超寬帶定位技術(shù)方法比較 ：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）和飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）
一,、超寬帶（UWB）定位方法簡(jiǎn)介
超寬帶是一種短距離的無(wú)線通信技術(shù),，但是同時(shí)它也可以應(yīng)用在室內(nèi)定位當(dāng)中，跟藍(lán)牙和WIFI定位方法不同,，位置信息并不是基于信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）進(jìn)行計(jì)算,，而是通過(guò)無(wú)線信號(hào)的飛行時(shí)間（ToF）計(jì)算的。信號(hào)飛行的速度是光速（固定值）,，所以只要知道飛行時(shí)間就可以計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備的距離,。
超寬帶技術(shù)分為兩種定位方法：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）和飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）。
超寬帶設(shè)備分為兩種角色：標(biāo)簽Tag和基站Anchor,；例如在人員定位場(chǎng)景,，每個(gè)人會(huì)佩戴有一個(gè)標(biāo)簽，基站會(huì)分布在被定位區(qū)域的多個(gè)位置,。
1.1飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）
標(biāo)簽和基站之間會(huì)通過(guò)無(wú)線收發(fā)至少3次交互之后,，可以得到標(biāo)簽和基站之間的距離信息,。
以下圖中最常用的3消息雙向測(cè)距方法為例,，標(biāo)簽和基站的測(cè)距流程如下圖所看到，標(biāo)簽可以看做設(shè)備A（Device A）,，基站可以看做設(shè)備B（Device B）,，設(shè)備A主動(dòng)發(fā)起第一次測(cè)距消息，設(shè)備B響應(yīng),，得到4個(gè)時(shí)間戳,，設(shè)備A等待Treply2之后再發(fā)起，設(shè)備B接收,，再得到2個(gè)時(shí)間戳,。因此可以得到如下四個(gè)時(shí)間差：
Tround1、Treply1,、Round2,、Treply2
飛行時(shí)間計(jì)算方法,，可以使用如下公式計(jì)算：
最后乘以光速就可以得到設(shè)備A和B之間的距離。圖1-2是得到各個(gè)基站的距離之后,，標(biāo)簽定位的過(guò)程,。
標(biāo)簽和各個(gè)基站無(wú)線信號(hào)的交互如下圖所示：
圖 1-2 標(biāo)簽與各個(gè)基站測(cè)距TOF流程圖
圖1-3是根據(jù)到各個(gè)基站的測(cè)距信息，以基站為中心畫圓,，就可以得到一個(gè)交點(diǎn),，交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。
圖 1-3 雙向測(cè)距方法定位流程圖
1.2到達(dá)時(shí)間差（TDoA）
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù),，分為有線同步和無(wú)線同步,，由于有線同步技術(shù)對(duì)布線和網(wǎng)絡(luò)的要求較高，成本比較高,，因此一般會(huì)采用無(wú)線同步技術(shù),，本文介紹的到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)都是基于無(wú)線同步。
標(biāo)簽將數(shù)據(jù)包發(fā)送到被基站覆蓋的區(qū)域內(nèi),，附近的所有基站都會(huì)收到標(biāo)簽的無(wú)線信號(hào),，但不會(huì)返回任何無(wú)線信號(hào)。由于基站與標(biāo)簽的距離間隔不同,，因此消息在不同的時(shí)刻到達(dá)每個(gè)基站,。這些時(shí)間差乘以空間中恒定的光速得到標(biāo)簽和基站之間的距離差，這樣就可以形成多點(diǎn)定位計(jì)算的基礎(chǔ),，從而確定標(biāo)簽的相對(duì)坐標(biāo),。另外該技術(shù)的決定性因素是所有基站必須被同步。
基站之間同步和標(biāo)簽定位的無(wú)線數(shù)據(jù)包如下圖所示：
圖 1-4 基站同步和標(biāo)簽發(fā)射定位流程圖
得到各個(gè)基站的距離差之后,，可以畫雙曲線,，同理交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。
圖 1-5 到達(dá)時(shí)間差方法定位流程圖
二,、優(yōu)缺點(diǎn)比較
2.1電池壽命
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù),，標(biāo)簽定位一次只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送一次所用的時(shí)間<200us,，從而可以將電池的壽命延長(zhǎng)數(shù)年,。
飛行時(shí)間測(cè)距（ToF），標(biāo)簽必須發(fā)射和接收,，定位一次需要跟至少三個(gè)基站實(shí)現(xiàn)測(cè)距,，需要實(shí)現(xiàn)至少9次的數(shù)據(jù)交互，所以功耗會(huì)大大降低,。
結(jié)論：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu),。
2.2可伸縮性（系統(tǒng)容量）
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)，分為上行TdoA和下行TDoA,。
