UWB定位的3种算法：TWRTOA和TDOA算法
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了UWB定位的3种算法：TWRTOA和TDOA算法相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
UWB定位的3种算法：TWR、TOA和TDOA算法
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UWB定位技术
UWB 定位原理和卫星导航定位原理相类似，由多个定位基站和定位标签组成。定位基站位置已知，定位标签由人员携带或安装在移动的设备上。标签按照一定的频率向外发射脉冲信号与已知位置的定位基站进行通信，通过飞行时间法测得定位标签与每个定位基站的距离，最后将测得的距离数据计算得到定位标签的位置。
一、TER定位算法
UWB 的 TWR（双向测距法）定位算法利用标签和基站之间的往返飞行时间（TOF）计算标签到基站之间的距离，最后通过三边定位算法计算标签的位置。这种方法需要标签和基站同时具备发送和接收信号的能力，在测量中既要接收信号，也要发送信号，通过计算各自发送和接收消息的时间间隔，从而实现标签和基站之间距离的测量。UWB 双向测距法分为单边双向测距法（SS-TWR）和双边双向测距法（DS-TWR）。
Tround ——基站发送消息到标签和接收到回复消息的时间间隔；
Treply ——标签接收到基站消息和发送回复消息的延时；
Tprop ——消息在基站和标签之间的飞行时间。
单边双向测量法测量流程为：基站首先发送消息给标签，并记录此时的时间戳，标签接收到设备发送的消息后记录此时标签的时间戳，然后延时Treply，发送回复消息给基站，并记录下发送的时间戳，基站收到消息后记录接收的时间戳。通过基站和标签各自的发送、接收消息的时间戳，计算出时间间隔，从而得到往返飞行时间的平均值。基站与标签之间的飞行时间为：
由于Tround和Treply都是基于基站和标签自身的时钟计算得到的，本地时钟误差能够抵消，但是基站和标签之间存在微小的时钟偏移，假设基站和标签的时钟偏移分别为eA 和eB ,因此得到飞行时间会随着Treply
的增加而增加。式(2.2)为单边双向测距法产生的飞行时间误差： 
消息飞行时间Treply包括基站装载数据、发送数据的时间以及标签接收到基站发送的消息的时间。Tr
eply越小，测量得到的距离越准确。
由单边双向测距法得到基站和标签之间距离后，可以通过三边定位算法确定标签的位置。三边定位算法至少需要三个基站才能确定标签的位置。其原理是：三个基站和一个标签位于同一平面，且三个基站不共线。 以三个基站坐标为圆心，三个基站到标签的距离为半径画出三个相交的圆，其交点即为标签的坐标。 
计算标签位置的公式：
二、 TOA定位算法
TOA（到达时间法）定位算法通过分别测量标签到是三个或者更多基站之间的飞行时间，然后通过三边定位算法进行定位。TOA 法的原理和上述双边测距法原理类似，但是 TOA 定位法要求所有的标签和基站保持时间同步，因此不需要像双边双向测距法采用多次往返时间测量标签和基站之间飞行时间，而是采用测量单次飞行时间的方式，减少了测量所花费的时间。
假设飞行速度为 c ，采用三个基站一个标签的方式对标签进行定位，其计算公式如下： 
三、 TDOA定位算法
TDOA 定位算法通过测量两个不同基站与标签之间的传输时间差进行定位。由于一组双曲线无法确定标签的位置，因此至少需要三个基站才能够对标签进行定位。
TDOA 定位算法下标签位置的计算公式：
各基站之间的时间差可以由式计算：
虽然和 TOA 算法相比，TDOA 减少了基站和标签之间的同步，但是由于基站和标签内部的噪声以及外部干扰影响，可能会导致无法确认标签的位置。因此采用最小二乘法进行求解：
展开可得：
化简：
令K1=x12+y12,K2=x22+y22,K3=x32+y32。
矩阵转换：
UWB高精度定位最优方式：全无线方式部署UWB定位系统
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UWB定位系统主流都是采用POE有线网路的方式
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UWB定位系统主流都是采用部署中心定位引擎和解算层
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UWB定位系统主流都是采用TDOA三角定位算法
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主流的不一定合理，恰恰这三点成为UWB定位解决方案的落地瓶颈
