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：729次

        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。

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。

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