射频原理

超宽带是一种通信技术，可以让您以10-30厘米的高精度定位人或物体。使用超宽带时主要有两种定位技术：到达时间差（TDOA）和飞行时间（TOF）。  

飞行时间 (TOF)

TOF是一种基于双向测距的定位方法。这意味着标签需要多次发送和接收锚点的信号，然后才能测量锚点和标签之间信号的飞行时间，因为无线电波以光速传播，我们可以计算出锚点和标签之间的距离。标签和每个锚点。

TOF通信流程

Tag发送轮询数据包并记录时间戳，记为Tsp（Time start poll）。Anchor接收轮询数据包并记录Trp（Time receive poll）。Anchor 花费一些时间接收信号并生成响应数据包，该数据包命名为 Trsp。Anchor发送Response消息，并记录Tsr(响应起始时间)。Tag接收Response消息，并记录Trr（接收响应时间）。标签花费时间接收信号并生成最终消息，该消息被命名为Trsp。Tag发送Final消息，并记录Tsf（Time start Final）。Anchor收到Final消息，记录Trf（Time receive Final）。

ToF计算公式：

经过上述过程，Anchor就会知道所有的时间戳信息，包括：Tsp、Trp、Tsr、Trr、Tsf、Trf。错误的公式：R={(Trp-Tsp)+(Trr-Tsr)+(Trf-Tsf)}/3。由于Tag和Anchor的时间不同步，因此无法减去各自记录的时间戳。

右式：R={(Trr-Tsp)-(Tsr-Trp)+(Trf-Tsr)-(Tsf-Trr)}/4。Tsr-Trp=Trsp，Tsf-Trr=Trsp。

采用TOF方法，uwb标签应该完成与每个锚点的测距。AP1~AP3，代表3个Anchor。tag和3个Anchor完成测距后，就会有3个对应的距离，即d1~d3。以每个 Anchor 为圆心，以 d1~d3 为半径绘制三个圆。三个圆相交于一点，这是标签的理想位置。

在一维模式下，如果我们有两个锚点进行测距，就可以得到标签的位置。对于二维模式，可能需要三个锚点，如果要获取标签的 X、Y、Z 坐标，则需要准备四个锚点。锚点。

到达时差 (Tdoa)

TDOA是基于比较信号与每个锚点之间的时间差进行定位，该技术需要精确的时间同步功能。当使用TDOA方法时，UWB标签将发出轮询消息，所有附近的UWB锚点都会接收该消息并记录到达情况因为主播的位置不同，所以主播不会同时收到消息。我们可以利用这些时间差来确定标签的位置。

TDoA通信流程

Tag发送轮询消息，锚点接收并记录时间戳。主锚发送同步消息，从锚接收并进行同步处理。

TDoA计算公式：

AP1：记录轮询到达时间为T1

AP2：记录轮询到达时间为T2

AP3：记录轮询到达时间为T3

AP1~AP3 指的是三个锚点。由于AP1、AP2、AP3的时间是同步的，所以

DT1=T1-T2；AP1和AP3之间的距离为DR1=C*(T1-T2)，则绘制双曲线

DT2=T1-T3；AP1和AP2之间的距离为DR1=C*(T1-T3)，然后画一条双曲线

当标签与三个锚点完成通信后，就会有对应的三个不同的到达时间（T1~T3），然后我们计算时间差，就可以算出信号源到每个锚点的距离差。由于Tag与AP1、AP2的距离差是一个常数，所以我们可以画一条双曲线。在任意两组anchor中，两个双曲线点的交点就是Tag的位置。

此方法的关键点是保持所有锚点同步。时间同步有有线和无线两种方式，前者同步精度较高，但由于有线连接，网络维护复杂。另一种是无线同步，精度比有线时间同步稍差，但系统简单，可以通过WiFi传输数据，将大大降低总成本。

当时间同步完成后，标签发送广播消息，所有主播将收到该消息的时间戳发送给服务器，服务器计算出标签的位置。

比较

选择定位方法时应考虑的因素

1、系统容量  

ToF方法基于标签与每个锚点之间的双向测距，UWB标签在每双向测距期间需要多次发送和接收锚点信号，而TDOA方法中标签只需要发送一条广播消息并完成定位，因此TDOA系统容量较高，可能定位1500个标签。

2、功耗 

由于锚点一般采用交流电供电，而标签采用电池供电。TOF要求UWB标签与每个锚点完成测距，并且每次测距期间必须多次发送和接收信号，这会降低电池寿命。TDoA定位，标签只需发送一条广播消息，从准备到发送可在0.5ms内完成，且电池寿命更长。

三、环境要求

TDoA基于到达时间差，一般采用双曲线算法来计算位置。在锚点包围的区域内定位精度较高，但在区域外定位精度较差。因此，当标签位于外围时，我们必须使用TOF锚的。另外，电厂等复杂的环境场景，由于系统建设难度大，TDoA定位很难满足项目需求，在这种模式下，ToF定位可以更好。

问答

1、TWR可以应用在哪些地方？ 

TWR可应用于环境复杂的场所，如制造工厂、发电厂、化工厂、办公楼等。

2. TDoA可以应用在哪些地方？ 

TDoA可以应用于环境相对空旷的场所，如户外运动、仓库等。

3. 如何选择TWR或TDoA？

取决于：Tag的续航能力、定位精度、单区域Tag容量、安装环境、Tag是否支持反向数据控制（如振动）等。 

笔记：

UWB定位系统同时支持TDoA和ToF两种定位方式。同一套UWB系统让您体验两种不同的定位方式。