(1) 上行TDoA,，標(biāo)簽只需要發(fā)射一次,，按照有效數(shù)據(jù)12個(gè)字節(jié)計(jì)算，發(fā)射時(shí)間<151us,，所以理論上容量可以達(dá)到單區(qū)域同時(shí)定位6622個(gè)標(biāo)簽,，但是根據(jù)ALOHA理論，保證盡可能小的沖撞情況下,，只能18%的標(biāo)簽同時(shí)工作,，也就是6622*18% = 1192個(gè)標(biāo)簽可以正常工作。
(2) 下行TDoA,，標(biāo)簽不需要發(fā)射,，只需要接收，標(biāo)簽容量可以做到無(wú)限,，但是標(biāo)簽功耗會(huì)大,，而且所有的數(shù)據(jù)在標(biāo)簽匯集，需要標(biāo)簽自身解算或者傳送到服務(wù)器計(jì)算,。
飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）,，得到一次測(cè)距數(shù)據(jù)需要至少3次數(shù)據(jù)交互，得到一次定位數(shù)據(jù)需要至少9次數(shù)據(jù)交互,；標(biāo)簽和其他標(biāo)簽之間如果希望不沖突,，需要做好時(shí)間分配；理論上可以支持100個(gè)標(biāo)簽同時(shí)工作,，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn),，需要留出測(cè)距的保護(hù)時(shí)間，所以一個(gè)標(biāo)簽定位刷新率5赫茲的情況下,，同時(shí)工作的標(biāo)簽不會(huì)超過(guò)10個(gè),。
結(jié)論：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu)。
2.3可擴(kuò)展性（區(qū)域大?。?/strong>
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù),，以三角形或者四邊形為最小單位，同步方式可以做到主基站同步從基站,，而且主基站也可以同步其他主基站,，這樣只需要注意基站在現(xiàn)場(chǎng)布局形狀,，就可以做到無(wú)限基站的擴(kuò)展,；而且增加的基站不會(huì)對(duì)其他現(xiàn)有的基站造成任何影響。
飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）,，同樣可以做到無(wú)限擴(kuò)展區(qū)域,，但是因?yàn)樵摲椒y(cè)距過(guò)程的復(fù)雜性，因此需要現(xiàn)有基站的配合才可以使用,。
結(jié)論：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu),。
2.4物料成本
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù),，標(biāo)簽因?yàn)橹恍枰l(fā)射，不需要接收,，所以可以省掉接收和發(fā)送的無(wú)線切換開(kāi)關(guān)以及周邊的場(chǎng)效應(yīng)管等器件,；
飛行時(shí)間測(cè)距（ToF），標(biāo)簽發(fā)送和接收都需要,，因此成本要高一些,。
結(jié)論：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu)。
2.5定位精度
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)和飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）均可以達(dá)到<30厘米的精度,。
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)需要基站之間進(jìn)行同步,，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較依賴溫度的變化，如果基站使用的是普通晶振,，定位精度會(huì)差一些,；如果使用TCXO（溫補(bǔ)型晶振），定位精度跟飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）差別不大,。
結(jié)論：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)和飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）持平,。
2.6系統(tǒng)健壯
到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)，定位一次需要基站發(fā)射一次同步包,，標(biāo)簽發(fā)射一次定位包,，因此只是存在兩次的交互過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)定位。
飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）,，標(biāo)簽與單個(gè)基站需要3次數(shù)據(jù)交互,，定位一次需要至少三個(gè)基站交互，總共9次收發(fā)過(guò)程,，增加了測(cè)距的時(shí)間,，容易受到干擾，造成測(cè)距和定位的成功率會(huì)下降,。
結(jié)論：到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)更健壯,。
三、結(jié)論
總體來(lái)說(shuō),，到達(dá)時(shí)間差（TDoA）的方法會(huì)更優(yōu)于飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）,。但是飛行時(shí)間測(cè)距（ToF）由于測(cè)距流程簡(jiǎn)單，所以會(huì)相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易開(kāi)發(fā)一些,，對(duì)功耗和標(biāo)簽容量沒(méi)有要求的場(chǎng)景基本可以滿足,，例如實(shí)驗(yàn)室少量機(jī)器人的定位。
