1、基于改進(jìn)TPSN和卡爾曼濾波的時(shí)間同步算法摘要：給由一種基于改進(jìn)TPSN和卡爾曼濾波提高TDOA定位中時(shí)間同步精度的方法。TDOA定位中，信號(hào)接收設(shè)備之間的時(shí)間不一致性，最終將反映到定位解算方程中的距離測(cè)量上，因此，信號(hào)接收設(shè)備之間的精確時(shí)間同步成為基于TDOA定位的核心技術(shù)之一。在比較了多種網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議的基礎(chǔ)上，改進(jìn)主從節(jié)點(diǎn)間的TPSN同步協(xié)議。另外，針對(duì)定位系統(tǒng)中各時(shí)鐘存在時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘偏移率的缺陷問(wèn)題，結(jié)合時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘偏移率的分布特性，利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行時(shí)間同步誤差的糾正。仿真結(jié)果表明，該算法能明顯降低主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差。關(guān)鍵詞：時(shí)間同步；TDOA;時(shí)鐘偏移；TPSN;卡爾曼濾

2、波；同步精度中圖分類(lèi)號(hào)：TN92?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X(2018)13?0005?05Abstract:AmethodbasedonimprovedTPSNandKalmanfilteringispresentedtoimprovethetimesynchronizationaccuracyinTDOAlocation.Timeinconsistencybetweensignalreceivingdeviceswillultimatelyinfluenceontherangemeasurementinpositioningresolvingequation,sothe

3、precisetimesynchronizationbetweensignalreceivingdevicesbecomesoneofthecoretechnologiesbasedonTDOAlocation.Onthebasisofcomparingseveralnetworksynchronousprotocols,theTPSNsynchronousprotocolbetweenmasterandslavenodeswasimproved.Themethodofestimatingtheclockskewandclockdriftrateisstudiedtoovercomethede

4、fectsexistingineachclockinlocationsystem.TheKalmanfilteringalgorithmisusedtocorrectthetimesynchronizationerrorincombinationwiththedistributioncharacteristicsofclockskewandclockdriftrate.Thesimulationresultsshowthattheproposedalgorithmcanobviouslyreducethetimedeviationbetweenmasterandslaveclocks.Keyw

5、ords:timesynchronization;TDOA;clockskew;TPSN;Kalmanfiltering;synchronizationprecision0弓I言基于目？朔？射源的無(wú)線通信定位系統(tǒng)是由空間獨(dú)立的信號(hào)接收設(shè)備(實(shí)現(xiàn)三維定位至少需要4臺(tái)接收設(shè)備)、實(shí)現(xiàn)定位解算的中心控制系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)各接收設(shè)備之間通信的無(wú)線通信單元。其總體架構(gòu)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信用戶的定位，必須實(shí)現(xiàn)以下幾部分的技術(shù)研究：高靈敏度信號(hào)接收技術(shù)、接收設(shè)備之間的高精度同步技術(shù)和TDOA(TimeDifferenceofArrival)位置估計(jì)解算技術(shù)。基于TDOA的定位精度一方面取決于參考點(diǎn)的位置檢測(cè)可

6、靠性，另一方面取決于信號(hào)到達(dá)接收設(shè)備時(shí)間的測(cè)量精度。如果一個(gè)基于TDOA的無(wú)線定位系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)各個(gè)接收設(shè)備之間的高精度時(shí)間同步，就不可能獲得準(zhǔn)確的由各接收設(shè)備發(fā)送的用于TDOA解算的到達(dá)時(shí)間值，也就不能獲得準(zhǔn)確的被測(cè)目標(biāo)的位置解算。信號(hào)接收設(shè)備之間的時(shí)間不一致性最終將反映到定位解算方程中的距離測(cè)量上。信號(hào)接收設(shè)備之間的精確時(shí)間同步成為基于TDOA定位的核心技術(shù)之一，各信號(hào)接收設(shè)備間的低成本ns級(jí)的時(shí)間同步是高精度定位的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的時(shí)間同步方法有自由同步和分布式同步兩種。自由同步一般采用原子鐘，具有高精度、不受干擾的優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴。分布式同步又可分為主從同步和轉(zhuǎn)發(fā)同步1。主從同

