CN115209518A - 一种基于toa的uwb系统时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，主要包括：1)在线基站未加入系统同步前，在给标签发送的消息帧中带上与自身对应的同步时间；加入系统同步后，则带上修正与系统对应的同步时间；2)在线标签根据接收的所有基站的同步时间，从中决定出最新的系统同步时间，并在下一次测距交互广播的消息帧中带上，以保证在线基站接收到后完成系统同步时间与自身同步时间的时钟偏差量的更新。本方法无需增加新的时间同步硬件设备，并且在不影响现有TOA测距流程的前提下，可以有效改善UWB系统的标签容量问题。

Description

一种基于TOA的UWB系统时间同步方法
技术领域
本发明涉及UWB领域，尤其涉及一种基于TOA的UWB系统时间同步方法。
背景技术
超宽带(UWB，Ultra Wideband)是一种通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲的无线通信技术，通过测量标签和基站之间UWB信号的飞行时间(TOA，Time OfArrival)来实现节点间测距功能，精度可达厘米级。为消除两端时钟晶振的偏移差异，常用的双边双向测距(DS-TWR，Double-Sided Two Way Ranging)方法通过至少2次往返交互来计算测距值。由于不需要标签和基站响应时间保持严格一致，DS-TWR方法具有较好的测距鲁棒性和工程可用性；但也因为系统没有统一时间基准，多标签场景下每个标签都是根据自身时钟按一定频率与基站进行数据交互，因而容易发生UWB信号碰撞，导致基于TOA的UWB系统容量差强人意。
发明内容
本发明公开了一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，在不改变现有标签和基站的测距交互流程的前提下，可以实现同空间内多基站间的时间同步功能，再通过合理分配标签发送UWB信号的时隙，可以有效改善现有UWB系统容量问题。本方法包括：
标签上电后按一定周期主动给所有基站广播第一消息帧，包括所述标签的最新系统同步时间信息；
基站接收所述第一消息帧，获取所述标签的最新系统同步时间信息，并根据自身缓存的基站同步时间，更新基站同步状态和基站与系统的时钟偏差量；
基站根据消息帧的接收时间更新所述基站同步时间，根据所述同步状态和所述时钟偏差量进行相应修正，然后给所述标签发送第二消息帧，包括所述基站的最新基站同步时间信息；
所述标签接收所有基站的第二消息帧，确定最新的系统同步时间，并根据所述最新的系统同步时间确定下一周期发送所述第一消息帧的准确时隙。
优选的，所述标签的最新系统同步时间信息，包括：
标签同步状态，分为未加入系统同步和已加入系统同步，所述标签上电后初始为未加入系统同步；
系统同步时间，当所述标签同步状态为未加入系统同步，为默认无效值；当所述标签同步状态为已加入系统同步，为上一周期确定的最新的系统同步时间。
优选的，所述更新基站同步状态和基站与系统的时钟偏差量，包括：
所述基站同步状态初始为未加入系统同步，所述时钟偏差量初始为0；
若所述标签同步状态为未加入系统同步，保持所述基站同步状态和所述时钟偏差量不变；
若所述标签同步状态为已加入系统同步，所述基站同步状态变为已加入系统同步，所述基站根据以下公式调整所述时钟偏差量：
时钟偏差量＝最新的系统同步时间-缓存的基站同步时间-(当前标签时隙编号-上一标签时隙编号)*单位时隙长度。
优选的，所述基站的最新基站同步时间信息，包括：
若所述基站同步状态为未加入系统同步，为所述基站同步状态和所述基站同步时间；
若所述基站同步状态为已加入系统同步，为所述基站同步状态和根据所述时钟偏差量修正的基站同步时间。
优选的，所述确定最新的系统同步时间，包括：
遍历所有基站的基站同步状态，判断是否有已加入系统同步的基站；
若存在已加入系统同步的基站，从所述已加入系统同步的基站中任意选择1个的所述修正的基站同步时间确定为所述最新的系统同步时间，或者以所有所述已加入系统同步的基站的所述修正的基站同步时间的均值确定为所述最新的系统同步时间；
若所有基站都未加入系统同步，从所有基站中任意选择1个的所述基站同步时间确定为所述最新的系统同步时间。
