uwb测距原理：TWR双向测距一文详细介绍！
发布日期：2023-08-09 浏览次数：461次

UWB测距主要指的是TWR双向测距。TWR是Two Way Ranging的英文缩写，意指双向测距。简单说：TWR测距就是uwb测距模块来回发送超宽带脉冲信号，通过计算出脉冲信号在两个uwb模块之间的飞行时间T，从而确定飞行距离S。

UWB测距原理

UWB测距主要采用双向测距(Two-way Ranging)方法，以下所有的方法都包括两个节点：uwb设备A和uwb设备B（uwb设备可以是uwb模块，或者uwb标签，uwb基站），默认uwb设备A是测距的发起者，uwb设备B是响应者。

TWR双向测距主要分为以下两种方法：

1、单边TWR双向测距(Single-sided Two-way Ranging)

2、双边TWR双向测距(Double-sided Two-way Ranging)

一、单边TWR双向测距(Single-sided Two-way Ranging)

单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)，单侧双向测距（SS-TWR）是对单个往返消息时间上的简单测量，uwb设备A主动发送数据到uwb设备B，uwb设备B返回数据响应uwb设备A。

图1：单边双向测距

测距流程：uwb设备A（Device A）主动发送（TX）数据，同时记录发送时间戳，uwb设备B（Device B）接收到之后记录接收时间戳；延时Treply之后，uwb设备B发送数据，同时记录发送时间戳，uwb设备A接收数据，同时记录接收时间戳。

所以可以拿到两个时间差数据，uwb设备A的时间差Tround和uwb设备B的时间差Treply，最终得到无线信号的飞行时间Tprop如下：

两个差值时间都是基于本地的时钟计算得到的，本地时钟误差可以抵消。但是不同uwb设备之间会存在微小的时钟偏移，假设uwb设备A和B的时钟偏移分别为eA和eB，因此得到的飞行时间会随着Treply的增加而增加，测距误差的方程如下：

Treply越小，uwb测距越准确。另外Treply不仅仅是uwb设备B接收到发送的时间，也包括装载数据和发送数据耗费的时间（UWB除了支持测距和定位之外，也可以传输数据，标准可以装载128字节，扩展模式可以装载1024字节数据。这里我们主要讲uwb测距）。

典型的误差关系如下表格所示：（1ns约等于30cm距离误差）

可以看出，随着Treply和时钟偏移的增加，会增加飞行时间的误差，从而使得uwb测距不准确。 因此单边uwb双向测距（SS-TWR）并不常用，但对于特定的应用，如果对于测距精度要求不是很高，但是需要更短的测距时间时，可以采用。

二、双边TWR双向测距（Double-sided Two-way Ranging）

双边TWR双向测距（Double-sided Two-way Ranging）是单边双向测距的一种扩展测距方法，记录了两个往返的时间戳，最后得到飞行时间。虽然增加了响应的时间，但会降低测距误差。

双边双向测距根据发送消息个数不同，分为两种方法：

4消息方式（4 messages）

3消息方式（3 messages）

（一）双边uwb双向测距4消息方式

分为两次测距，uwb设备A主动发起第一次测距消息，uwb设备B响应，得到4个时间戳；然后过了一段时间，uwb设备B主动发起测距，uwb设备A响应，同样得到4个不同的时间戳。最终可以得到如下四个时间差：

Tround1，Treply1；

Tround2，Treply2；

 图2：双边TWR双向测距4消息方式

（二）双边双向测距3消息方式

相比较于4消息方式，省掉了第二次测距的发起动作，当uwb设备A收到数据之后，立刻返回数据，最终也可以得到如下四个时间差：

Tround1，Treply1；

Tround2，Treply2；

图3：双边TWR双向测距3消息方式

三、双边双向TWR测距——飞行时间计算方法

飞行时间计算方法，无论是4消息方式或者3消息方式，都可以使用如下公式计算：

四、双边双向测距飞行时间误差分析

以上uwb测距的机制都是非对称的测距方法，因为他们对于响应时间不要求是相同的。使用双边TWR双向测距4消息方式和双边TWR双向测距3消息方式的方法测距，即便使用20ppm的晶体，时钟误差也是在ps级别的。

误差公式如下：

uwb设备A以需要的频率Ka运行，uwb设备B以需要的频率Kb运行，Ka和Kb都是接近于数值1的。

为了搞清楚这个错误值的大小，如果uwb设备A和B以比较差的晶振（20ppm误差）运行，例如uwb设备A慢20ppm，uwb设备B快20ppm，或者反过来，这样将会导致总的误差在40ppm。

这样Ka和Kb可能是0.99998或者1.00002，即使UWB的工作距离范围较大，例如100m，无线信号空中飞行时间大概333ns，因为误差为：20 x 10e-6 x 333 x 10e-9 = 6.7 x 10e-12 = 6.7ps，换算为距离之后也仅仅2.2mm。

注意：响应时间是不需要相等的，也及时Treply1不一定要等于Treply2，这样对于MCU系统的处理带来了很多便利。

主要的误差来源一定是接收数据的时间戳是否正确，而不是晶体的ppm值。

五、双边双向测距（响应时间对称）

比较特殊的例子，双边双向测距方法响应时间对称，也就是Treply1和Treply2相等，飞行时间计算方法如下：

这种方法只是需要一些时间戳做加减法，然后除以4就可以得到飞行时间，但是可能需要更多的时间。另外这种方法的难点在于，怎么保证Treply1和Treply2是相等的。

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六、uwb测距模块、uwb测距基站、uwb测距标签

uwb测距模块：SKU609、SKU620；

uwb测距基站：VDU2506；

uwb测距工牌：VDU1501R。

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