馮 帆，王 軍，陳小磊，吳 春

(中電?？导瘓F(tuán)研究院，浙江 杭州 310015)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)，如危化工廠、養(yǎng)老院、監(jiān)獄、機(jī)場大廳、礦井、隧道等，對室內(nèi)定位信息的需求也日益增大。對于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號受損嚴(yán)重[1]，不能提供室精準(zhǔn)的室內(nèi)定位服務(wù)，而基于室內(nèi)定位的服務(wù)極具商業(yè)價值和潛在應(yīng)用前景，由此衍生出GNSS 之外的室內(nèi)定位技術(shù)，比如ZigBee 技術(shù)[2]、紅外線技術(shù)、Wi-Fi 技術(shù)[3]、射頻識別(RFID)技術(shù)、藍(lán)牙(BLE)技術(shù)[4]、超聲波技術(shù)、超寬帶(UWB)技術(shù)[5]等。

相比于室外，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無線信號在傳播過程中存在反射、折射、衍射等現(xiàn)象，定位源接收到的定位信號受損嚴(yán)重，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確甚至出現(xiàn)無法定位的情況[6]。一些定位技術(shù)，如藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外線、超聲波等定位技術(shù)，由于信號受到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的嚴(yán)重干擾，達(dá)不到高精度的定位要求，而超寬帶因?yàn)槠渖习僬椎膸?，具有較強(qiáng)的多徑分辨能力、抗干擾能力、穿透力等[7]，當(dāng)用于室內(nèi)定位時，其在定位結(jié)果的精確性和實(shí)時性方面具有絕對的優(yōu)勢[8]。

在基于UWB的室內(nèi)實(shí)時定位系統(tǒng)中，主要是通過基于時間的測距方式來實(shí)現(xiàn)對未知目標(biāo)源的定位，基于到達(dá)時間(TOA)的方法和基于達(dá)到時間差(TDOA)的方法是常用的UWB 室內(nèi)定位方法[5]，這兩種方法都需要精準(zhǔn)的時間測量。由于每個源節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部都有獨(dú)立的晶體振蕩器，各自按照自己的時鐘體系運(yùn)轉(zhuǎn)，不存在相互聯(lián)系，從而導(dǎo)致不同源節(jié)點(diǎn)之間存在初始的時間差。除了時間差外，各個源節(jié)點(diǎn)的晶振之間還存在頻率差，即使所有源節(jié)點(diǎn)初始時間相同，即不存在初始時間差，但是因?yàn)轭l率差的存在，各個源節(jié)點(diǎn)的時間讀數(shù)也會在一段時間后有所不同，而引起頻率差的原因有很多，如：生產(chǎn)工藝、溫度、濕度、設(shè)備老化等。同時，在利用無線信號實(shí)現(xiàn)基于時間的測距的過程中，由于無線信號的飛行速度(3×108m/s)的數(shù)量級，導(dǎo)致1 μs 鐘差足夠產(chǎn)生300 m的誤差，因此不管是基于TOA 還是TDOA的測距方法，都需要對不同的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時鐘同步。

對于定位源節(jié)點(diǎn)的時鐘同步，目前大體有有線和無線[9]兩種方式。有線同步利用同步控制器連接每個定位源節(jié)點(diǎn)，通過有線通信的方式將時間信息傳輸?shù)矫總€源節(jié)點(diǎn)，使得每個源節(jié)點(diǎn)都共用一個時鐘系統(tǒng)。無線同步利用源節(jié)點(diǎn)之間頻繁的時鐘信息交互，獲取時鐘偏差參數(shù)，對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)時鐘與其他源節(jié)點(diǎn)時鐘一致。雖然有線方式的同步精度比無線方式的高，但是在部署簡易度和成本上來說，無線同步方式更有優(yōu)勢。源節(jié)點(diǎn)間的無線通信有單向模式[10]也有雙向模式[11]，單向通信模式中某一基站按照一定的頻率發(fā)送UWB 信號給其他基站，無需等待其他基站的回復(fù)，而雙向通信模式中基站之間按照一定的頻率進(jìn)行雙向UWB 信息交換，從時隙劃分簡易度和待定位節(jié)點(diǎn)并發(fā)量方面考慮，顯然單向通信模式優(yōu)于雙向通信模式。本文采用無線單向通信的同步方式實(shí)現(xiàn)定位源節(jié)點(diǎn)之間的時鐘同步，同時采用基于TDOA的測距來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)源節(jié)點(diǎn)的定位?？紤]到單個區(qū)域[12](一個主基站三個從基站)的定位源節(jié)點(diǎn)的部署不足以滿足實(shí)際定位場景中較大區(qū)域的定位要求，在單個區(qū)域的時鐘同步基礎(chǔ)上進(jìn)行了多區(qū)域(多個主基站多個從基站)的時鐘同步設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域定位源節(jié)點(diǎn)的時鐘同步和待定位節(jié)點(diǎn)的定位。

