UWB測距原理

無線定位基本概念

無線定位：通過對無線電波的一些參數進行測量，根據特定的算法來判斷被測物體的位置。測量參數一般包括無線電波的傳輸時間、幅度、相位和到達角等。

基于三角關系定位技術：先要測量已知位置的參考點（A， B， C 三點）與被測物體之間的距離(R1， R2， R3)，然后利用三角知識計算被測物體的位置。
l ToF：基于電磁波到達時間，換算出距離采樣的定位模式
l TDoA:固定基站在精確同步的條件下，基于電磁波達到時間差，換算出距離差的定位模式
l 地圖服務器：在統一的坐標體系中，將（空間對象元素，位置信息）保存在后臺地圖數據庫中，并按照一定比例尺通過地圖界面統一展現。

定位精度：地圖上顯示的位置，與終端實際物理位置的偏差值。

定位時延：在地圖上顯示終端位置的實際刷新周期。

UWB技術

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是一種無線載波通信技術，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。

UWB技術具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，截獲能力低，定位精度高等優點，尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入。

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UWB特點

首先是超寬頻，其頻率覆蓋從3G~5G，6G~10G 共7G 的頻段，單信道帶寬超過500MHz。

其次是功率低，按FCC 等法規，其輸出功率被限制在-41dBm/MHz，按單個信道500MHz計算，其信道功率為-14.3dBm。

UWB頻域圖

再其次，超短脈沖，維持時間為零點幾納秒

UWB時域圖

工作頻段：

全球可用的頻段分布表如下
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各國UWB工作頻段

UWB信道劃分：

信道劃分中，有兩種信道，一種是500MHz 信道，另外一種為1GHz 信道，目前主要采用500MHz 信道。即信道1、2、3、5 這四個信道。

輸出功率和法規

FCC 的規定，最高不超過-41dBm/MHz.

FCC規范

中國的功率規定：

工作速率和靈敏度

DW1000 提供三種不同的工作速率，為110Kbps，850Kbps，6.8Mbps，在不同頻率和不同速率下，對應的靈敏度不同。

測試條件：25℃

丟包率：1%

頻率偏差: ±10%

UWB的發展

UWB測距原理

TOF

ToF傳感器使用微小的發射器發射紅外光或者激光，其中產生的光會從任何物體反彈并返回到傳感器。根據光的發射與被物體反射后返回傳感器之間的時間差，傳感器可以測量物體與傳感器之間的距離。

上圖所示為雙向測距過程：設備A作為測量距離的發起者發起測距請求，設備B作為響應者響應和偵聽設備A發起的無線電消息。A給B發送一個無線電消息并記錄它的發送時間戳t1，B收到信息后并在一個特定時時延treplyB 后發送一個回復給A，當A收到回復并記錄一個接受時間戳t2后，再經過一個特定的時延treplyA 發送一個無線電消息給B并記錄發送時間戳t3，最后B接收到信息并記錄時間戳t4。 由于往返時間皆已知，則可以得到：troundA= treplyB + 2TOF = t2 - t1 troundB = treplyA + 2TOF = t4 - t0

則信號的飛行時間為：TOF = (troundA - treplyA + troundB-treplyB）/4

注：radio message2 在troundA和troundB的計算中引入了兩次，所以最終計算飛行時間需要除以4 不是3.，有人會疑惑為什么要計算多次取平均值，首先任何定位都只能精確不能準確，都存在誤差的，且UWB 在傳播中也存在多路徑效應，反射和吸收，這些都會對精度產生一定影響，通過以上方法取平均值能使精度最大化。

UWB定位原理

ToF

AP1~AP3，分別指的是3個Anchor。

當Tag與3個Anchor完成測距后，就會有3個對應的距離值d1~d3。以Anchor為圓心，3個圓相交與1點即為Tag所在位置，這是一種理想模型。實際情況是，3個基站的距離在三維中實際是3個球相交。大多數情況，由于測距本身有誤差，所以3個球相交的是一個區域。算法要做的就是在這個區域范圍內取一個最接近標簽真實位置的解。

三點定位原理

TDoA

Master（主）基站發送sync（同步）報文，Slaver（從）基站接收并做同步處理。

Tag（標簽）發送poll報文，基站接收并記錄時間戳。

TDoA基站無線同步

AP1：記錄的poll到達時間為T1

AP2：記錄的poll到達時間為T2

AP3：記錄的poll到達時間為T3

由于AP1、AP2、AP3時間是同步的，所以

DT1=T1-T2，AP1與AP3之間的時間差DR1=C*（T1-T2），畫雙曲線1

DT2=T1-T3，AP1與AP2之間的時間差DR1=C*（T1-T3），畫雙曲線2

TDoA定位原理

【參考資料】
1、UWB 通信原理
2、無線測距定位原理
3、電子發燒友