纯AoA 定位,若离基站越远,定位精度就越差。

AoA 可以配合ToF测距时下定位,此模式下,单基站就可以完成定位。


图片5.png


也可以两个基站通过AoA 实现定位


图片6.png


定位方法选择

定位方法选择涉及到多方面因素,在系统中需要综合判断,以更好地满足系统的使用。

容量因素

在基于测距模式,相对来说容量比较低;

在TDOA 模式下,若采用6.8Mbps的传送速率,标签的报文限制在12 个字节内,每个报文的持续时间为95微秒,按18% 的系统占空比计算,每个标签按1Hz 的频率工作,系统容量接近1500个标签。

若ToF 配合AoA 使用,能显著提升系统融合,比如,只和其中一个基站测距,其他基站辅助做角度判断,完成定位,系统容量能显著提升。

定位模式与功耗

这里主要比较一下ToF 和TDoA 两种模式下的功耗,ToF 模式下,标签需要逐一和基站测距,需要多次测距,一般一轮测距下来,需要5ms 以上。TDoA 定位,标签只需要发送一个报文即可完成定位,一般从准备到发送完成也在0.5ms 内完成,其功耗显著低于ToF模式。

环境因素

环境因素是多方面的,最为典型的是区域内定位和区域外定位;

由于TDoA 是基于到达时间差,将到达时间差转换为距离差之后,一般采用双曲线算法,而双曲线算法的局限性决定了在基站围成的区域内定位精度高,在区域外定位精度比较差。而类似电厂等环境复杂的场景,系统面临建设的巨大难度,用TDoA 定位就很难满足应用的需求。这种模式下,可以采用ToF 定位,或采用TDoA 融合AoA 的定位方法解决。

位置计算

位置计算有多种模式可以选择,典型的主要有下面四种:


图片7.png 


第一种,在服务器上做计算,这是比较常规的应用;

第二种,在基站上做计算,这是被定位目标比较少的情况下,可以有效节省成本;

第三种,在标签上做计算,这种主要是用在机器人,无人机的定位模式下,需要快速反应,将计算结果输出到目标平台;

第四种,自主空间定位,所有的设备各自计算,用于空间自组网。

通常使用的方案为第一种和第三种。