【大話UWB定位】之分毫不差:時間同步


通過之前《【大話UWB定位】之核心命脈:TOF與TDOA》的介紹,我們可以知道TDOA需要測量到達時間差。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必須同步。

 

知己知彼——什么是時間同步?

TDOA是一種利用到達時間差進行定位的方法。標簽卡對外發送一次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,因標簽距離基站的距離不同,基站收到信號的時間點是不一樣的。

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秒鍾就是到達時間差。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,嚇死小編了,小明練就了一身千里傳音的好本領。

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准確的。

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,使它們都處於同一時間體系下,比如說大家都是標准的北京時間,這就是時間同步。

 

推本溯源——為什么會時間不同步?

每個UWB定位設備內部都有晶體震盪器,它的作用是產生時鍾頻率,UWB定位設備的UWB信號的收發,都是在該時鍾的節拍下進行的,測量收發時間也是以該時鍾為基礎。這也就是說每個硬件設備都有自己的內部時鍾,基站各自按照自己的時間體系運行,這就導致各個基站存在初始時間差。

並且,還存在着一個時鍾漂移現象,這就使得多個時鍾即使在同一個標准時間啟動,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准了,主要原因是我們時鍾的精度,也就是我們手表所走的1s,並不是標准的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,影響時鍾漂移的因素還有很多,如:生產工藝、溫度變化、環境變化、老化程度等。 綜上所述,時間不同步問題是無法避免的。

 

釜底抽薪——如何解決時間不同步?

從《【大話UWB定位】之UWB應運而生》篇中,我們知道UWB定位系統對時間測量的要求極高,時間測量不准確會嚴重影響定位精度,1ns的時間差就會造成30cm的位置誤差。因此,時間不同步問題,必須要得以解決,目前,有兩種最常用的解決方式,有線同步和無線同步。

1、有線同步

有線同步就相當於所有的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個基站,使每個基站處於同一時間體系,實現時間同步。

這種同步方式的優勢在於時間測量精度高,各個UWB定位基站之間時間可保持高度同步,並且技術難度低,容易實現。存在的問題在於部署成本較高,因為每個基站都需要通過有線的方式連接到同步控制器,線路規划變得很復雜,部署UWB定位系統時會大量布線。但同步精度會相對來說高一些。

2、無線同步

無線同步就是各個UWB定位基站通過不斷與其他基站交換本隊時鍾信息,最終達到並且保持全局時間協調一致。也就是說UWB定位基站之間每隔一段時間進行信號交互,告訴其他基站自己現在處於什么時間,然后各自調整自身時間與其他基站保持一致。

無線同步方法依賴於UWB的測量時間精度,時間精度越高,兩個基站之間的時間誤差越小,那么它們的時間同步程度越高。無線同步方式的優勢在於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。

 

 

一馬當先——EHIGH恆高使用哪種同步方法?

綜合比較兩種同步方法,各有優劣。EHIGH恆高UWB定位系統采用的是無線同步方法,也是業內第一家擁有UWB無線同步技術的廠家。當前,EHIGH恆高的時間測量精度已經達到ps級,基站與基站之間時間可達到高度同步,實現10cm精確定位。


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