UWB测距原理：TWR、TDoA和AoA有什么区别

做 UWB 定位方案时，只看“厘米级”还不够。同一代 UWB 芯片装进不同系统，现场问题也可能完全不同。TWR 的偏差常与回复时延、两端钟差有关。TDoA 的难点在锚点同步。AoA 的角度误差还会随距离放大成横向偏差。

选型时先看系统直接测什么，以及哪些误差会进入结果。标签数量增加后，还要确认同一信道是否有足够时间完成所有收发。已经在查固定偏差或定位跳动，可以从第 5 节读起。只想先在 TWR、TDoA 和 AoA 之间做初选，可以先看第 7 节，再回头核对相关公式。

1. TWR、TDoA 和 AoA 分别测什么

在定位系统中，锚点通常固定安装，坐标已知。标签跟随人、设备或物料移动，系统要解算的是标签位置。ToF 是无线信号从发射端传播到接收端所需的时间，乘以光速后可换算为传播距离。

TWR，也就是双向测距，需要标签和锚点互发消息。系统从一轮或两轮往返时间中扣除设备的回复时间，得到两台设备之间的距离。锚点之间不必共用同一时钟，但标签和锚点的时钟快慢只要略有不同，测距结果仍会出现偏差。

TDoA 测的是到达时间差。标签发出一帧用于定位的短广播报文，通常称为 blink。周围锚点分别记录它到达的时刻，也就是接收时间戳，定位服务器再比较这些记录。标签不需要知道精确的发射时刻，但各锚点记录的时间必须换算到同一个参考时钟下。上行 TDoA 可以用一次标签发射完成一次位置计算。标签省去了与各锚点逐一往返的报文，锚点网络或定位服务器则要负责同步时间并集中计算位置。

AoA 关心的是方向。多根接收天线会看到同一信号的相位差或到达时间差，系统据此估计入射角。工程上常见的 PDoA 是 AoA 的一种实现方式。把 ToF 距离与 AoA 方向组合后，可以得到相对锚点的二维位置。

TWR 先得到距离，TDoA 用多锚点时间差求位置，AoA 增加方向信息。实际系统也可以把 ToF 与 AoA 组合使用。

2. TWR 为什么怕长回复时延

SS-TWR 只做一轮询问和应答。DS-TWR 增加一轮时间信息交换，用两边记录的往返时间共同估计 ToF。Qorvo APS013 中的非对称 DS-TWR 流程包含询问帧 Poll、应答帧 Response，以及携带最后一组时间信息的 Final 帧。

图 1. 非对称 DS-TWR 的三帧时序与 ToF 计算关系。

在 Qorvo APS011 附录 A 的误差模型中，无线信号的实际传播时间远短于设备等待应答的时间。先忽略传播时间对应的小项后，SS-TWR 的主要距离误差近似为

其中， 是响应端从收到询问到发出应答的时间， 是两端的相对频率偏差， 是光速。后文使用的 ppm 表示百万分之一，用来描述时钟快慢相差的比例。

假设回复时延为 400 μs，两端相对频偏为 20 ppm，代入后约为 1.20 m。回复时延延长到 1 ms，结果约为 3.00 m。这里计算的是两端时钟快慢不同，又没有做频偏补偿时，长回复时间会把误差放大多少，并不表示 SS-TWR 必然会出现米级误差。缩短回复时间，或根据实测频偏修正时间戳，都能减小这一项。

同一误差模型分析的对称双边 TWR，也就是 SDS-TWR，在完成双边计算后，仍未抵消的主要误差与两轮回复时延之差有关，可写成

如果两轮回复时延只相差 10 μs，相对频偏仍取 20 ppm，按这一项折算约为 1.5 cm。DS-TWR 能明显减小回复时延与钟差共同造成的误差，但天线收发延时仍要校准，墙体或货架遮挡仍会让传播路径变长，安装位置也仍会影响结果。

协议选择不能只看 SS 少一帧、DS 多一帧。如果 MCU 从收到报文到发出应答的时间较长，或者每次回复时间不稳定，DS-TWR 往往更稳。如果同一信道留给每个标签的收发时间很少，而设备又能缩短回复时间并估计两端频偏，SS-TWR 仍有使用空间。

