OP-DW1000-AoA-Basics
使用DW1000的到达角介绍
Version 1.0
文章目录
- OP-DW1000-AoA-Basics
- 1、INTRODUCTION – WHY USE AOA:（简介——为什么要使用AOA）
- 1.1 Overview（综述）
- 1.2 Fixed Infrastructure RTLS（固定基础设施RTL）
- 1.3 Peer to Peer relative Location（点对点相对位置）
- 2、AOA - THE FUNDAMENTALS :（AOA-基本原理）
- 2.1 Decawave’s phase difference based AoA（基于相位差的AoA）
- 2.2 Antenna design（天线设计）
- 3、FAQ ABOUT ANGLE OF ARRIVAL（关于到达角的常见问题解答）
- 4、APPENDIX（附录）
- 4.1 Time based AoA using Time difference of arrival (TDOA)（利用到达时差的基于时间的AoA (TDOA)）
- 4.2 Time based AoA using Time of Flight (Ranging)使用飞行时间（测距）的基于时间的AoA
1、INTRODUCTION – WHY USE AOA:（简介——为什么要使用AOA）
1.1 Overview（综述）
在典型的RTLS系统(“fixed infrastructure” or “peer to peer”)（“固定基础设施”或“对等”）中，到达时差（TDoA）或飞行时间（ToF）用于计算物体的位置。通过使用到达角，可以减少计算对象位置所需的节点数，因为我们现在有了节点之间的方位 (角度)。现在，一个锚可以通过使用距离和方位信息准确定位对象。
1.2 Fixed Infrastructure RTLS（固定基础设施RTL）
有两种基本的方法可以获得位置解决方案：
1、TDoA，我们处理从标签传输到一组同步锚（至少4个）的到达时差。
2、双向测距（TWR），基于ToF，我们处理从一个标签到多个锚（至少3个）的范围。
在这两种情况下，我们可以在锚中使用AoA，通过减少所需的锚数量来简化基础设施，或者在计算标签位置时使用AoA作为附加信息（例如，我们可以使用AoA来确定标签的高度）
1.3 Peer to Peer relative Location（点对点相对位置）
这里没有固定的基础设施，我们希望解决节点之间的相对位置问题。在双节点系统中，主节点具有AoA功能，而从节点（标签）仅限于主节点。这样，系统现在就有足够的信息来计算主设备和从设备之间的距离和方位。
图1：使用TWR和AoA的两节点系统中的距离和方位
stdev：标准差
Master Node：主节点
如果我们有两个以上的节点，那么我们可以使用范围信息来精确测量每个标记之间的距离，并使用该范围数据来确定每个标记的相对位置。然后，主控使用所有标记的平均角度将形状旋转到正确的角度。
图2：使用TWR和AoA的多节点相对位置
Angle to each node relative to the master：相对于主节点到每个节点的角度
2、AOA - THE FUNDAMENTALS :（AOA-基本原理）
在使用基于DW1000的解决方案时，有三种可能的方法来估计到达角（AoA）。
1、基于到达的相位差AoA（PDoA），其中接收载波的相位用于估计角度。
2、基于到达时差的AoA（TDoA），其中接收时间戳中的增量用于估计角度。附录对此进行了详细描述。
3、基于AoA（ToF）的飞行时间，其中所有单位之间的范围用于估计角度。附录对此进行了详细描述。
每种方法之间的主要差异总结如下：
应该注意的是，对于所有这些方法，测量角度将有两个解决方案，一个在前180度半圆，一个在后180度半圆。有办法消除这种模糊性，但这超出了本文件的范围。
2.1 Decawave’s phase difference based AoA（基于相位差的AoA）
图3：使用相位差（PDoA）的到达角
好处：
1、精度最高，角度的标准偏差可能小于7度。
2、天线之间的间距较小，因此该解决方案可用于较小的产品。
3、如果间距小于½波长，天线间距具有一定的灵活性。
实施要求：
1、需要节点中天线的½波长间距 (or less *)（或小于），这相当于通道5的2.3厘米，通道2的3.8厘米。
2、需要对节点中的每个单元（DW1000）进行同步参考时钟。
*：最佳间距仅小于½波长，这可以进一步减小，但这将导致AoA标准偏差增加。
2.2 Antenna design（天线设计）
理想情况下，½波长天线应成对设计，因为它们将在彼此的近场中工作。Decawave设计了紧凑的平面AoA天线，可以集成到客户的PCB中。
3、FAQ ABOUT ANGLE OF ARRIVAL（关于到达角的常见问题解答）
耗电量？
对于需要两个DW1000 IC的主/锚节点，RX模式下的电流消耗将等于两个DW1000。TX模式下的电流消耗将与单个DW1000相同。
对于标签节点，仅使用一个DW1000，功耗将符合数据表。PDoA中的相位信息是从现有的测距帧计算出来的，因此标签没有额外的功耗。
我所有的节点都需要2根天线/DW1000吗？
否，只有用作AoA估计主/锚参考的节点需要多个DW1000和天线。所有其他节点都可以是小型单天线、低功耗标签。
使用PDoA是否会影响测距距离或测距精度？
不，测距性能与单个DW1000相同。
测量角度的准确度：
使用PDoA，我们可以在测量角度中实现<7度的标准偏差。如果节点有额外的传感器（IMU），则该数据可用于AoA信息的任何后期过滤 (e.g. longer averaging for static nodes)（例如，静态节点更长的平均值）。
4、APPENDIX（附录）
4.1 Time based AoA using Time difference of arrival (TDOA)（利用到达时差的基于时间的AoA (TDOA)）
图4：使用TDoA的到达角
好处：
1、天线间距的灵活性
实施要求：
1、“节点”（大于9厘米）中的天线之间需要很大的间隔。
2、在12厘米处，每个节点的分布有一些重叠，因此可能需要求平均值。
3、需要节点中每个单元（DW1000）的同步参考时钟。
4、分离度越大，准确度越高。
4.2 Time based AoA using Time of Flight (Ranging)使用飞行时间（测距）的基于时间的AoA
图5：使用ToF（测距）的到达角
好处：
1、天线间距的灵活性
2、可以使用单个IC，但代价是额外的射频复杂性(routing, RF switches etc.)（路由、射频开关等）。
3、不要求IC参考时钟同步。
实施要求：
1、在一个单元中，天线之间需要很大的间距（>9厘米）。
2、在12厘米处，每个节点的分布有一些重叠，因此可能需要求平均值。
3、分离度越大，准确度越高。