7、步是主設(shè)備發(fā)射信號(hào)，從設(shè)備收到主設(shè)備信號(hào)后發(fā)射帶有接收發(fā)射時(shí)間信息的信號(hào)，采用鎖相環(huán)等技術(shù)，具有一定的抗干擾能力。轉(zhuǎn)發(fā)同步是從設(shè)備直接轉(zhuǎn)發(fā)主設(shè)備發(fā)射的信號(hào)，受傳播路徑的影響較嚴(yán)重。本文研究的系統(tǒng)采用主從同步方式。1相關(guān)研究時(shí)間同步的本質(zhì)是通過(guò)犧牲通信帶寬和計(jì)算功耗來(lái)提高時(shí)間精度。由于通信帶寬產(chǎn)生通信延遲抖動(dòng)，CPU(CentralProcessingUnit)處理能力決定時(shí)間戳精度，因此，基于時(shí)間信息包交換的時(shí)間同步精度主要由兩個(gè)方面決定：有偏差的物理時(shí)鐘和時(shí)間信息交換協(xié)議(即時(shí)間同步算法)2?3o1.1無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步基于有線網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)在不改變其低功耗等特征時(shí)很難應(yīng)用到無(wú)

8、線網(wǎng)絡(luò)4?6o關(guān)于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步已有多種協(xié)議得到廣泛應(yīng)用，主要可分為以下幾類(lèi)：1)基于發(fā)送者？接收者的雙向同步，典型算法如TPSN(Timing?SyncProtocolforSensorNetworks)算法2,4,7?8。2)基于發(fā)送者？接收者的單向時(shí)間同步，如FTSP(FloodingTimeSynchronizationProtocol)算法9和DMTS(DelayMeasurementTimeSynchronization)時(shí)間同步算法10。3)基于接收者？接收者的同步算法，如RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法2。但它們未能在能效和

9、精度上進(jìn)行充分的優(yōu)化。對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時(shí)間同步需要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：1)用于處理無(wú)線通信的資源；2)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展；3)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步基礎(chǔ)設(shè)施；4)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集合。1.2TPSN同步算法TPSN同步算法屬于發(fā)送者？接收者同步機(jī)制算法4,8,11。時(shí)間同步從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，構(gòu)建分層次等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)與高一級(jí)的節(jié)點(diǎn)交換時(shí)間戳來(lái)檢查同步情況，通過(guò)計(jì)算偏移量和交換延遲矯正傾斜角。其時(shí)間同步過(guò)程如圖2所示。設(shè)A為從節(jié)點(diǎn)，B為主節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳播時(shí)間為d,兩節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的時(shí)間偏差為6。同步過(guò)程由主節(jié)點(diǎn)B在T1時(shí)刻廣播同步開(kāi)始信息，其包含信息（T1）;從節(jié)點(diǎn)A在T2時(shí)刻接收到同步信息，并記錄接收時(shí)間7T2

10、:從式（3）,式（4）可以看由，只需一組數(shù)據(jù)就可以計(jì)算由主從節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差。在傳播過(guò)程中，如果這組數(shù)據(jù)信息受到多徑延遲或噪聲的影響，那么得到的接收時(shí)間就有可能不正確，但是通過(guò)利用多組數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算可以減小數(shù)據(jù)干擾。2時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)融合北斗與基站的定位采用TDOA定位方法，要求計(jì)算被定位終端信號(hào)到達(dá)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，時(shí)間差的準(zhǔn)確度取決于各節(jié)點(diǎn)之間的同步精度。為使TDOA定位系統(tǒng)中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)之間同步誤差盡量小，可以利用衛(wèi)星時(shí)鐘同步和基于時(shí)鐘誤差矯正的雙向數(shù)據(jù)通信鏈路達(dá)到高精度同步的目的。2.1 同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文中設(shè)定的基于TDOA的移動(dòng)通信用戶定位系統(tǒng)采用主從同步模式8。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在主、從節(jié)點(diǎn)

