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无线时钟同步算法在UWB定位技术中的研究与应用 　　摘 要： 以无线时钟同步为主，提出一种以卡尔曼滤波算法为基础的无线时钟同步算法，同时也分析了无线时钟不同步的情况及原因，并且使用Hainan?EVK 1.0作为硬件平台进行了实验。实验结果表明，以卡尔曼滤波算法为基础的无线时钟同步算法能够满足TDOA定位算法的需求。 　　关键词： UWB； TDOA； 无线时钟同步算法； 卡尔曼滤波算法 　　中图分类号： TN915?34； TN919.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0031?04 　　Abstract： Studied for wireless clock synchronization， a wireless clock synchronization algorithm based on Kalman filter algorithm is proposed， and the wireless clock asynchronism and its reason are analyzed. The experiments for the algorithm was carried out with Hainan?EVK1.0. The results show that wireless clock synchronization algorithm based on Kalman filtering algorithm can meet the needs of TDOA location algorithm. 　　Keywords： UWB； TDOA； wireless clock synchronization algorithm； kalman filtering algorithm 　　0 引 言 　　无线定位系统是在指定的空间内通过测量无线电波的物理特性对目标进行实时监控。在室内，基于传统无线电技术的各类定位解决方案仍然是一个未解决的问题；因为室内信号传播环境相比室外更加复杂，很难精确分析信号到达时间或到达角度等参数[1]。2007年3月IEEE发布了基于UWB物理层的IEEE 802.15.4a?2007协议标准，这一标准旨在为无线个域网中使用超低数据速率、超低功耗和超低复杂度的器件进行短距离数据传输提供支持。IEEE 802.15.4a协议是IEEE 802.15.4协议的修订版，有两种物理层实现方式， 即超宽带技术UWB和 Chirp扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）技术。IEEE 802.15.4a超宽带（Ultra Wideband， UWB）基带如果用于定位，其在精确度、实时性能和数据带宽等方面具有绝对的优势。其中，UWB物理层可以工作在1 GHz，3～5 GHz和6～10 GHz这三种频率范围， 工作效率高， 即使在较低的发送功率下仍具有较好的鲁棒性[2]。而本文的实验则采用了爱尔兰Decawave公司生产的DW1000 UWB芯片组，其物理层协议为IEEE 802.15.4a。脉冲无线电超宽带 （Impulse Radio Ultra?Wideband，IR?UWB）的脉冲宽度仅为纳秒级或亚纳秒级，响应频率和脉冲宽度决定了UWB的定位精度在理论上可以达到厘米级。UWB技术实时响应频率可达到10～40 Hz，而其他定位技术普遍在1 Hz以下； UWB技术抗多径能力强，且时间分辨率很高，具有一定的穿透能力，这些特点有利于在室内复杂多径环境中进行实时定位和动态数据收集需求。目前国内UWB技术还主要集中在带宽应用及高速率接入等方向，UWB RTLS（Real Time Location System）定位技术鉴于其硬件起步较晚，无线时钟同步[3]、标签容量模型[4]及网络可扩展[5]通信协议难点，目前还尚未开展。而本文将针对TDOA定位算法中的无线时钟同步问题进行研究，并以Hainan EVK 1.0为实验平台，验证改进后的时钟同步算法的可行性。 　　1 影响无线时钟同步的因素及研究现状 　　由于每个基站都有自己独立的时钟源，使得每个基站测量到的标签信号到达时间（Time Of Arrival，TOA）没有一定的联系，并且每个基站的时钟源所用的不同晶振都存在不同的频率偏差，该频率偏差并不是个常数，而是随着温度的变化呈现出非线性变化，所以不同基站的晶振本身存在工艺上的差异和与环境温度之间的关系特性是影响时钟同步的主要原因；每个基站的启动时间不同也会导致标签信号的到达时间存在差异；如果主从基站的坐标摆放有偏差，或主从基站之间有障碍物阻挡就会导致计算出来的飞行时间不精确，从而影响无线时钟同步的性能。以上种种原因使得TDOA算