本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：本方法具有低开销、易实现的优点，在无需增加新的时间同步硬件设备和影响现有TOA测距流程的前提下，有效改善了多标签UWB系统中由于随机发送导致的信号碰撞问题，系统容量提升显著。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种UWB系统时间同步方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种基于3消息方式TOA测距的UWB系统时间同步方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1是本发明实施例一提供的一种UWB时间同步方法的流程示意图。如图1所示，包括以下步骤：
S101：标签上电后按一定周期主动给所有基站广播第一消息帧，包括所述标签的最新系统同步时间信息；
S102：基站接收所述第一消息帧，获取所述标签的最新系统同步时间信息，并根据自身缓存的基站同步时间，更新基站同步状态和基站与系统的时钟偏差量；
S103：基站根据消息帧的接收时间更新所述基站同步时间，根据所述同步状态和所述时钟偏差量进行相应修正，然后给所述标签发送第二消息帧，包括所述基站的最新基站同步时间信息；
S104：所述标签接收所有基站的第二消息帧，确定最新的系统同步时间，并根据所述最新的系统同步时间确定下一周期发送所述第一消息帧的准确时隙。
本实施例中，所述标签和所述基站是具备UWB定位模块的设备，两者只是根据上电后的工作流程不同进行区分，这里并不限定定位终端的具体类型。
本实施例中，所述标签的最新系统同步时间信息，包括标签同步状态和系统同步时间，在所述第一消息帧中可以用2个独立字段表示，也可以用1个限定有效范围的字段表示。所述标签同步状态分为未加入系统同步和已加入系统同步，所述标签上电后初始为未加入系统同步，当采用2个独立字段表示时，所述标签同步状态可用0-1二值区分。所述系统同步时间为系统根据各个基站上电后从CPU获取的设备时间中挑选出的统一时间基准，当所述标签同步状态为未加入系统同步时，所述系统同步时间为无效值，因此当采用1个限定有效范围的字段表示时，若所述标签同步状态为已加入系统同步，所述系统同步时间可限定为取值大于等于0且随时间递增的数值；若所述系统同步时间为负数则表示所述标签同步状态为未加入系统同步。类似的，所述基站的最新基站同步时间信息包括基站同步状态和基站同步时间，在所述第二消息帧中可以用2个独立字段表示，也可以用1个限定有效范围的字段表示。
本实施例中，所述基站根据消息帧的接收时间更新所述基站同步时间，不限于所述第一消息帧的接收时间，例如在基于DS-TWR的每轮UWB测距流程中，所述标签会发送至少2次消息帧，都可选择其一的接收时间用作更新所述基站同步时间。但优选的，采用在第二消息帧之前的消息帧的接收时间更新所述基站同步时间，可以进一步减小本发明方法的系统时间同步误差。
图2为本发明实施例二提供的一种基于3消息方式TOA测距的UWB系统时间同步方法的流程示意图。其中所述3消息方式是指由标签首先主动发送Poll帧，基站接收到后返回Response帧，标签接收到再发送Final帧，所述基站最终获取到3条数据帧所有的发送时间戳和接收时间戳后计算测距值。因此，本实施例中的Poll帧即对应所述第一消息帧，Response帧即对应所述第二消息帧。如图2所示，包括以下步骤：
S201：标签上电后按一定周期开始测距工作，将最新的标签同步状态和系统同步时间写入Poll帧，向基站发送，其中：
a)若标签同步状态为未加入系统同步，系统同步时间设定为-1；
b)若标签同步状态为已加入系统同步，系统同步时间则为上一周期获取的最新值。
S202：基站收到Poll帧获取所述最新的标签同步状态和系统同步时间，联合自身缓存的上一周期的基站同步时间，更新系统与自身的时钟偏差量，其中；
a)所述基站同步状态初始为未加入系统同步，所述时钟偏差量初始为0；
b)若所述标签同步状态为未加入系统同步，所述基站保持所述基站同步状态和所述时钟偏差量不变；
c)若所述标签同步状态为已加入系统同步，所述基站同步状态变为已加入系统同步，所述基站根据以下公式调整所述时钟偏差量：
时钟偏差量＝最新的系统同步时间-缓存的基站同步时间-(当前标签时隙编号-上一标签时隙编号)*单位时隙长度
S203：所述基站以Poll帧的接收时间戳作为基站同步时间，并根据所述基站同步状态判断是否需要对所述基站同步时间进行修正：
a)若所述基站同步状态为未加入系统同步，所述基站同步时间不进行修正，并将所述基站同步状态和所述基站同步时间写入Response帧；
