📚 课程目录第3章 UWB定位原理

3. UWB定位原理

UWB（Ultra Wideband，超宽带）之所以能在室内达到厘米级定位精度，根本原因在于它使用纳秒级窄脉冲，具备极高的时间分辨率。围绕“时间”和“角度”这两个物理量，UWB衍生出TOA、TDOA、AOA、RSSI等不同的测量方法，再配合双边双向测距（DS-TWR）与到达时间差（TDOA）机制，构成完整的定位解算链路。本节从测距物理量出发，逐层拆解这些方法的原理、差异与适用场景。

一、四种基础测距/测角方法

UWB定位的第一步，是把无线电信号的传播特征转换成距离或角度。不同方法利用的物理量不同，对时钟同步、硬件天线阵列的要求也完全不同。

TOA（Time of Arrival，到达时间）：测量信号从标签到基站的单程飞行时间，乘以光速得到距离。它要求标签与基站之间严格时钟同步，否则1纳秒误差就对应约30厘米距离误差。
TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）：测量同一标签信号到达多个基站的时间差，利用双曲线交汇定位。它只要求基站之间同步，标签无需与基站同步，因此更适合大规模标签场景。
AOA（Angle of Arrival，到达角）：通过基站上的天线阵列测量信号入射角，结合距离或两个角度即可定位。AOA对天线阵列和相位校准要求高，但可减少所需基站数量。
RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度）：根据信号衰减模型估算距离。实现简单、成本低，但受多径、遮挡、人体影响极大，在室内UWB中通常只作为辅助或粗筛手段。

核心结论：TOA/TDOA 依赖“时间”，精度高但同步要求高；AOA 依赖“角度”，可减少基站但硬件复杂；RSSI 依赖“能量”，成本低但精度最差。UWB主流高精度方案集中在 TOA 与 TDOA。

二、双边双向测距（DS-TWR）机制

单程TOA需要标签与基站时钟严格同步，工程上很难做到。双边双向测距（Double-Sided Two-Way Ranging，DS-TWR）通过两次往返测量，把双方时钟偏差抵消掉，从而在不要求全局同步的前提下得到高精度距离。

其基本过程是：设备A先发送Poll，设备B回复Resp，设备A再发送Final，设备B记录各时间戳。设A的发送与接收时间差为 t_round1、t_round2，B的回复处理时间为 t_reply1、t_reply2，则飞行时间可由下式估算：

ToF = (t_round1 * t_round2 - t_reply1 * t_reply2)
      / (t_round1 + t_round2 + t_reply1 + t_reply2)

距离 d = ToF × c   （c ≈ 3×10^8 m/s）

由于公式中同时包含双方的时间差，时钟频率偏差被大幅抵消，DS-TWR成为UWB测距中最常用的稳健方法。实际产品中还会加入天线延迟校准值 antenna_delay，否则测距会存在固定偏移。

实操提示：DS-TWR 的测距周期通常为几毫秒到几十毫秒。周期越短，刷新率越高，但信道占用和功耗也越大；在无人机编队中需在刷新率与标签容量之间折中。

三、TDOA定位机制

TDOA不直接测距，而是测量标签信号到达不同基站的时间差。以两个基站为例，时间差乘以光速得到距离差，标签必位于以这两个基站为焦点的双曲线上；多个基站对形成多条双曲线，其交点即为标签位置。

TDOA的关键前提是基站之间高精度同步。常见做法是使用有线时钟同步、无线同步或GPS/北斗授时。标签只需单向发送一次信号，因此支持大量标签并发，非常适合无人机集群、人员物资管理等场景。

与TOA相比，TDOA把同步压力从“标签—基站”转移到“基站—基站”，基站通常固定且可布线，因此工程上更易实现。但TDOA对基站几何布局敏感，基站共线或夹角过小会导致定位精度急剧下降。

四、方法对比与选型清单

方法	测量物理量	同步要求	典型精度	适用场景
TOA	单程飞行时间	标签与基站严格同步	厘米级	点对点高精度测距
TDOA	到达时间差	基站之间同步	厘米级	多标签、大范围定位
AOA	信号入射角	天线阵列校准	分米级	基站数量受限场景
RSSI	信号强度	无需同步	米级	粗定位、辅助判断
DS-TWR	双向飞行时间	无需全局同步	厘米级	测距、无人机避障

五、案例：无人机室内定位链路

以无人机室内悬停为例，机载UWB标签周期性发送测距帧，与四个以上基站完成DS-TWR测距，得到标签到各基站的距离；同时基站网络通过TDOA测量到达时间差。定位引擎将距离观测与TDOA观测融合，输出无人机三维坐标，再送入飞控进行位置闭环。

若仅用RSSI，无人机在靠近墙面或人员走动时会出现明显跳变；若仅用AOA，天线阵列受机身遮挡影响较大。因此实际系统常采用“DS-TWR测距 + TDOA定位”的组合，兼顾精度与容量。

常见误区：把TDOA当成“不需要同步”。TDOA只是不需要标签与基站同步，基站之间的同步误差会直接转化为定位误差。基站同步偏差1纳秒，距离差误差约30厘米，必须通过有线或高精度无线同步解决。

六、复盘与调优要点

先确认同步方式：TOA/DS-TWR关注标签与基站时钟，TDOA关注基站间时钟。
校准天线延迟：每个基站和标签的 antenna_delay 必须实测标定，否则存在固定测距偏移。
检查基站几何：避免所有基站共线或高度过于接近，保证双曲线交会角度良好。
控制多径：室内金属、玻璃反射会引入超前到达的多径分量，需用首径检测算法抑制。
合理设置刷新率：无人机高速运动时，测距周期过长会导致位置滞后，需提高刷新率或引入预测滤波。