1 單區(qū)域時鐘同步設(shè)計(jì)

針對單區(qū)域一主三從的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，主基站除了負(fù)責(zé)接收待定位節(jié)點(diǎn)的定位幀(BLINK)之外，還需要額外周期性地給另外三個從基站發(fā)送同步幀(CCP)，從基站之間不存在交互，同時對于主基站的同步幀也不需要進(jìn)行回復(fù)。主基站需要在接收信息和發(fā)送信息兩個狀態(tài)之間進(jìn)行切換，從基站只需要一直處于接收狀態(tài)，待定位節(jié)點(diǎn)也只需要一直處于發(fā)送狀態(tài)。單區(qū)域一主三從時鐘同步和定位系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 單區(qū)域系統(tǒng)組成示意圖

單區(qū)域時鐘同步原理示意圖如圖2 所示。以主基站MA 和從基站SA1 之間的通信為例，當(dāng)主基站MA 處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送同步幀CCP 給從基站SA1，同時記錄發(fā)送CCP 時間戳txccp01，之后切換至接收狀態(tài)，接收待定位節(jié)點(diǎn)Tag的定位幀，記錄定位幀接收時間戳blink0，在經(jīng)過一段固定時間△t0后，主基站MA 再次發(fā)送同步幀CCP 給從基站SA1，記錄發(fā)送時間戳txccp02；從基站SA1 一直保持接收狀態(tài)，分別記錄接收到主基站MA 同步幀的時間戳txccp11、rxccp12和待定位節(jié)點(diǎn)Tag 定位幀時間戳blink1。

圖2 單區(qū)域時鐘同步原理示意圖

當(dāng)主基站MA 和從基站SA1 處于相同的時鐘體系，即兩者之間不存在初始時間差和頻率差時，很容易得出主基站MA 和從基站SA1 對于待定位節(jié)點(diǎn)Tag的TDOA，即：

但是在實(shí)際應(yīng)用場景中，主基站MA 和從基站SA1都有自己的時鐘體系，必然不能直接計(jì)算兩者之間的TDOA。

根據(jù)圖2 主從基站同步通信過程可知，從基站SA1和主基站MA的定位幀在從基站SA1 接收同步幀CCP的時刻對應(yīng)的時間差分別為：

其中T01表示同步幀CCP 從主基站MA 到從基站SA1的飛行時間。

假設(shè)在時間段[txccp01，txccp02]內(nèi)，兩基站的時鐘未發(fā)生漂移[13]，即時鐘頻率保持不變，從而可得兩者的頻率差為：

已知主從基站的頻率差，則對于從基站時鐘體系下的某一時間間隔△ts，均可換算成其對應(yīng)的主基站時鐘體系下的時間間隔△tm，換算關(guān)系如下：

其推導(dǎo)過程如下：

以t 表示標(biāo)準(zhǔn)時鐘的讀數(shù)，c(t)表示節(jié)點(diǎn)本地時鐘在標(biāo)準(zhǔn)時刻t 時的讀數(shù)，則節(jié)點(diǎn)時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時鐘在標(biāo)準(zhǔn)時刻t的時間偏差為：

從而可得兩者的時間頻率差[10]為：

即兩者時間偏差的一階導(dǎo)數(shù)。

以主基站的時鐘為標(biāo)準(zhǔn)時鐘體系，對于從基站的一個時間間隔，令其本身時鐘體系下的起始時刻和終止時刻分別為和，其所對應(yīng)的主基站時鐘體系下的時刻分別為和，則存在如下關(guān)系：

兩式相減并移項(xiàng)得：

根據(jù)單區(qū)域主從基站時鐘同步原理示意圖可以看出，如果將從基站SA1 時鐘體系下的時間間隔換算成主基站MA 時鐘體系下的時間段，就可以得出從基站SA1與主基站MA 對同一定位幀BLINK的TDOA，即：

由時間段換算關(guān)系式(1)可得：

2 多區(qū)域時鐘同步設(shè)計(jì)

在將單區(qū)域定位系統(tǒng)擴(kuò)展成多區(qū)域定位系統(tǒng)來滿足更大區(qū)域的定位需求的過中，用于定位的源節(jié)點(diǎn)的角色不再是以前的主基站和從基站，而需要分成三類基站，即一級主基站、次級主基站和從基站。