3. TDoA 标签不与各锚点逐一往返，锚点必须同步

TWR 通过标签与锚点的往返报文处理两端钟差。TDoA 只让标签发射一次，此后各锚点记录的接收时间必须换算到同一个参考时钟下，才能直接比较。

光在 1 ns 内传播约 30 cm，因此 1 ns 的锚点相对时间误差，会先变成约 30 cm 的距离差误差。这里的“距离差”是标签到两个锚点的距离之差，它还不表示最终坐标也会偏 30 cm。把多组距离差换算成坐标时，锚点摆放、标签所在位置和解算方法还会继续影响结果。若希望同步误差在距离差中只占约 3 cm，各锚点校准后剩余的时间误差需要接近 100 ps。

锚点同步要处理三类问题：各时钟起始时间不同，时钟走时速度会随温度和时间变化，各锚点的收发电路延时也不相同。Zhang 等人的 TDoA RTLS 论文采用主锚周期发送时钟校准包，其他锚点同时记录校准包和标签 blink 的接收时间，再计算各自时钟相对主锚快了多少、起始时间差了多少。设备运行期间，这些差值还要持续更新。

有线同步可以让锚点共用参考时钟或触发信号，但线缆本身的传播延时也要测量和校准。无线同步可以少布一部分线，却要定期发送同步报文，持续估计各锚点时钟，并在锚点失去同步后重新锁定。项目如果没有说明采用哪种同步方式、由哪台设备校时，仅仅选一颗“支持 TDoA”的收发器还不能完成定位。

锚点数量还取决于算法是否已经知道标签的大致高度、初始位置或活动区域。一项四锚 TDoA 研究指出，迭代算法在有合适初值时，可用 3 个锚点做二维定位、4 个锚点做三维定位。这里的“初值”是算法开始迭代前使用的大致位置。若要求不依赖初始位置、直接由方程求出唯一坐标，通常需要 4 个锚点做二维定位、5 个锚点做三维定位。现场还要考虑上下或左右对称的候选位置、遮挡、包丢失和锚点分布，不能把方程能够求解所需的最少锚点数直接当成安装数量。

做二维定位时，不能因为只输出 x、y 坐标，就把标签的 z 坐标随意写成 0。应把标签高度设为接近实际作业高度的固定值，锚点仍使用各自实测的 x、y、z 坐标。若标签可能从地面移动到货架高处，就要改做三维解算，或单独评估高度变化会给平面坐标带来多大误差。

4. AoA 的角度指标要换算到工作距离

只有项目需要知道目标方向时，才有必要考虑 AoA。角度误差不能直接当作位置误差使用。目标接近阵列正前方时，可用下面的公式初步估算横向偏差。

是目标到锚点的距离， 是角度误差。以正前方为参考，取 5° 时，5 m 处的横向偏差约为 0.44 m，10 m 处约为 0.87 m，20 m 处约为 1.75 m。目标明显偏离阵列正前方时，要用“实际入射角加上角度误差”与“实际入射角”分别计算横向位置，再求两者之差，不能继续套用正前方的数值。产品写“角度精度小于 5°”，也不等于在任何距离都能给出几厘米的位置结果。

Qorvo DW3220 提供两个天线端口，产品页给出的测距精度为 10 cm 以内，AoA 精度为 5°以内。前一个指标表示测得距离与真实距离相差多少，后一个表示测得方向与真实方向相差多少。把距离和方向组合后，单个锚点可以给出标签相对自己的位置。若要覆盖锚点侧面或背面，还要检查阵列视场。不同方向可能产生相同的相位差时，还要结合天线阵列、外壳和安装方向排除错误方向。

AoA 还要求各天线通道的相位差能够稳定复现。同一信号经过不同天线、馈线和 PCB 走线后会产生额外相位差，整机外壳也可能改变天线响应，这些差异都要通过标定扣除。目标被墙体或货架遮挡时，最强信号可能来自反射路径，而不是标签与锚点之间的直达路径，此时算出的角度会明显偏离真实方向。现场验证时，至少应覆盖目标距离、入射方向和典型遮挡，而不是只在正前方做一次静态测试。

