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UWB定位系统:TDOA定位算法中的时钟同步
发布日期:2020-03-10 浏览次数:102

        在UWB定位系统中,TDOA定位算法那的优势明显。我们知道TDOA算法中需要测量UWB信号的到达时间差。如果说TDOA定位的前提是需要测量到达时间差,那么测量到达时间差的前提就是时间需要同步一致。

 

(一)认识什么是TDOA的时钟同步?

 

        TDOA定位算法采用的是一种到达时间差进行定位的方法,如下图1所示。 UWB标签对外发送一次UWB信号,在UWB定位标签覆盖范围内的所有基站都会收到无线信号,因标签距离UWB基站的距离不同,基站收到信号的时间点就是不一样的。


TDOA到达时间差进行定位算法.jpg

图1:TDOA算法:UWB信号到达时间差


        就像小明对外大声的吼了一声“几点啦?”,分布在周围的人会在不同时间收到声音信息。如果A在13:22:20接收到信号,B在13:22:21接收到信息,那么这1秒钟就是到达时间差。那么小明到B的距离就比到A的距离远:声波的传播速度×(13:22:21-13:22:20)=340m/s×1s=340m。


        但是如果B来自东京,他习惯使用东京时间进行计时,那么在接收到信号时,B看到的时间就是14:22:21(东京时间比北京时间快1个小时)。


        如果不对A和B进行时区换算,那么,信息的到达时间差就为1个小时零1秒,按刚刚计算公式计算,小明到B就比到A远了1200多公里。很明显,这样计算出来的时间差是没有任何意义的,因为他们使用不同的时间体系进行计时,时间起点不相同,计算出来的到达时间差也是不准确的。


        所以为了能精确测量时间,我们需要对计时工具进行时间调整,使它们都处于同一时间体系下,比如说大家都是标准的北京时间,这就是时间同步。

 

(二)为什么会出现UWB基站时钟不同步的现象?


        每个UWB定位基站内部都有晶体震荡器,它的作用是产生时钟频率,UWB基站的信号收发,都是在该时钟的节拍下进行的,测量收发时间也是以该时钟为基础。这也就是说每个UWB基站都有自己的内部时钟,基站各自按照自己的时间体系运行,这就导致各个UWB基站存在初始的时间差。


        并且,还存在着一个时钟漂移现象,这就使得多个时钟即使在同一个标准时间启动,它们也不可能长期保持同步。就像是我们每个人的手表,走一段时间后就会不准了,主要原因是我们时钟的精度,也就是我们手表所走的1s,并不是标准的1s,而是接近1s,长时间不对表的话,我们的时间体系就会发生偏移。


        除此之外,影响时钟漂移的因素还有很多,如:生产工艺、温度变化、环境变化、基站硬件的老化程度等。 综上所述,时间不同步问题是无法避免的。

 

(三)怎样解决UWB基站的时钟不同步问题?


        我们知道UWB定位系统对时间测量的要求极高,时间测量不准确会严重影响定位精度,1ns的时间差就会造成30cm的位置定位误差。因此时钟不同步问题必须要得以解决。目前两种最常用的解决方式就是有线同步和无线同步。


1、有线同步

        有线同步就相当于所有的UWB定位基站都用同一个表,也就是同步控制器。同步控制器通过有线通信的方式,将时间信息传输到每一个UWB基站,使每个基站处于同一时间体系,实现时间同步。


        这种同步方式的优势在于时间测量精度高,各个UWB定位基站之间时间可保持高度同步,并且技术难度低,容易实现。存在的问题在于部署成本较高,因为每个基站都需要通过有线的方式连接到同步控制器,线路规划变得很复杂,部署UWB定位系统时会大量布线,但同步精度会相对来说会高一些。如下图2微能信息的UWB基站VDU2503是采用有线时间同步的方式。


UWB基站之有线同步方式.jpg

图2:UWB基站VDU2503采用有线时间同步

 

2、无线同步

        无线同步就是每一个UWB定位基站通过不断与其他基站交换本基站的时钟信息,最终达到并且保持全局时间协调一致。也就是UWB定位基站之间每隔一段时间进行信号交互对表,告诉其他基站自己现在处于什么时间,然后各自调整自身时间与其他基站保持一致。


        无线同步方法依赖于UWB的测量时间精度,时间精度越高,两个UWB基站之间的时间误差越小,它们的时间同步程度越高。无线同步方式的优势在于基站与基站之间不需要有线连接,因此UWB定位系统的部署难度较低,成本也低。不过相对于有线同步,无线同步的稳定性稍差一些。


        综合比较两种时钟同步方法,各有优劣。

 

深圳微能信息科技的UWB基站采用什么时钟同步方式?

        95power现推出的2款UWB基站采用的是有线同步方式,UWB基站的时钟同步精度是ps(皮秒)级别,时间同步精度可达到15.6ps 。


深圳微能信息科技:UWB基站,标签和算法供应商,官网:www.95power.com.cn

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