11、中使用的時(shí)鐘發(fā)生器主要由衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)、DPLL（DigitalPhaseLockLoop,數(shù)字鎖相環(huán)）、OCXO（Oven?controlledCrystalOscillator，恒溫晶體振蕩器）、振蕩器漂移補(bǔ)償算法組成。DPLL用來(lái)實(shí)現(xiàn)OXCO與衛(wèi)星接收機(jī)提供的1pps信號(hào)的同步，生成具有高頻率穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)鐘。然而對(duì)于衛(wèi)星接收機(jī)輸入DPLL的1pps信號(hào)有短時(shí)的抖動(dòng)，這是由于信號(hào)反射、電磁波通過(guò)電離層、多徑接收等原因產(chǎn)生的。由于通過(guò)衛(wèi)星的原子鐘生成的信號(hào)具有高穩(wěn)定性，所以可以通過(guò)DPLL環(huán)路濾波器的濾波降低抖動(dòng)。2.2 雙向通信鏈路為達(dá)到各接收端(節(jié)點(diǎn))之間的精確同步，采用雙向通信鏈路5,

12、8。這種方法在兩個(gè)通信鏈路上使用時(shí)間戳消息，當(dāng)傳送時(shí)鐘脈沖的路徑相同時(shí)，在主從節(jié)點(diǎn)之間延時(shí)是相互抵消的。因此兩個(gè)接收機(jī)之間時(shí)鐘差的估計(jì)是可行的。為了使時(shí)間戳信息在雙向鏈路上的傳輸延時(shí)相同，需要將所有的處理都在硬件中實(shí)現(xiàn)，從而使時(shí)延不會(huì)發(fā)生改變。最好是讓時(shí)間戳的生成位置在與傳輸介質(zhì)最近的物理層。當(dāng)在物理層使用時(shí)間戳?xí)r，在傳輸和接收的過(guò)程中不確定因素是傳播時(shí)間。當(dāng)主從節(jié)點(diǎn)之間是視距傳播時(shí)，則雙向傳輸?shù)碾姴▊鞑r(shí)延差就很小，因此可以準(zhǔn)確地估計(jì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘差。為此，本文研究的時(shí)間同步系統(tǒng)時(shí)間戳在物理層生成。無(wú)線信號(hào)的處理采用SDR(SoftwareDefineRadio)實(shí)現(xiàn)，CPU使用TI公司

13、的DSP芯片，它結(jié)合FPGA實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)和處理。以這種方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳可以使雙向鏈路的時(shí)間延遲最小化。2.3 時(shí)間同步協(xié)議和誤差矯正針對(duì)一主三從4個(gè)終端的TDOA定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)如圖4所示的TPSN同步協(xié)議。對(duì)TPSN協(xié)議做了改進(jìn)8,12,對(duì)于時(shí)間戳的需求數(shù)量相對(duì)于TPSN大大減少。它可以降低無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的壓力，縮短時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。?D4中TPSN協(xié)議的運(yùn)行順序描述如下：1)首先發(fā)送用于首次同步的同步廣播消息。2)各從節(jié)點(diǎn)接收到同步信息后，保存T2時(shí)間信息；每個(gè)從節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送同步脈沖消息后，保存T3時(shí)間信息；在第一階段沒(méi)有接收到3個(gè)同步脈沖時(shí)請(qǐng)求重傳。3)同步應(yīng)答消息廣播包括時(shí)間信息

