UWB定位系統：TDOA定位算法中的時鐘同步
發布日期：2020-03-10 瀏覽次數：770次
在UWB定位系統中，TDOA定位算法那的優勢明顯。我們知道TDOA算法中需要測量UWB信號的到達時間差。如果說TDOA定位的前提是需要測量到達時間差，那么測量到達時間差的前提就是時間需要同步一致。
（一）認識什么是TDOA的時鐘同步？
TDOA定位算法采用的是一種到達時間差進行定位的方法，如下圖1所示。 UWB標簽對外發送一次UWB信號，在UWB定位標簽覆蓋范圍內的所有基站都會收到無線信號，因標簽距離UWB基站的距離不同，基站收到信號的時間點就是不一樣的。
圖1：TDOA算法：UWB信號到達時間差
就像小明對外大聲的吼了一聲“幾點啦？”，分布在周圍的人會在不同時間收到聲音信息。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秒鐘就是到達時間差。那么小明到B的距離就比到A的距離遠：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，他習慣使用東京時間進行計時，那么在接收到信號時，B看到的時間就是14:22:21（東京時間比北京時間快1個小時）。
如果不對A和B進行時區換算，那么，信息的到達時間差就為1個小時零1秒，按剛剛計算公式計算，小明到B就比到A遠了1200多公里。很明顯，這樣計算出來的時間差是沒有任何意義的，因為他們使用不同的時間體系進行計時，時間起點不相同，計算出來的到達時間差也是不準確的。
所以為了能精確測量時間，我們需要對計時工具進行時間調整，使它們都處于同一時間體系下，比如說大家都是標準的北京時間，這就是時間同步。
（二）為什么會出現UWB基站時鐘不同步的現象？
每個UWB定位基站內部都有晶體震蕩器，它的作用是產生時鐘頻率，UWB基站的信號收發，都是在該時鐘的節拍下進行的，測量收發時間也是以該時鐘為基礎。這也就是說每個UWB基站都有自己的內部時鐘，基站各自按照自己的時間體系運行，這就導致各個UWB基站存在初始的時間差。
并且，還存在著一個時鐘漂移現象，這就使得多個時鐘即使在同一個標準時間啟動，它們也不可能長期保持同步。就像是我們每個人的手表，走一段時間后就會不準了，主要原因是我們時鐘的精度，也就是我們手表所走的1s，并不是標準的1s，而是接近1s，長時間不對表的話，我們的時間體系就會發生偏移。
除此之外，影響時鐘漂移的因素還有很多，如：生產工藝、溫度變化、環境變化、基站硬件的老化程度等。 綜上所述，時間不同步問題是無法避免的。
（三）怎樣解決UWB基站的時鐘不同步問題？
我們知道UWB定位系統對時間測量的要求極高，時間測量不準確會嚴重影響定位精度，1ns的時間差就會造成30cm的位置定位誤差。因此時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
有線同步就相當于所有的UWB定位基站都用同一個表，也就是同步控制器。同步控制器通過有線通信的方式，將時間信息傳輸到每一個UWB基站，使每個基站處于同一時間體系，實現時間同步。
這種同步方式的優勢在于時間測量精度高，各個UWB定位基站之間時間可保持高度同步，并且技術難度低，容易實現。存在的問題在于部署成本較高，因為每個基站都需要通過有線的方式連接到同步控制器，線路規劃變得很復雜，部署UWB定位系統時會大量布線，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是采用有線時間同步的方式。
圖2：UWB基站VDU2503采用有線時間同步
2、無線同步
無線同步就是每一個UWB定位基站通過不斷與其他基站交換本基站的時鐘信息，最終達到并且保持全局時間協調一致。也就是UWB定位基站之間每隔一段時間進行信號交互對表，告訴其他基站自己現在處于什么時間，然后各自調整自身時間與其他基站保持一致。
無線同步方法依賴于UWB的測量時間精度，時間精度越高，兩個UWB基站之間的時間誤差越小，它們的時間同步程度越高。無線同步方式的優勢在于基站與基站之間不需要有線連接，因此UWB定位系統的部署難度較低，成本也低。不過相對于有線同步，無線同步的穩定性稍差一些。
綜合比較兩種時鐘同步方法，各有優劣。
深圳微能信息科技的UWB基站采用什么時鐘同步方式？
95power現推出的2款UWB基站采用的是有線同步方式，UWB基站的時鐘同步精度是ps（皮秒）級別，時間同步精度可達到15.6ps 。
深圳微能信息科技：UWB基站，標簽和算法供應商，官網：m.dyqsz.cn
