TOF、TDOA、AOA定位

TOF

飞行时间法（Time of flight，TOF）是一种双向测距技术，它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。

基于TOF的定位方法测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时钟偏移会带来误差。为了减少时钟偏移量造成的测距误差，通常采用正反两个方向的测量方法，即远端基站发送测距信息，标签接收测距信息并回复，然后再由标签发起测距信息，远端基站回复，通过求取飞行时间平均值，减少两者之间的时间偏移，从而提高测距精度。

TOF类，在这个大类里，有人采用传统单边或者双边测量，也有人采用群发群收的共用模式提高容量。当然这是模式和发包速率有关；这种传统模式对于电池电量是一个苛刻的考验。大概精度0.1-0.3m，边界可能0.3-0.6m。精度呈现一定的分布状态。

优点

o        算法简单，可靠，相比TDOA而言，鲁棒性强，抗环境干扰能力强

o        通过TWR，可以基本可以抵消时钟精度的误差，无需时钟同步。精度较高

o        算法可以前置在各定位区域主基站，不同场景定义不同定位算法。使用灵活

o        可以实现全无线方式，即无线定位和无线通讯

o        采用定位算法前置，避免了集中定位引擎，系统可靠性高

缺点

o        相比TDOA，标签费电，大致在5倍以上。需要类似集成加速度传感器、BLE等技术实现非定位状态下的低功耗。

o        系统容量小，TOF是采用分区定位策略，典型单个定位区域<200个标签，多数可以满足应用要求。TDOA如果采用分区无线同步，有类似同样的限制。

o        采用TDM的通讯方式，带宽有效利用率低，相比TDOA，定位延时大，对于实时要求高的定位需求，不建议采用。

o        严格的划区部署，部署复杂度相比TDOA要高

TDOA

到达时间差（Time Differenceof Arrival，TDOA）是一种利用到达时间差进行定位的方法又称为双曲线定位。TDOA算法并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。因此与TOA相比并不需要加入专门的时间戳来进行时钟同步，定位精度相对有所提高。

TDOA 是基于到达时间差定位，系统中需要有及准确的时间同步功能。

时间同步有两种，一种是通过有线做时间同步，有线时间同步可以控制在 0.1ns 以内，同步精度非常高，由于采用有线， 所有设备要么采用中心网络的方式，要么采用级联的方式，但增加了网络维护的复杂度，也增加了施工的复杂度，成本升高。并且， 系统中还有一个专用的有线时间同步器，综合价格比较昂贵。

另一种是通过无线做时间同步，采用无线同步一般可以达到 0.25ns，精度稍逊于有线时间同步，但其系统相对来说更为简单。

TDOA类：利用标签广播、基站同步接收的方式，高速、省电、容量大，成本也低。这种算法虽然好处多，但是总体精度低于tof（这是因为算法在扰动环境中收敛有问题）。因此大概的精度0.3m，扰动情况下、边界情况下，精度0.3-0.8甚至1.5m。

优点

o        标签和基站交互少，标签省电，待机时间长

o        系统容量大，如果采用时钟同步器的有线同步方式，理论上标签的数量可以超过6000个

o        增加基站，补定位盲点容易，系统扩展容易

缺点：

o        需要基站之间做高精度时间同步、跨组定位算法复杂，采用有线同步需要时钟同步器，实施复杂。采用无线时钟同步，只能分区同步，带来跨区以及标签数量限制等问题。

o        因为同步误差不可能消除，整体定位精度低于TOF，此外基站包络线外精度低。

o        不支持定位算法前置基站，定位基站需要采用有线的方式连接到定位引擎服务器，不能采用无线通讯方式。

o        算法相比TDOA复杂，抗干扰和鲁棒性相比TOF要差一些

适用场景

·                     TOF适合环境较为复杂的应用场景，例如制造型工厂、电厂、化工厂、办公楼等。

·                     TDOA适合环境空旷较为简单的应用场景，例如户外运动、仓库等。

·                     TOF、TDOA选择的参考依据可以从标签的续航能力、定位精度、单区域支持标签容量、安装环境、标签是否支持反向数据控制（例如振动）等。

由于TDoA 是基于到达时间差，将到达时间差转换为距离差之后，一般采用双曲线算法，而双曲线算法的局限性决定了在基站围成的区域内定位精度高，在区域外定位精度比较差。而类似电厂等环境复杂的场景，系统面临建设的巨大难度，用TDoA 定位就很难满足应用的需求。这种模式下，可以采用ToF 定位

比较一下ToF 和TDoA两种模式下的功耗，ToF 模式下，标签需要逐一和基站测距，需要多次测距，一般一轮测距下来，需要5ms 以上。TDoA 定位，标签只需要发送一个报文即可完成定位，一般从准备到发送完成也在0.5ms 内完成，其功耗显著低于ToF模式。

在实际应用中，有很多因素会影响精度，要想提高精度，需要在干扰的源头上要有所控制。基站安装的位置不能贴近大面积金属，远离玻璃窗户、玻璃墙壁、液体容器、日光灯、大型机械设备、高功率无线电装置等。天线的安装要与地面垂直。

其次，标签的佩戴方式。由于人体对UWB的信号具有很强的吸收力，所以标签贴近胸口会明显影响精度。难以排除的多径效应，由于电磁波在空间传播时会经过一些金属或其他介质的反射，导致多径效应的不可避免。因此该部分对精度的影响只能通过后期对采样的处理以及算法来弥补。