14、T1和T4o4)在接收到應(yīng)答消息后，利用T1,T2,T3和T4校正9,9=(T2-T1)-(T4-T3)2。2.4 基于卡爾曼濾波的時(shí)鐘誤差校正如果獲取的時(shí)間戳信息是精確可靠的，從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘校正可以直接利用時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘偏移率實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。在同步協(xié)議已建立的前提下，信息包交換過(guò)程中還存在測(cè)量噪聲和傳輸時(shí)延等不確定性因素導(dǎo)致得到的時(shí)間信息不精確。所以在這里采用濾波器對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。在本文研究的帶有時(shí)鐘偏移的同步系統(tǒng)中，通過(guò)卡爾曼濾波器(KalmanFilter,KF)對(duì)時(shí)鐘偏移和偏移率進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步誤差校正13?16o2.4.1 時(shí)鐘校正原理和Kalman

15、算法TPSN算法采用的發(fā)送/接收模型如圖5所示，針對(duì)主節(jié)點(diǎn)和其中任何一個(gè)從節(jié)點(diǎn)運(yùn)用直接雙向同步算法，可以計(jì)算從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘的漂移率和時(shí)鐘偏移。定義從節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻(主節(jié)點(diǎn)時(shí)間)的時(shí)間為H(t),H(t)與參考時(shí)間t的時(shí)間偏差為從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差9(t),定義t時(shí)刻時(shí)鐘漂移a(t),時(shí)鐘漂移變化率為B(t),其中a(t)是9(t)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，B(t)是0(t)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。由于晶體振蕩器存在老化問(wèn)題，而且受環(huán)境溫度的影響，時(shí)鐘漂移不是恒定不變的。從時(shí)鐘與主時(shí)鐘具有非線性關(guān)系，在本文中，定義時(shí)鐘模型14如下：2.4.2 仿真分析利用Matlab軟件進(jìn)行時(shí)鐘校正，仿真實(shí)驗(yàn)中，主從時(shí)鐘的工作頻率設(shè)置為80

16、MHz,從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘漂移為2X10-10s,時(shí)鐘漂移率為1X10-11s,同步周期選擇1s,觀察卡爾曼濾波前后時(shí)間偏差情況，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，進(jìn)行卡爾曼濾波前、后時(shí)鐘偏差是隨機(jī)變化的，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算濾波前后的時(shí)鐘偏差的均值和方差得到的結(jié)果如表1所示。通過(guò)卡爾曼濾波估計(jì)得到狀態(tài)的估計(jì)值，使從時(shí)鐘的偏差得到補(bǔ)償，并對(duì)時(shí)鐘模型進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的同步。從圖6可見(jiàn)卡爾曼濾波算法可以明顯減小主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差。由圖7,圖8可知，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后從時(shí)鐘的漂移情況得到了改善，時(shí)鐘漂移率隨著時(shí)間的收斂效果明顯。3結(jié)語(yǔ)基于TDOA的無(wú)線定位系統(tǒng)中，時(shí)間同步是整個(gè)

17、系統(tǒng)提高定位精度的重要方面，主從同步中的TPSN同步方式一方面可以提高時(shí)間精度，另外，還可以降低能量消耗。本文研究的一主三從定位系統(tǒng)采用改進(jìn)的TPSN方法，對(duì)于時(shí)間戳的需求數(shù)量相對(duì)于TPSN大大減少。利用基于卡爾曼濾波的雙向同步算法，不僅時(shí)鐘偏差的測(cè)量噪聲被有效消除，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)鐘漂移以及時(shí)鐘漂移變化率的估計(jì)。另外，在對(duì)時(shí)鐘偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，修正從時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)間，從而提高無(wú)線定位系統(tǒng)的TDOA定位精度，仿真結(jié)果表明，卡爾曼濾波器能明顯減小主從時(shí)鐘的偏差，并且在對(duì)時(shí)鐘偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，修正從時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)間，從而降低無(wú)線定位系統(tǒng)的TDOA定位時(shí)鐘的偏差。參考文獻(xiàn)1 MASNEV,BADHIYES

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