超宽带实时定位系统(RTLS)中的ToF和TDoA

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超宽带无线电技术使我们能够定位物体,无论是在室内还是在室外,它的精度为5-30厘米。我们的客户经常问我们一个关于超宽带的问题,特别是当他们熟悉这项技术时:为什么KIO实时定位系统使用飞行时间方法(ToF), 而不是到达时差方法(TDoA)。两者都有优点,也有缺点。简单地说,以下就是我们的思维过程。


KIO 实时定位系统的主要输出是精确的、实时的坐标。这些是基于三边计算,使用标签和基站(通常称为信标或卫星)之间的距离测量。与GPS类似,如果有至少四个参考点或基站,则可以计算标签的确切位置。

飞行时间方法和到达时差方法都依赖于测量无线电波在空中传播一段距离所需的时间。因为无线电波是以光速传播,所以很容易通过测量时间来计算出所需的距离。然而,实际上,要克服无线电波传播的不确定性以及每一次都要精确测量这些非常微小的时间间隙是一个非常大的挑战。


飞行时间和到达时差的区别在于我们实际测量的距离以及如何利用它们来计算标签的位置。

当使用飞行时间方法时,标签测量无线电信号从标签到基站并返回到标签的时间。然后,我们可以计算从标签到每个基站的距离。一旦我们有至少四个基站的距离,我们可以使用三边测量法来计算标签的X、Y和Z坐标。

当使用时间差到达方法时,标签发送数据包,有时称为“眨眼”。附近所有的基站都接收到了这条眨眼的消息,但并不响应回来这条信息。因为基站位于与标签不同的距离,所以消息不会在完全相同的时刻到达每个基站。这些基站之间的时间差是确定标签X、Y和Z坐标的多边计算的基础。这里的关键是所有基站必须同步工作;否则,结果将毫无意义。

这两种方法的特点转化为实时定位系统应用程序的实际优点和缺点

到达时间差(TDoA)需要额外的硬件 

如前所述,到达时差方法的基本先决条件之一是基站必须保持同步工作。我要着重强调的是,当我们测量无线电波传播的飞行时间时,同步必须是非常精确的。这可能是一个真正的挑战,因为基站通常彼此相距很远,而且同步信号的移动速度没有光速快。

这种精确的同步问题的解决方案在于特殊的硬件,这使得整个RTLS的配置更加昂贵。需要有特殊的时钟产生单元,以及大约20-40%的更昂贵的基站,需要能够提取和使用同步信号。总的来说,TDoA方法对RTLS的回收时间有直接的负面影响。

到达时差(TDoA)允许您跟踪更多的标签,也允许您更经常地追踪标签

飞行时间方法是基于标签和基站之间的双向通信,而到达时差方法使用的是单向通信:即标签发出信号,但不需要等待回复。这意味着有更多的时间来定位另外的标签,或者更频繁地定位现有的标签。若干应用(例如,应用在体育中)需要高密度的标签。在这里,到达时差相比飞行时间有更明显的优势。

到达时差使用的电池供电的标签续航时间更长

如前所述,飞行时间(ToF)是基于基站和标签之间的双向通信。这意味着标签需要多次发射和接收来自基站的信号。相比于在到达时差中只发射信号,这是一种耗电的定位方法。因此,使用飞行时间来测量需要用户更频繁地给电池充电。在大规模的应用中,每隔一周给数百个电池充电相当麻烦。

到达时差更难设置和维护 

为了最小化由于时钟同步引起的测量误差的风险,基站通常连接在有线系统中,这使得整个安装变得笨拙。使用基于TDOA的RTLS,每个安装需要在初始设置之后的特定校准。这个过程包括将参考标签固定到已知位置并运行特殊校准软件。重要的是要知道,任何基站,甚至电缆更换将触发一个新的校准的需要。

到目前为止,我们选择使用飞行时间而不是到达时差,因为飞行时间是一种更坚固的技术

到达时差有它自己的优势,它节省电源,并允许您跟踪更多的标签,但是,太有可能出现时间同步出错的问题了。在实际的应用中,系统需要提供有保证的准确性,结实性往往是最吸引人的特质。

 


insight SiP牌BLe模组:(可能是)全球最小尺寸;内置天线;室外无遮挡距离100米

过认证FCC(美国),CE(欧洲)

Bluetooth SIG(QDL),RoHS

IMOC

IC(加拿大),TELEC(日本)

iSP1302:采用Nordic的蓝牙芯片nRF51822第三代,尺寸8*8*1mm

iSP150701:采用Nordic的蓝牙芯片nRF52832,尺寸8*8*1mm

iSP130301:采用Nordic的蓝牙芯片nRF51822第三代;尺寸11*8*1.2mm



iSP1807: 采用Nordic的蓝牙芯片nRF52840,尺寸8.0*8.0*1.0mm,完整的蓝牙5 – 长距离堆栈

iSP4520: BLe+LoRa模块 (US/EU频率)

iSP1510: BLe+UwB模块(本案)


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