5. 调试时先分清“距离不准”还是“坐标不稳”

公式能说明误差从哪里来，现场排查则更适合从现象入手。第一步是确认手里的精度数字具体指什么。芯片或模块的 ranging accuracy 指标签与单个锚点之间的测距误差，positioning accuracy 指系统综合多条距离或时间差后，最终 x、y、z 坐标与真实位置相差多少。两者不能直接画等号。

多个已知距离下，偏差近似恒定

先检查天线延时和固定距离偏移。UWB650 可以通过 ANTDELAY 调整天线延时，这个参数会直接影响测距和定位结果。DISTOFFSET 用于按厘米修正固定距离偏移。校准时不要只测一个距离。可在无遮挡环境下选择数个已知距离，检查每次读数是否都多出或少掉相近的厘米数，还是距离越远，误差也越大。

读数会随朝向、人员走动或遮挡突然变化

这类现象通常不是一个固定校准值造成的，而是信号走过的路径发生了变化。人体、墙体、玻璃和金属可能削弱标签与锚点之间的直达信号，也可能把信号反射后再送到接收机。接收机如果把反射路径当成直达路径，测得的传播时间就会变长。先把设备移到无遮挡的开阔环境复测，再改变天线朝向，比直接调整定位算法参数更容易找出原因。

单条距离稳定，坐标却跳动

此时应检查锚点坐标、安装位置和标签高度设置。锚点排成一线、集中在目标同一侧，或标签长期处在锚点围成的区域之外时，即使每条距离只波动几厘米，换算出的坐标也可能跳动得更大。调试 UWB650 的定位精度时，还要检查遮挡情况，并确认标签是否位于锚点围成的区域内。

这三种现象可能同时出现，但检查顺序不同。如果几个已知距离都多出或少掉相近的数值，先校准 ANTDELAY 和 DISTOFFSET。如果读数会随遮挡或天线朝向突变，先处理安装环境和天线。如果单条距离稳定而坐标仍跳动，再检查锚点坐标、安装位置和定位算法。这样排查，比看到 30 cm 偏差就笼统归因于“UWB 精度不够”更容易找到具体原因。

6. 容量需要按实际报文和锚点数量计算

容量指同一套系统能够同时服务多少标签，以及每个标签每秒能更新多少次位置。距离已经测准，并不表示同一信道有足够时间完成目标更新率所需的全部报文。报文排不下时，重新校准天线也不能增加可用时间。

TWR 每获得一条距离，标签和一个锚点都要留出时间收发报文。一个二维位置若依赖 3 条距离，标签就要依次与多个锚点测距。TDoA 中，标签通常只发一个 blink，多个锚点同时接收。增加一个标签时，标签侧主要增加的是这一帧发射，而不是与每个锚点分别往返。TDoA 系统仍要传输同步报文、把各锚点的时间戳送到服务器，并避免多个标签同时发射造成碰撞，因此“一次发射”不等于标签数量不受限制。

快速估算 TWR 会占用多少信道时间时，可以写成

是标签数， 是每个标签每秒更新位置的次数， 是每次定位参与的锚点数， 是标签与一个锚点完成一次测距所需的时间。计算结果的单位是“每秒需要占用多少秒的信道时间”。结果接近 1 s/s，意味着一秒钟内几乎整整一秒都已用于测距，留给重试、报文间隔、控制命令和其他业务的时间已经很少。

UWB650的测距流程混合使用 DS-TWR 与 SS-TWR，并利用模块估得的两端时钟快慢差修正结果。在 6.8 Mbps 下，发起端完成一次测距需要 4.819 ms。若按 3 个锚点顺序测距估算，一次二维更新的纯测距时间约为

一个标签以 10 Hz 更新，仅测距事务就约占 145 ms/s。多个标签共享同一信道时，还要继续乘标签数，并为命令处理、重试和保护间隔留出空间。这个算例只用于估算当前模块时序，不是系统最大标签数承诺。

