UWB定位技術(shù)：TDOA定位方法的時(shí)間同步問題

通過之前對(duì)TDOA的了解，我們可以知道TDOA需要測(cè)量到達(dá)時(shí)間差。如果說(shuō)TDOA定位的前提是需要測(cè)量到達(dá)時(shí)間差，那么測(cè)量到達(dá)時(shí)間差的前提就是時(shí)間必須同步。

知己知彼——什么是時(shí)間同步？

TDOA是一種利用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的方法。標(biāo)簽卡對(duì)外發(fā)送一次UWB信號(hào)，在UWB定位標(biāo)簽覆蓋范圍內(nèi)的所有基站都會(huì)收到無(wú)線信號(hào)，因標(biāo)簽距離基站的距離不同，基站收到信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)是不一樣的。

就像小明對(duì)外大聲的吼了一聲“幾點(diǎn)啦？”，分布在周圍的人會(huì)在不同時(shí)間收到聲音信息。如果A在13:22:20接收到信號(hào)，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(lái)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(hào)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(duì)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，嚇?biāo)佬【幜耍∶骶毦土艘簧砬Ю飩饕舻暮帽绢I(lǐng)。

很明顯，這樣計(jì)算出來(lái)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(lái)的到達(dá)時(shí)間差也是不準(zhǔn)確的。

所以為了能精確測(cè)量時(shí)間，我們需要對(duì)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(shuō)大家都是標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間，這就是時(shí)間同步。

推本溯源——為什么會(huì)時(shí)間不同步？

每個(gè)UWB定位設(shè)備內(nèi)部都有晶體震蕩器，它的作用是產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，UWB定位設(shè)備的UWB信號(hào)的收發(fā)，都是在該時(shí)鐘的節(jié)拍下進(jìn)行的，測(cè)量收發(fā)時(shí)間也是以該時(shí)鐘為基礎(chǔ)。這也就是說(shuō)每個(gè)硬件設(shè)備都有自己的內(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)基站存在初始時(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(dòng)，它們也不可能長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間不對(duì)表的話，我們的時(shí)間體系就會(huì)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、老化程度等。 綜上所述，時(shí)間不同步問題是無(wú)法避免的。

釜底抽薪——如何解決時(shí)間不同步？

我們知道UWB定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)間測(cè)量的要求極高，時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確會(huì)嚴(yán)重影響定位精度，1ns的時(shí)間差就會(huì)造成30cm的位置誤差。因此，時(shí)間不同步問題，必須要得以解決，目前，有兩種最常用的解決方式，有線同步和無(wú)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)矫總€(gè)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(shì)在于時(shí)間測(cè)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(huì)大量布線。但同步精度會(huì)相對(duì)來(lái)說(shuō)高一些。

2、無(wú)線同步

無(wú)線同步就是各個(gè)UWB定位基站通過不斷與其他基站交換本隊(duì)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。也就是說(shuō)UWB定位基站之間每隔一段時(shí)間進(jìn)行信號(hào)交互，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(wú)線同步方法依賴于UWB的測(cè)量時(shí)間精度，時(shí)間精度越高，兩個(gè)基站之間的時(shí)間誤差越小，那么它們的時(shí)間同步程度越高。無(wú)線同步方式的優(yōu)勢(shì)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。

一馬當(dāng)先——EHIGH恒高使用哪種同步方法？

綜合比較兩種同步方法，各有優(yōu)劣。EHIGH恒高UWB定位系統(tǒng)采用的是無(wú)線同步方法，也是業(yè)內(nèi)第一家擁有UWB無(wú)線同步技術(shù)的廠家。當(dāng)前，EHIGH恒高的時(shí)間測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到ps級(jí)，基站與基站之間時(shí)間可達(dá)到高度同步，實(shí)現(xiàn)10cm精確定位。