PDoA UWB Ranging 기법을 활용한 Single-Anchor 측위 시스템 구성에 대한 연구
Research on Constructing PDoA UWB Ranging Method Based Single-Anchor Positioning System
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초록
본 연구는 초광대역(UWB) 통신의 넓은 대역폭을 활용해 시간지연(ToF) 기반의 높은 거리 추정 정확도를 확보하 고, 다중 안테나 UWB 장치의 PDoA(Phase Difference of Arrival)를 이용해 Single-Anchor(초기 설치 최소화) 측위 가능성을 검증한다. 기존 TWR 기반 UWB 측위는 다수 앵커 설치가 필요해 구축 비용과 복잡도가 높다. 이에 본 논문 은 단일 고정 장치와 PDoA 각도 정보를 결합하여, 초기 보정 없이 상대 각도·거리 및 위치를 추정하는 최소 구성의 시스템을 제안하고 실제 장치로 성능을 측정하였다. 실험 결과, PDoA 기반의 각도·거리 추정은 실제값과 큰 차이를 보이지 않았으며, 추정된 고정 장치의 방향과 타 장치의 위치도 유효하게 도출되었다. 정량적으로 수평 각도 오차 7.87°, 수직 각도 오차 0.42°, 3D 위치 RMS 오차 0.816 m가 관측되어, 적은 수의 장치로도 실용적인 위치 정확도를 달성할 수 있음을 확인하였다. 본 결과는 PDoA UWB 장치가 설치 부담을 낮추면서도 실내 위치 인식 등 응용에 충분 한 성능을 제공할 수 있음을 시사한다.
Abstract
This study explores an single-anchor positioning approach using ultra-wideband (UWB) technology by combining time-of-flight (ToF) ranging with phase difference of arrival (PDoA) from a multi-antenna UWB device. Conventional two-way ranging (TWR) systems require multiple anchors, leading to higher deployment cost and complexity. In contrast, we propose a minimal configuration that uses a single fixed device and PDoA-based angle information to estimate relative angle, distance, and position without explicit initial calibration. We implement the system with a practical UWB platform and evaluate its performance. The results show that the PDoA-based angle and distance estimates closely match ground truth, enabling reliable estimation of the fixed device orientation and the other device’s position. Quantitatively, we observe an horizontal angular error of 7.87°, vertical angular error of 0.42° and a 3D position RMS error of 0.816 m, indicating that competitive positioning accuracy is achievable with far fewer devices than conventional UWB systems. These findings suggest that PDoA-enabled UWB can reduce installation effort while maintaining practical accuracy for indoor positioning and related applications.