TOF、TDOA、AOA定位

TOF

飛行時間法（Time of flight，TOF）是一種雙向測距技術(shù)，它通過測量UWB信號在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時間來計(jì)算距離。

基于TOF的定位方法測距不依賴基站與標(biāo)簽的時間同步，故沒有時鐘同步偏差帶來的誤差，但TOF測距方法的時間取決于時鐘精度，時鐘偏移會帶來誤差。為了減少時鐘偏移量造成的測距誤差，通常采用正反兩個方向的測量方法，即遠(yuǎn)端基站發(fā)送測距信息，標(biāo)簽接收測距信息并回復(fù)，然后再由標(biāo)簽發(fā)起測距信息，遠(yuǎn)端基站回復(fù)，通過求取飛行時間平均值，減少兩者之間的時間偏移，從而提高測距精度。

TOF類，在這個大類里，有人采用傳統(tǒng)單邊或者雙邊測量，也有人采用群發(fā)群收的共用模式提高容量。當(dāng)然這是模式和發(fā)包速率有關(guān)；這種傳統(tǒng)模式對于電池電量是一個苛刻的考驗(yàn)。大概精度0.1-0.3m，邊界可能0.3-0.6m。精度呈現(xiàn)一定的分布狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn)

o        算法簡單，可靠，相比TDOA而言，魯棒性強(qiáng)，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)

o        通過TWR，可以基本可以抵消時鐘精度的誤差，無需時鐘同步。精度較高

o        算法可以前置在各定位區(qū)域主基站，不同場景定義不同定位算法。使用靈活

o        可以實(shí)現(xiàn)全無線方式，即無線定位和無線通訊

o        采用定位算法前置，避免了集中定位引擎，系統(tǒng)可靠性高

缺點(diǎn)

o        相比TDOA，標(biāo)簽費(fèi)電，大致在5倍以上。需要類似集成加速度傳感器、BLE等技術(shù)實(shí)現(xiàn)非定位狀態(tài)下的低功耗。

o        系統(tǒng)容量小，TOF是采用分區(qū)定位策略，典型單個定位區(qū)域<200個標(biāo)簽，多數(shù)可以滿足應(yīng)用要求。TDOA如果采用分區(qū)無線同步，有類似同樣的限制。

o        采用TDM的通訊方式，帶寬有效利用率低，相比TDOA，定位延時大，對于實(shí)時要求高的定位需求，不建議采用。

o        嚴(yán)格的劃區(qū)部署，部署復(fù)雜度相比TDOA要高

TDOA

到達(dá)時間差（Time Differenceof Arrival，TDOA）是一種利用到達(dá)時間差進(jìn)行定位的方法又稱為雙曲線定位。TDOA算法并不是直接利用信號到達(dá)時間，而是利用多個基站接收到信號的時間差來確定移動目標(biāo)的位置。因此與TOA相比并不需要加入專門的時間戳來進(jìn)行時鐘同步，定位精度相對有所提高。

TDOA 是基于到達(dá)時間差定位，系統(tǒng)中需要有及準(zhǔn)確的時間同步功能。

時間同步有兩種，一種是通過有線做時間同步，有線時間同步可以控制在 0.1ns 以內(nèi)，同步精度非常高，由于采用有線， 所有設(shè)備要么采用中心網(wǎng)絡(luò)的方式，要么采用級聯(lián)的方式，但增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜度，也增加了施工的復(fù)雜度，成本升高。并且， 系統(tǒng)中還有一個專用的有線時間同步器，綜合價格比較昂貴。

另一種是通過無線做時間同步，采用無線同步一般可以達(dá)到 0.25ns，精度稍遜于有線時間同步，但其系統(tǒng)相對來說更為簡單。

TDOA類：利用標(biāo)簽廣播、基站同步接收的方式，高速、省電、容量大，成本也低。這種算法雖然好處多，但是總體精度低于tof（這是因?yàn)樗惴ㄔ跀_動環(huán)境中收斂有問題）。因此大概的精度0.3m，擾動情況下、邊界情況下，精度0.3-0.8甚至1.5m。

優(yōu)點(diǎn)

o        標(biāo)簽和基站交互少，標(biāo)簽省電，待機(jī)時間長

o        系統(tǒng)容量大，如果采用時鐘同步器的有線同步方式，理論上標(biāo)簽的數(shù)量可以超過6000個

o        增加基站，補(bǔ)定位盲點(diǎn)容易，系統(tǒng)擴(kuò)展容易

缺點(diǎn)：

o        需要基站之間做高精度時間同步、跨組定位算法復(fù)雜，采用有線同步需要時鐘同步器，實(shí)施復(fù)雜。采用無線時鐘同步，只能分區(qū)同步，帶來跨區(qū)以及標(biāo)簽數(shù)量限制等問題。

o        因?yàn)橥秸`差不可能消除，整體定位精度低于TOF，此外基站包絡(luò)線外精度低。

o        不支持定位算法前置基站，定位基站需要采用有線的方式連接到定位引擎服務(wù)器，不能采用無線通訊方式。

o        算法相比TDOA復(fù)雜，抗干擾和魯棒性相比TOF要差一些

適用場景

·                     TOF適合環(huán)境較為復(fù)雜的應(yīng)用場景，例如制造型工廠、電廠、化工廠、辦公樓等。

·                     TDOA適合環(huán)境空曠較為簡單的應(yīng)用場景，例如戶外運(yùn)動、倉庫等。

·                     TOF、TDOA選擇的參考依據(jù)可以從標(biāo)簽的續(xù)航能力、定位精度、單區(qū)域支持標(biāo)簽容量、安裝環(huán)境、標(biāo)簽是否支持反向數(shù)據(jù)控制（例如振動）等。

由于TDoA 是基于到達(dá)時間差，將到達(dá)時間差轉(zhuǎn)換為距離差之后，一般采用雙曲線算法，而雙曲線算法的局限性決定了在基站圍成的區(qū)域內(nèi)定位精度高，在區(qū)域外定位精度比較差。而類似電廠等環(huán)境復(fù)雜的場景，系統(tǒng)面臨建設(shè)的巨大難度，用TDoA 定位就很難滿足應(yīng)用的需求。這種模式下，可以采用ToF 定位

比較一下ToF 和TDoA兩種模式下的功耗，ToF 模式下，標(biāo)簽需要逐一和基站測距，需要多次測距，一般一輪測距下來，需要5ms 以上。TDoA 定位，標(biāo)簽只需要發(fā)送一個報(bào)文即可完成定位，一般從準(zhǔn)備到發(fā)送完成也在0.5ms 內(nèi)完成，其功耗顯著低于ToF模式。

在實(shí)際應(yīng)用中，有很多因素會影響精度，要想提高精度，需要在干擾的源頭上要有所控制?；景惭b的位置不能貼近大面積金屬，遠(yuǎn)離玻璃窗戶、玻璃墻壁、液體容器、日光燈、大型機(jī)械設(shè)備、高功率無線電裝置等。天線的安裝要與地面垂直。

其次，標(biāo)簽的佩戴方式。由于人體對UWB的信號具有很強(qiáng)的吸收力，所以標(biāo)簽貼近胸口會明顯影響精度。難以排除的多徑效應(yīng)，由于電磁波在空間傳播時會經(jīng)過一些金屬或其他介質(zhì)的反射，導(dǎo)致多徑效應(yīng)的不可避免。因此該部分對精度的影響只能通過后期對采樣的處理以及算法來彌補(bǔ)。