b)若所述基站同步状态为已加入系统同步，修正的基站同步时间为所述基站同步时间和所述时钟偏差量之和，并将所述基站同步状态和所述修正的基站同步时间写入Response帧；然后所述基站发送所述Response帧。
S204：所述标签等待接收所有基站的Response帧，若没有收到任何Response帧，所述标签同步状态设为未加入系统同步；否则，所述标签同步状态设为已加入系统同步，按正常流程发送Final帧后，根据所有基站的基站同步状态和基站同步时间确定最新的系统同步时间：
a)遍历所有基站的基站同步状态，判断是否有已加入系统同步的基站；
b)若存在已加入系统同步的基站，从所述已加入系统同步的基站中任意选择1个的所述修正的基站同步时间确定为所述最新的系统同步时间，或者以所述已加入系统同步的基站的所述修正的基站同步时间的均值确定为所述最新的系统同步时间；
c)若所有基站都未加入系统同步，从所有基站中任意选择1个的所述基站同步时间确定为所述最新的系统同步时间。
S205：所述标签根据所述最新的系统同步时间和自身分配的时隙编号，按以下公式确定距下一周期测距发送Poll帧的准确时间间隔：
下次Poll帧时间间隔＝定位时间周期+当前标签时隙编号*单位时隙长度-系统同步时间％定位时间周期
然后进入休眠状态。
本实施例中，所述单位时隙长度是事先定义好的分配给每个标签进行TOA测距的最小单位时间，取值应略大于每对标签和基站完成1次完整TOA交互需要的时间，以避免系统同步抖动误差的影响。所述单位时隙长度取值越大，该系统同步抖动误差影响越小，但同时系统可容纳的标签数量就随之减少。理论上，采用本实施例方法，系统标签容量上限＝标签定位间隔/单位时隙长度。
本实施例中，所述标签时隙编号用于错开各个标签发送UWB消息帧的时间，防止无线信号碰撞，单个系统中每个时隙编号同一时间段内最多只能分配给1个标签。所述标签时隙编号的分配规则可以是多种方式的，例如可以通过对标签的唯一识别码(ID)用系统标签容量进行模余得到，或者事先统一确定好可容纳标签的固定时隙编号，或者也可以由基站在系统工作期间进行动态分配，这里不作具体限制。
采用本实施例方法，系统的时间同步误差可控制在毫秒量级，主要包括：时间戳单位转换误差、基站飞行时间误差、基站/标签晶振偏移误差。其中：
(1)所述时间戳单位转换误差取决于记录所述系统同步时间的单位，实际工程应用通常以毫秒为单位，那么所述时间戳单位转换误差最大为0.5ms；
(2)所述站飞行时间误差来自于不同基站与标签的距离差异导致的无线信号飞行时间差，基站和标签之间距离通常至多在百米量级，而无线信号以光速传播，因此所述站飞行时间误差在1us以下，可忽略不计；
(3)所述基站/标签晶振偏移误差主要取决于硬件设备的元器件差异(时钟晶振的偏移误差)和标签定位频率，根据本实施例方法，每次基站是利用上一周期的时钟偏差量修正最新的基站同步时间，那么在两次定位之间会由于连续两个周期涉及到的2对基站和标签的时钟晶振偏移误差引入一定误差，假设UWB模块选型的晶振偏移误差上限为5‰，所述标签定位频率为10Hz，那么所述基站/标签晶振偏移误差最大为2*2*5‰*100＝2ms。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，具体步骤包括：
标签上电后按一定周期主动给所有基站广播第一消息帧，包括所述标签的最新系统同步时间信息；
基站接收所述第一消息帧，获取所述标签的最新系统同步时间信息，并根据自身缓存的基站同步时间，更新基站同步状态和基站与系统的时钟偏差量；
基站根据消息帧的接收时间更新所述基站同步时间，根据所述同步状态和所述时钟偏差量进行相应修正，然后给所述标签发送第二消息帧，包括所述基站的最新基站同步时间信息；
所述标签接收所有基站的第二消息帧，确定最新的系统同步时间，并根据所述最新的系统同步时间确定下一周期发送所述第一消息帧的准确时隙。
2.根据权利要求1的一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，其特征在于，所述标签的最新系统同步时间信息，包括：
标签同步状态，分为未加入系统同步和已加入系统同步，所述标签上电后初始为未加入系统同步；
系统同步时间，当所述标签同步状态为未加入系统同步，为默认无效值；当所述标签同步状态为已加入系统同步，为上一周期确定的最新的系统同步时间。
3.根据权利要求1的一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，其特征在于，所述更新基站同步状态和基站与系统的时钟偏差量，包括：
