UWB定位系統(tǒng)：TDOA定位算法中的時(shí)鐘同步
發(fā)布日期：2020-03-10 瀏覽次數(shù)：770次

        在UWB定位系統(tǒng)中，TDOA定位算法那的優(yōu)勢明顯。我們知道TDOA算法中需要測量UWB信號的到達(dá)時(shí)間差。如果說TDOA定位的前提是需要測量到達(dá)時(shí)間差，那么測量到達(dá)時(shí)間差的前提就是時(shí)間需要同步一致。

（一）認(rèn)識什么是TDOA的時(shí)鐘同步？

        TDOA定位算法采用的是一種到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的方法，如下圖1所示。 UWB標(biāo)簽對外發(fā)送一次UWB信號，在UWB定位標(biāo)簽覆蓋范圍內(nèi)的所有基站都會收到無線信號，因標(biāo)簽距離UWB基站的距離不同，基站收到信號的時(shí)間點(diǎn)就是不一樣的。

圖1：TDOA算法：UWB信號到達(dá)時(shí)間差

        就像小明對外大聲的吼了一聲“幾點(diǎn)啦？”，分布在周圍的人會在不同時(shí)間收到聲音信息。如果A在13:22:20接收到信號，B在13:22:21接收到信息，那么這1秒鐘就是到達(dá)時(shí)間差。那么小明到B的距離就比到A的距離遠(yuǎn)：聲波的傳播速度×（13:22:21-13:22:20）=340m/s×1s=340m。

        但是如果B來自東京，他習(xí)慣使用東京時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，那么在接收到信號時(shí)，B看到的時(shí)間就是14:22:21（東京時(shí)間比北京時(shí)間快1個(gè)小時(shí)）。

        如果不對A和B進(jìn)行時(shí)區(qū)換算，那么，信息的到達(dá)時(shí)間差就為1個(gè)小時(shí)零1秒，按剛剛計(jì)算公式計(jì)算，小明到B就比到A遠(yuǎn)了1200多公里。很明顯，這樣計(jì)算出來的時(shí)間差是沒有任何意義的，因?yàn)樗麄兪褂貌煌臅r(shí)間體系進(jìn)行計(jì)時(shí)，時(shí)間起點(diǎn)不相同，計(jì)算出來的到達(dá)時(shí)間差也是不準(zhǔn)確的。

        所以為了能精確測量時(shí)間，我們需要對計(jì)時(shí)工具進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，使它們都處于同一時(shí)間體系下，比如說大家都是標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間，這就是時(shí)間同步。

（二）為什么會出現(xiàn)UWB基站時(shí)鐘不同步的現(xiàn)象？

        每個(gè)UWB定位基站內(nèi)部都有晶體震蕩器，它的作用是產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，UWB基站的信號收發(fā)，都是在該時(shí)鐘的節(jié)拍下進(jìn)行的，測量收發(fā)時(shí)間也是以該時(shí)鐘為基礎(chǔ)。這也就是說每個(gè)UWB基站都有自己的內(nèi)部時(shí)鐘，基站各自按照自己的時(shí)間體系運(yùn)行，這就導(dǎo)致各個(gè)UWB基站存在初始的時(shí)間差。

        并且，還存在著一個(gè)時(shí)鐘漂移現(xiàn)象，這就使得多個(gè)時(shí)鐘即使在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間啟動，它們也不可能長期保持同步。就像是我們每個(gè)人的手表，走一段時(shí)間后就會不準(zhǔn)了，主要原因是我們時(shí)鐘的精度，也就是我們手表所走的1s，并不是標(biāo)準(zhǔn)的1s，而是接近1s，長時(shí)間不對表的話，我們的時(shí)間體系就會發(fā)生偏移。

        除此之外，影響時(shí)鐘漂移的因素還有很多，如：生產(chǎn)工藝、溫度變化、環(huán)境變化、基站硬件的老化程度等。 綜上所述，時(shí)間不同步問題是無法避免的。

（三）怎樣解決UWB基站的時(shí)鐘不同步問題？

        我們知道UWB定位系統(tǒng)對時(shí)間測量的要求極高，時(shí)間測量不準(zhǔn)確會嚴(yán)重影響定位精度，1ns的時(shí)間差就會造成30cm的位置定位誤差。因此時(shí)鐘不同步問題必須要得以解決。目前兩種最常用的解決方式就是有線同步和無線同步。

1、有線同步

        有線同步就相當(dāng)于所有的UWB定位基站都用同一個(gè)表，也就是同步控制器。同步控制器通過有線通信的方式，將時(shí)間信息傳輸?shù)矫恳粋€(gè)UWB基站，使每個(gè)基站處于同一時(shí)間體系，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

        這種同步方式的優(yōu)勢在于時(shí)間測量精度高，各個(gè)UWB定位基站之間時(shí)間可保持高度同步，并且技術(shù)難度低，容易實(shí)現(xiàn)。存在的問題在于部署成本較高，因?yàn)槊總€(gè)基站都需要通過有線的方式連接到同步控制器，線路規(guī)劃變得很復(fù)雜，部署UWB定位系統(tǒng)時(shí)會大量布線，但同步精度會相對來說會高一些。如下圖2微能信息的UWB基站VDU2503是采用有線時(shí)間同步的方式。

圖2：UWB基站VDU2503采用有線時(shí)間同步

2、無線同步

        無線同步就是每一個(gè)UWB定位基站通過不斷與其他基站交換本基站的時(shí)鐘信息，最終達(dá)到并且保持全局時(shí)間協(xié)調(diào)一致。也就是UWB定位基站之間每隔一段時(shí)間進(jìn)行信號交互對表，告訴其他基站自己現(xiàn)在處于什么時(shí)間，然后各自調(diào)整自身時(shí)間與其他基站保持一致。

        無線同步方法依賴于UWB的測量時(shí)間精度，時(shí)間精度越高，兩個(gè)UWB基站之間的時(shí)間誤差越小，它們的時(shí)間同步程度越高。無線同步方式的優(yōu)勢在于基站與基站之間不需要有線連接，因此UWB定位系統(tǒng)的部署難度較低，成本也低。不過相對于有線同步，無線同步的穩(wěn)定性稍差一些。

        綜合比較兩種時(shí)鐘同步方法，各有優(yōu)劣。

深圳微能信息科技的UWB基站采用什么時(shí)鐘同步方式？

        95power現(xiàn)推出的2款UWB基站采用的是有線同步方式，UWB基站的時(shí)鐘同步精度是ps（皮秒）級別，時(shí)間同步精度可達(dá)到15.6ps 。

深圳微能信息科技：UWB基站，標(biāo)簽和算法供應(yīng)商，官網(wǎng)：833789.cn