基于TDOA系统的高精度软时钟同步方法

文章基于TDOA (Time Difference of Arrival，到达时间差)实时定位系统中的时钟同步问题，提出了一种交叉互验同步方法，在由Decawave公司提供的DW1000模块上实现TDOA定位系统的软时钟同步设计。考虑到模块的收发特性，同一时刻只能允许一条信号在空间中传输，该方法中包含主基站与从基站和用户标签的通讯协议，对模块之间的通讯时隙进行安排，解决了通讯信号互相干扰的问题。同时，该方法通过对模块间通讯过程进行建模分析，推导出时间戳、时钟频率漂移与时间轴偏差之间满足的线性方程组，将其最小二乘解代入TDOA定位算法，完成一次时钟同步与标签定位。文章提出的方法充分考虑TDOA实时定位系统的需求，具有时延低、实现简单、易于建模分析等优点。

移动定位服务在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，如停车场中车辆的定位、医院中患者的定位、火灾现场中受困人员的定位等。其在给人们提供便利的同时，也为定位系统的性能提出了更高的要求。目前，关于移动终端的定位有多种解决方案，包括基于AOA (Angle of Arrival，到达角度)的定位技术[1]、基于RSS (Received Signal Strength， 接收信号强度)的定位技术等[2]、基于TDOA (Time Difference of Arrival，到达时间差)的定位技术[3]、基于TOA (Time of Arrival，到达时间)的定位技术[4]。而在这些解决方案中，基于TDOA 的定位技术从实时性、准确性、低功耗性等多方面满足了定位服务的需求，此外，其易于操作，无需对移动终端提出要求，可直接向用户提供定位服务，这一系列优点使TDOA 实时定位算法得到了广泛应用。

对于TDOA 实时定位系统，基站间的时钟差异会显著影响信号到达时间差的测量，从而影响最终的定位效果。而在实际情况中，由于晶振老化程度、频率特性、温度等因素的不同，不同芯片的时钟频率会产生漂移。并且，芯片上电时间的差异导致芯片内部时间戳计数器的起始点不同，从而使绝对时间轴产生偏差。时钟频率的漂移和时间轴的偏差将会使TDOA 实时定位系统解算出的坐标出现错误。所以， 需要提出一种可应用于TDOA 实时定位系统的时钟同步方法。

最初的时钟同步系统[5]为硬布线式结构，包括同步信号和时钟频率生成器，同步信号与基站模块的引脚连接，可强制将片内系统时钟计数器复位为零，使得不同基站间的时间轴差异问题得以解决。而时钟频率生成端为所有基站芯片提供频率一致的时钟，从而防止不同基站模块晶振由于自身老化或周围环境等原因产生的频率漂移。在硬时钟同步系统中，不同基站之间依然会因为中央频率和同步信号的传输过程产生误差，造成时间轴的差异和时钟频率的漂移，并且布线成本高，对系统架构要求严格，不利于实际系统的部署。因此，适用于实际系统的软时钟同步设计引起了研究人员的广泛关注。

在过去的研究中，针对无线网络中的软时钟同步提出了许多方法。其中，可以按照系统是否具有一定拓扑结构将方法分为两类。具有一定拓扑结构的时钟同步方法如[6] [7]，其时钟同步复杂度低，但对同