一級主基站周期性地發(fā)送同步幀CCP 給其從基站和下級主基站，并在發(fā)送完CCP 后切換至接收狀態(tài)接收標(biāo)簽定位幀BLINK；次級主基站在接收其上級主基站發(fā)送的定位幀CCP 之后，切換至發(fā)送狀態(tài)并發(fā)送同步幀給其下級主基站(若有)和從基站，然后切換至接收狀態(tài)接收標(biāo)簽定位幀BLINK；從基站一直處于接收狀態(tài)，接收其上級主基站發(fā)送的定位幀CCP 和標(biāo)簽發(fā)送的定位幀BLINK。

本文設(shè)計(jì)的多區(qū)域定位系統(tǒng)以圖3 為例來進(jìn)行說明。一級主基站MA1的下級主基站為MA2，從基站為SA1 和SA2，該四個基站圍成的區(qū)域?yàn)榈谝粎^(qū)域；次級主基站MA2的上級主基站為MA1，下級主基站為MA3，從基站為SA2 和SA3，該四個基站圍成的區(qū)域?yàn)榈诙^(qū)域；次級主基站MA3的上級主基站為MA2，沒有下級主基站，從基站為SA3、SA4 和SA5，該四個基站圍成的區(qū)域?yàn)榈谌齾^(qū)域。在該系統(tǒng)中，對于多個主基站發(fā)送的同步幀，次級主基站和從基站只會接收其上級基站發(fā)送的同步幀。

圖3 多區(qū)域系統(tǒng)組成示意圖

多區(qū)域時鐘同步原理和單區(qū)域時鐘同步原理類似，以三個主基站和三區(qū)域的某個從基站為例，其原理示意圖如圖4 所示。

圖4 多區(qū)域時鐘同步原理示意圖

為方便多區(qū)域基站的時鐘同步，在進(jìn)行多區(qū)域基站的時鐘同步時，將每個基站接收到的標(biāo)簽定位幀時間戳換算成一級主基站時鐘體系下的時間戳。令：

則對于次級主基站MA2 接收到的定位幀BLINK2，其轉(zhuǎn)換后的值為：

同理，對于次級主基站MA3 和從基站SA4，其轉(zhuǎn)換后的定位幀時間戳分別為：

第一區(qū)域響應(yīng)定位幀的基站BLINK 時間戳換算可以參考次級主基站MA2的，第二區(qū)域的基站參考次級主基站MA3的，第三區(qū)域的基站參考從基站SA4的。通過將所有響應(yīng)標(biāo)簽定位幀的基站的BLINK 時間戳轉(zhuǎn)換成一級主基站時鐘體系下的時間戳后，在定位階段，可選任以基站作為定位參考基站，均可以計(jì)算其余基站與該基站的TDOA，從而進(jìn)行基于TDOA的位置解算，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)源節(jié)點(diǎn)的定位。

3 測試驗(yàn)證和結(jié)果分析

在測試時鐘同步效果時，采用了一主一從兩基站進(jìn)行驗(yàn)證，此時標(biāo)簽置于兩基站正中間，理論上來說，此時標(biāo)準(zhǔn)TDOA 應(yīng)該為0，本文分別測試了兩個基站不同距離時所估計(jì)的TDOA 大小，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖5 所示。

圖5 主從基站預(yù)估TDOA與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

在測試驗(yàn)證定位效果時，選擇某室內(nèi)場地作為測試場景，其示意圖如圖3 所示，各個基站的坐標(biāo)分別如下：MA1(0，0)，MA2(12，6)，MA3(26，6)，SA1(0，6)，SA2(16，0)，SA3(31，0)，SA4(31，15)，SA5(26，15)。實(shí)測過程中，每個區(qū)域選取了一個點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)測試，且這些點(diǎn)也代表了區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)、區(qū)域邊界附近點(diǎn)以及區(qū)域重合附近點(diǎn)，累計(jì)誤差概率圖如圖6 所示。

圖6 多區(qū)域不同點(diǎn)的定點(diǎn)測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，在實(shí)際定位場景中，對于一主一從兩基站的TDOA 預(yù)估與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在±1 000 ps左右，而且對于多區(qū)域不同區(qū)域的定點(diǎn)測試，定位結(jié)果的定位誤差低于0.4 m的概率不低于95%。

4 結(jié)論

本文在單區(qū)域(一主三從)UWB 定位基站時鐘同步的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于較大區(qū)域的時鐘同步方案，并利用實(shí)際室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，該時鐘同步系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的同步效果，并能夠取得較好的定位效果。