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很多现实场景应用，尤其是工业环境，根本不可能采用有线网络的方式。另外，由于涉及工业环境复杂性，以及WIFI通讯距离的局限性，WIFI也没有办法被采纳。相比较而言，4G/CAT-1的运营商物联网无线通讯方式和LoRA窄带无线物联网远距离（3-10公里）更适合。我们最近接触的两个场景应用：
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一个是宝钢的码头车辆定位应用场景，没有办法采用有线网络方式，通讯距离也比较远2-3公里区域，宝钢自建的4G网络信号没有覆盖，也不希望数据走到运营商4G网络，同时要求位置数据和本地机房的生产自动化系统SOCKET对接，我们推荐了LoRA通讯方式实现定位基站远距离无线通讯。我司基站本身支持LoRA通讯方式。
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另一个是机场车辆定位需求，同样是没有办法采用有线网络方式，通讯距离也比较远2-3公里区域，也不希望数据走到运营商4G网络，推荐采用了LoRA通讯方式实现定位基站远距离无线通讯。采用14dB的LoRA天线，可以实现3-10公里的数据通讯。
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此外，我们最近配合一个铁路的合作伙伴的铁路项目，同样是没有办法采用有线网络方式，明确表示基站必须采用4G的方式，接入铁路4G专网。
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去年还配合一个二手车门店的项目，由于存在很多门面，首先用户不希望在每个门店部署服务器（维护困难），同时希望采用4G/CAT-1物联网的基于云端的数据通讯方式。
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定位基站采用无线数据通讯方式，将极大方便系统部署，大大减少实施成本，带来的好处是显而易见的。
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去中心化，抛弃中心定位引擎的优势也同样是此然的
可能还有些同行不认同，给出的理由是：中心定位引擎可以不受基站硬件性能所限制，可以支持更多标签和基站，系统容量易扩展。
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事实是怎样的呢？
首先任何定位算法都是基于一个基站或者相邻的几个基站和区域内标签的数据通讯，来实现标签的定位。所以就算中心收到成百上千的基站数据，但是参与到一个标签的位置解算只是标签附近的基站数据，其他基站的数据没有用。这也就解释了不会出现把定位解算前置基站会产生基站容量受限的局限性。此外，一个系统可以支持成千上万的标签，但是对应定位基站而言处理的还是基站附近的标签，是基站附近有限的标签，和整个系统容量的标签数无关。
采用定位算法前置基站的分布式RTLS定位系统，系统的扩展能力比中心化RTLS系统更强，更稳定，也更有优势。
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最后我们看一下工业物联网的技术标准规范omlox框架：
Omlox面向的包括RFID、GPS和UWB在内的所有位置技术；RFID和GPS是没有中心定位引擎的，针对UWB的定位引擎在框架结构中已经被放置在和基站同层面的。通过标准的Omlox HUB API接口将位置数据发给Omlox HUB。-还在坚持定位引擎中心化的解决方案厂家要留意了，友情提醒；
其实不合理的东西就应该放弃，不管它已经存在了多久。连稀土都可以被电动发动机所抛弃，更何况小小的定位引擎。（稀土加工是一个重污染的行业，淘汰是有意义的）
从认识和解决这三个方面问题，我司RTLS解决方案走出了全新的技术路线。欢迎合作伙伴了解和关注。
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我司定位系统除了POE有线网路方式，同时支持4G/CAT-1、LoRA和WiFI的无线数据通讯方式
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抛弃了中心定位引擎，定位算法前置基站的分布式RTLS定位系统，系统的扩展能力比中心化RTLS系统更强，更稳定，也更有优势
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采用场景定位+坐标定位方式而非单一的坐标定位的方式，环境适应性和落地性更强。
UWB基站&标签：
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以上是关于UWB定位的3种算法：TWRTOA和TDOA算法的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章