Ridolfi 等人的容量研究假设四个锚点共同覆盖一个区域，比较不同的无线速率与报文格式、信道调度方法和定位方式。在使用短报文、按预定时间轮流发送，并且不计算同步报文的理论极限配置中，TDoA 为 6171 updates/s，TWR 为 1381 updates/s，后者约为前者的 22%。换成一次事务约 4.7 ms 的参考配置后，对应数值变为 211 和 101，TWR 比 TDoA 少约 53%。

图 2. 四锚单小区模型下，不同报文长度、调度和同步条件对应的更新容量。

这组比例只适用于论文采用的报文和调度条件，不能直接换算成项目能接入多少标签。报文长度、锚点数量、各设备轮流发送的规则和同步方式一变，每秒可完成的位置更新数也会变化。项目评审时，应把实际无线速率、每次测距需要多长时间、预计重试次数和同步报文所占时间列在同一张表里，再计算剩余时间。

7. 把项目条件代入选型表

只知道场地面积或标签总数，还不能决定用 TWR 还是 TDoA。还要确认每个标签每秒需要更新几次、锚点能否共享精确时间，以及一次实际测距会占用多长时间。

如果现场没有给锚点校时的线缆、无线协议或主时钟，而逐个测距仍能满足标签数量和更新率，TWR 更容易实施。如果按前面的公式计算后，TWR 每秒已占用接近整整一秒的信道时间，而团队又能持续校准锚点时钟并在服务器计算位置，再评估 TDoA。

需要知道目标来自哪个方向、从门的哪一侧通过，或只用一个锚点判断目标相对位置时，可以把 AoA 与 ToF 组合。如果只需要用多个锚点计算平面坐标，就没有必要再增加多天线阵列及其相位校准工作。

8. NiceRF 模块能直接完成什么

芯片能够记录收发时间或测量天线间相位差，不表示装有这颗芯片的模块已经能直接返回距离、角度或坐标。选型时要查看模块实际开放了哪些接口和命令。

思为无线 UWB650 的测距误差在 ±10 cm 以内，并支持 SS-TWR、DS-TWR 和定位。定位命令可输入 3 至 8 个锚点地址，并通过 UART 返回坐标、距离和信号强度。基本配置使用 3 个锚点和 1 个标签做二维定位，或使用 4 个锚点和 1 个标签做三维定位。

图 3. UWB650模块框图，包括 MCU、DW3000、射频收发链路、ESD 和天线连接。

UWB650Pro 同样支持 SS-TWR、DS-TWR 和模块内定位，测距误差在 ±10 cm 以内。与 UWB650 相比，它的主要差别是外置 50 Ω 天线接口和更低的休眠电流，适合需要自行选择天线或关注电池待机的嵌入式设备。

UWB653Pro 把相近的测距、定位和数据功能做成 USB 设备，适合连接电脑和上位机快速验证。

UWB3000F00 和 UWB3000F27 是 SPI 接口的 UWB 收发模块，可用于 TWR 和 TDoA 系统。模块可以收发报文并记录每帧的收发时刻，但项目仍要确定由谁校准锚点时钟、由谁收集这些时间戳，以及在哪台设备上计算标签坐标。

参考资料

• NiceRF UWB650 Product Specification Rev 2.2
• NiceRF UWB650Pro 产品页
• NiceRF UWB653Pro 产品页
• NiceRF UWB3000F00 产品页
• UWB3000F27 产品页
• Qorvo APS011, Sources of Error in DW1000-Based Two-Way Ranging Schemes
• Qorvo APS013, Implementation of Two-Way Ranging with the DW1000
• Qorvo DW3220 产品页
• FiRa Consortium, UWB Terminology: A Plain-English Guide
• FiRa Consortium, UWB Asset Tracking
• F. Zhang et al., Design and Implementation of Real-Time Localization System Based on UWB and TDoA Algorithm
• K. Kolakowski et al., Particle Filtering for Three-Dimensional TDoA-Based Positioning Using Four Anchor Nodes
• M. Ridolfi et al., Analysis of the Scalability of UWB Indoor Localization Solutions for High User Densities