所述基站同步状态初始为未加入系统同步，所述时钟偏差量初始为0；
若所述标签同步状态为未加入系统同步，保持所述基站同步状态和所述时钟偏差量不变；
若所述标签同步状态为已加入系统同步，所述基站同步状态变为已加入系统同步，所述基站根据以下公式调整所述时钟偏差量：
时钟偏差量＝最新的系统同步时间-缓存的基站同步时间-(当前标签时隙编号-上一标签时隙编号)*单位时隙长度。
4.根据权利要求1的一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，其特征在于，所述基站的最新基站同步时间信息，包括：
若所述基站同步状态为未加入系统同步，为所述基站同步状态和所述基站同步时间；
若所述基站同步状态为已加入系统同步，为所述基站同步状态和根据所述时钟偏差量修正的基站同步时间。
5.根据权利要求1的一种基于TOA的UWB系统时间同步方法，其特征在于，所述确定最新的系统同步时间，包括：
遍历所有基站的基站同步状态，判断是否有已加入系统同步的基站；
若存在已加入系统同步的基站，从所述已加入系统同步的基站中任意选择1个的所述修正的基站同步时间确定为所述最新的系统同步时间，或者以所有所述已加入系统同步的基站的所述修正的基站同步时间的均值确定为所述最新的系统同步时间；
若所有基站都未加入系统同步，从所有基站中任意选择1个的所述基站同步时间确定为所述最新的系统同步时间。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140133656A1 (en) * 2012-02-22 2014-05-15 Qualcomm Incorporated Preserving Security by Synchronizing a Nonce or Counter Between Systems
CN106550451A (zh) * 2016-11-01 2017-03-29 哈尔滨工程大学 一种多用户超宽带室内定位系统
CN111818614A (zh) * 2020-07-01 2020-10-23 睿魔智能科技（深圳）有限公司 一种基于uwb的动态分布式自组网调度方法及系统
CN112654082A (zh) * 2019-10-11 2021-04-13 广东博智林机器人有限公司 一种计时装置、基站、定位系统、校准方法和定位方法
CN112969231A (zh) * 2019-12-12 2021-06-15 中磊电子（苏州）有限公司 超宽带定位系统、基站、标签及其操作方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140133656A1 (en) * 2012-02-22 2014-05-15 Qualcomm Incorporated Preserving Security by Synchronizing a Nonce or Counter Between Systems
CN106550451A (zh) * 2016-11-01 2017-03-29 哈尔滨工程大学 一种多用户超宽带室内定位系统
CN112654082A (zh) * 2019-10-11 2021-04-13 广东博智林机器人有限公司 一种计时装置、基站、定位系统、校准方法和定位方法
CN112969231A (zh) * 2019-12-12 2021-06-15 中磊电子（苏州）有限公司 超宽带定位系统、基站、标签及其操作方法
US20210181333A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-17 Sernet (Suzhou) Technologies Corporation Ultra-wideband (UWB) positioning system, base station, tag and operation methods thereof
CN111818614A (zh) * 2020-07-01 2020-10-23 睿魔智能科技（深圳）有限公司 一种基于uwb的动态分布式自组网调度方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
范强，张涵，隋心: ""UWB TW-TOA测距误差分析与削弱"", 《测绘通报》, no. 9 *

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