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超寬頻（UWB）定位方法簡介
超寬頻是一種短距離的無線通訊技術，但是同時它也可以應用在室內定位當中，跟藍芽和WIFI定位方法不同，位置資訊並不是基於訊號強度（RSSI）進行計算，而是透過無線訊號的飛行時間（ToF）計算的。訊號飛行的速度是光速（固定值），所以只要知道飛行時間就可以計算出兩個裝置的距離。
超寬頻技術分為兩種定位方法：到達時間差（TDoA）和飛行時間測距（ToF）。
超寬頻裝置分為兩種角色：標籤Tag和基站Anchor；例如在人員定位場景，每個人會佩戴有一個標籤，基站會分佈在被定位區域的多個位置。
圖 1‑1 定位系統示意圖
飛行時間測距（ToF）
標籤和基站之間會透過無線收發至少3次互動之後，可以得到標籤和基站之間的距離資訊。
以下圖中最常用的3訊息雙向測距方法為例，標籤和基站的測距流程如下圖所看到，標籤可以看做裝置A（Device A），基站可以看做裝置B（Device B），裝置A主動發起第一次測距訊息，裝置B響應，得到4個時間戳，裝置A等待Treply2之後再發起，裝置B接收，再得到2個時間戳。因此可以得到如下四個時間差：
Tround1
Treply1
Tround2
Treply2
飛行時間計算方法，可以使用如下公式計算：
最後乘以光速就可以得到裝置A和B之間的距離。圖1-2是得到各個基站的距離之後，標籤定位的過程。
標籤和各個基站無線訊號的互動如下圖所示：
圖 1‑2 標籤與各個基站測距TOF流程圖
圖1-3是根據到各個基站的測距資訊，以基站為中心畫圓，就可以得到一個交點，交點就是標籤的位置。
圖 1‑3 雙向測距方法定位流程圖
到達時間差（TDoA）
到達時間差（TDoA）技術，分為有線同步和無線同步，由於有線同步技術對佈線和網路的要求較高，成本比較高，因此一般會採用無線同步技術，本文介紹的到達時間差（TDoA）技術都是基於無線同步。
標籤將資料包傳送到被基站覆蓋的區域內，附近的所有基站都會收到標籤的無線訊號，但不會返回任何無線訊號。由於基站與標籤的距離間隔不同，因此訊息在不同的時刻到達每個基站。這些時間差乘以空間中恆定的光速得到標籤和基站之間的距離差，這樣就可以形成多點定位計算的基礎，從而確定標籤的相對座標。另外該技術的決定性因素是所有基站必須被同步。
基站之間同步和標籤定位的無線資料包如下圖所示：
圖 1‑4 基站同步和標籤發射定位流程圖
得到各個基站的距離差之後，可以畫雙曲線，同理交點就是標籤的位置。
圖 1‑5 到達時間差方法定位流程圖
優缺點比較
電池壽命
到達時間差（TDoA）技術，標籤定位一次只需要傳送一次資料，傳送一次所用的時間<200us，從而可以將電池的壽命延長數年。
飛行時間測距（ToF），標籤必須發射和接收，定位一次需要跟至少三個基站實現測距，需要實現至少9次的資料互動，所以功耗會大大降低。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
可伸縮性（系統容量）
到達時間差（TDoA）技術，分為上行TdoA和下行TDoA。
（1）上行TDoA，標籤只需要發射一次，按照有效資料12個位元組計算，發射時間<151us，所以理論上容量可以達到單區域同時定位6622個標籤，但是根據ALOHA理論，保證儘可能小的衝撞情況下，只能18%的標籤同時工作，也就是6622*18% = 1192個標籤可以正常工作。
（2）下行TDoA，標籤不需要發射，只需要接收，標籤容量可以做到無限，但是標籤功耗會大，而且所有的資料在標籤彙集，需要標籤自身解算或者傳送到伺服器計算。
飛行時間測距（ToF），得到一次測距資料需要至少3次資料互動，得到一次定位資料需要至少9次資料互動；標籤和其他標籤之間如果希望不衝突，需要做好時間分配；理論上可以支援100個標籤同時工作，但是根據經驗，需要留出測距的保護時間，所以一個標籤定位重新整理率5赫茲的情況下，同時工作的標籤不會超過10個。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
可擴充套件性（區域大小）
到達時間差（TDoA）技術，以三角形或者四邊形為最小單位，同步方式可以做到主基站同步從基站，而且主基站也可以同步其他主基站，這樣只需要注意基站在現場佈局形狀，就可以做到無限基站的擴充套件；而且增加的基站不會對其他現有的基站造成任何影響。
飛行時間測距（ToF），同樣可以做到無限擴充套件區域，但是因為該方法測距過程的複雜性，因此需要現有基站的配合才可以使用。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
物料成本
到達時間差（TDoA）技術，標籤因為只需要發射，不需要接收，所以可以省掉接收和傳送的無線切換開關以及周邊的場效電晶體等器件；
飛行時間測距（ToF），標籤傳送和接收都需要，因此成本要高一些。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
定位精度
到達時間差（TDoA）技術和飛行時間測距（ToF）均可以達到<30釐米的精度。
到達時間差（TDoA）技術需要基站之間進行同步，相對來說比較依賴溫度的變化，如果基站使用的是普通晶振，定位精度會差一些；如果使用TCXO（溫補型晶振），定位精度跟飛行時間測距（ToF）差別不大。
結論：到達時間差（TDoA）技術和飛行時間測距（ToF）持平。
系統健壯
到達時間差（TDoA）技術，定位一次需要基站發射一次同步包，標籤發射一次定位包，因此只是存在兩次的互動過程即可實現定位。
飛行時間測距（ToF），標籤與單個基站需要3次資料互動，定位一次需要至少三個基站互動，總共9次收發過程，增加了測距的時間，容易受到干擾，造成測距和定位的成功率會下降。
結論：到達時間差（TDoA）技術更健壯。
結論
總體來說，到達時間差（TDoA）的方法會更優於飛行時間測距（ToF）。但是飛行時間測距（ToF）由於測距流程簡單，所以會相對來說更容易開發一些，對功耗和標籤容量沒有要求的場景基本可以滿足，例如實驗室少量機器人的定位。
