在這個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，定位已經(jīng)成了信息社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心要素，UWB以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)從 Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波等眾多的無(wú)線定位技術(shù)中脫穎而出，今天我們很有必要說(shuō)說(shuō)UWB測(cè)距的基本原理。

 

（一）測(cè)距原理：ToF（Time Of Flight 飛行時(shí)間）

 

UWB實(shí)際是通過(guò)ToF 來(lái)測(cè)距，主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。單邊雙向測(cè)距：（SS-TWR，Single Sided - Two-Way Ranging）每個(gè)模塊從啟動(dòng)開(kāi)始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳。UWB 模塊 A 在其時(shí)間戳上的 Ta1 時(shí)刻發(fā)射請(qǐng)求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，UWB 模塊 B 在其時(shí)間戳上的 Tb1 時(shí)刻接收到該信號(hào)，然后對(duì) UWB 信號(hào)加以一定的處理手段后，UWB 模塊 B 在 Tb2 時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)被 UWB 模塊 A 在自己的時(shí)間戳 Ta2 時(shí)刻接收。由此可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè) UWB 模塊之間的飛行時(shí)間 ToFA_B，從而乘以光速 c 就能確定兩個(gè)模塊之間的距離了。

 

圖 1  SS-TWR 測(cè)距示意圖

 

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

 

為了降低時(shí)鐘偏移的影響，UWB 測(cè)距中經(jīng)常采用雙邊雙向測(cè)距方法（DS-TWR，Double Sided - Two-Way Ranging），反向測(cè)量補(bǔ)償，UWB 模塊 A 在其時(shí)間戳上的 Ta1 時(shí)刻發(fā)射請(qǐng)求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，UWB 模塊 B 在其時(shí)間戳上的 Tb1 時(shí)刻接收到該信號(hào)，然后對(duì) UWB 信號(hào)加以一定的處理手段后，UWB 模塊 B 在 Tb2 時(shí)刻同時(shí)發(fā)射響應(yīng)性質(zhì)和請(qǐng)求性質(zhì)的信號(hào)被 UWB 模塊 A 在自己的時(shí)間戳 Ta2 時(shí)刻接收，處理一段時(shí)間后在 Ta3 時(shí)刻回復(fù)響應(yīng)信號(hào)被模塊 B 在其時(shí)間戳的 Tb3 時(shí)刻接收。由此可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè) UWB 模塊之間的飛行時(shí)間 ToFA_B，從而乘以光速 c 就能確定兩個(gè)模塊之間的距離了。

圖 2  DS-TWR 測(cè)距示意圖

 

（二）定位原理

 

常見(jiàn)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(guò)分別測(cè)量移動(dòng)終端與三個(gè)或更多基站之間信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)定位，它采用了圓周定位。假如己知移動(dòng)終端到基站 i 的直線距離為 Ri，那么由幾何原理可知，移動(dòng)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(gè)圓的共同交點(diǎn)就是移動(dòng)終端的位置。

 

 

圖 3  TOA 定位示意圖

 

TOA 定位的缺點(diǎn)是對(duì)傳播中產(chǎn)生的誤差比較敏感，這些誤差來(lái)自于傳播中的反射、 多徑傳播、非視距傳播和噪聲等干擾，會(huì)造成各圓無(wú)法相交或相交處不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域。同時(shí) TOA 定位要求移動(dòng)終端和基站之間在時(shí)間上要準(zhǔn)確同步，1ns 的同步誤差將會(huì)給定位帶來(lái)大約 0.3 米的不確定性。納秒級(jí)的同步精度在許多通信系統(tǒng)中是達(dá)不到的。因此，實(shí)際中很少使用單純的 TOA 定位。

 

TDOA 定位就是對(duì) TOA 做了改進(jìn)，不必要進(jìn)行基站和移動(dòng)終端之間的同步，而只需要基站之間進(jìn)行同步。因?yàn)榛镜奈恢檬枪潭ǖ模局g進(jìn)行同步與基站和移動(dòng)終端之間進(jìn)行同步要容易實(shí)現(xiàn)得多，所以 TDOA 定位的應(yīng)用非常廣泛。

 

它通過(guò)測(cè)量出兩個(gè)不同基站與移動(dòng)終端的傳輸時(shí)延差來(lái)進(jìn)行定位。假設(shè)移動(dòng)終端的位置與基站 1 和基站 2 的距離差為 R21=R2-R1，則移動(dòng)終端的位置必定在以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)，與兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差恒為R21的雙曲線上。再通過(guò)另一組移動(dòng)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(guò)多組雙曲線交于一點(diǎn)也就確認(rèn)了 UWB 移動(dòng)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(jì)算出到達(dá)角度，一般不單獨(dú)使用，由于 AOA 涉及到角度分辨率的問(wèn)題，單純 AOA 定位，若離基站越遠(yuǎn)，定位精度就越差，所以 AOA 定位多見(jiàn)于中、短距離的定位。

 

AOA 的優(yōu)點(diǎn)是所需要的基站比較少，最少只要兩個(gè)基站就可以進(jìn)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(diǎn)。

圖 5  AOA 定位示意圖

 

事實(shí)上，使用環(huán)境比較復(fù)雜，一般是采用 TOA（到達(dá)時(shí)間）、TDOA（到達(dá)時(shí)間差）、AOA（到達(dá)角度）這三種定位技術(shù)的混合技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，讓最終的定位性能得到優(yōu)化