如何从零开始实现TDOA技术的 UWB 精确定位系统(2)

这是一个系列文章《如何从零开始实现TDOA技术的 UWB 精确定位系统》第2部分。

重要提示（劝退说明）：

Q：做这个定位系统需要基础么？
A：文章不是写给小白看的，需要有电子技术和软件编程的基础
Q：你的这些硬件/软件是开源的吗？
A：不是开源的。这一系列文章是授人以“渔”，而不是授人以“鱼”。文章中我会介绍怎么实现UWB定位系统，告诉你如何克服难点，但不会直接把PCB的Gerber文件给你去做板子，不会把软件的源代码给你，不会把编译好的固件给你。我不会给你任何直接的结果，我只是告诉你方法。
Q：我个人对UWB定位很兴趣，可不可以做出一个定位系统？
A：如果是有很强的硬件/软件背景，并且有大量的时间，当然可以做得出来。文章就是写给你看的！
Q：我是商业公司，我想把UWB定位系统搞成一个商业产品。
A：当然可以。这文章也是写给你看的。如果你想自己从头构建整个系统，看了我的文章后，只需要画电路打板；构思软件结构再编码。就这样，所有的难点我都会在文中提到，并介绍了解决方法。你不需要招人来做算法研究。如果你想省事省时间，可以直接购买我们的电路图(AD工程文件)，购买我们的软件源代码，然后快速进入生产环节。（网站: https://uwbhome.top）

基站固件设计-时钟同步

时钟同步原理

我们在前面已经说过，对于TDOA技术来说，各个基站需要有统一的时间，这是一个难点。时钟怎么同步呢？

假设一个定位区域有A/B/C/D四个基站，我们另外再把拿一个基站CS作为时钟源，定期发送时钟同步包。这个时钟同步包的结构如下：

typedef struct ieee154_broadcast_clock_sync_frame {
    uint8_t frameCtrl[2];           // 0, 2, frame control bytes 00-01: 0x01 (Frame Type 0x01=date), 0xC8 (0xC0=src extended address 64 bits, 0x08=dest address 16 bits)
    uint8_t seq8;                   // 2, 1, sequence_number 02
    uint8_t panID[2];               // 3, 2, PAN ID 03-04
    uint8_t destAddr[2];            // 5, 2, 0xFFFF
    uint8_t sourceAddr[8];          // 7, 8, 64Bits EUI地址
    uint8_t messageType;            //15, 1, Message Type = RTLS_MSG_TYPE_CLOCK_SYNC
    uint8_t seq64[8];               //16, 8, 发出的测距消息序号, 比 seq8 有更大的最大值
    uint8_t timeStamp[8];           //24, 8, 时间戳
    uint8_t fcs[2];                 //32, 2
} BROADCAST_CLOCK_SYNC_MESSAGE;

这是一个DW1000的典型的UWB数据包。这是一个广播类型的包，其中有几个重要字段，timeStamp这是时间戳，也就是A基站发送这个包的时刻。

当，A/B/C/D四个基站收到这个同步包后，记下这个时间戳和收到这个包的时刻(本地时间戳)，这样，我们就有两个时间戳了。

过一会，CS再发一个同步包。某个基站例如B基站收到后，再记录下CS基站的远程时间戳和本地收到的时候戳，又得到两个时间戳。

假设CS发出这两个包之间间隔100ms，也就是两个同步发送时间间隔100ms。那么在正常情况下，B基站收到这两个包时，本地的时间间隔应该也是100ms。实际上并不是！

因为两个基站的DWM1000使用的晶振会因为各种原因，频率并不会完全相同，总会有一些差异。

两个基站之间的时钟差异是多少呢?

deta = (ST2 - ST1) - (RT2 - RT1)。其中 deta 是差异，ST2是第二个包的发送时间，ST1是第一个包的发送时间，RT2是第二个包的接收时间，RT是第一个包的接收时间。

差异率是 Ratio = deta / (ST2-ST1)

这样，开始时间知道了，时钟的差异率也知道了。我们就可以把任意一个本地时间戳转换为以CS为准的时间戳。

当某一个标签发出UWB定位数据包时，A/B/C/D四个基站都收到这个包，A/B/C/D把收到时的本地时间戳转换为以CS的时间为基准的标准时间戳，大家都把这个时间戳送到定位引擎，定位引擎得到4个时间，根据它们的差，就可以计算出标签的坐标了。

看到这里，你心应该会有一个疑问。CS发出的同步数据包的发送时刻，是UWB数据包离开CS内的DW1000芯片的一个闸门那一刻。UWB信号然后经过了芯片内部线路，再经过发射天线发射到空中，到达B基站的天线，在B基站的天线内部传输，经过一些芯片内部线路，到达B基站中的DW1000的那个接收闸门，那个时刻是接收到的时刻。这个过程需要不少时间，这个时间怎么得到？在DW1000芯片的手册中有介绍，我们要考虑发射天线延迟/接收天线延迟。

回答是，不用管它。

我们假设，B基站的DW1000与天线之间通过一条长长的射频电缆连接，时钟同步包到达B基站的天线后，再经过长长的电缆才到DW1000芯片。当然，标签发出的定位数据包也一样，到达B基站的天线后，再经过长长的电缆才到DW1000芯片。假设电缆增加一段，导致无线电波要在电缆中多跑1ms，当然，时钟同步包和定位包都要多花1ms在路上。如果我们在计算B基站接收时钟同步包时的时间戳时把这1ms考虑进去，那么在定位引擎计算时间差的时候，要把标签的定位包多花的这1ms扣出。所以这两个包在电缆中所花的时间，在计算公式中会被抵消。

在安装基站时，我们关心“基站安装在哪个位置”，其实并不真的关心基站的位置，而是关心基站天线的位置。天线的位置才是最重要的。时钟同步包到达天线，定位数据包到达天线，基站本身在哪里并不重要。

这也是TDOA的优势之一，不用关心天线延迟，不需像TOF基站和TOF标签那样，在出厂前要做天线延迟标定。

上述的分析，是在使用单独的基站作为时钟源的场景下。我们最初的系统就是使用单独的时钟源。时钟源的硬件和固件与正常的基站完全相同，根据配置作为时钟源还是作为普通基站。作为时钟源的时候，功能只有一个，就是定期发送时钟同步包，时钟源的DW1000只发射不接收；作为普通基站的时候，接收时钟源发出的时钟同步包和标签发出的定位包，普通基站的DW1000只接收不发射。后来，为了降低成本，我们把两个功能合并，普通基站既可以作为基站又可以作为时钟源，平时处于接收状态，定期切换到发射状态发送一个时钟同步包后立即又切换回接收状态。这样，可以节省一个单独的时钟源。

如果基站同时作为时钟源，那么作为时钟源的这个基站，它的天线延迟在计算时就会有影响。对于时钟同步包来说，它是发射延迟；对于定位数据包来说，它是接收延迟。DW1000内部发射延迟和接收延迟差异不大，计算时可以忽略不计。但是，如果有外接PA/LNA，发射和接收经过的路线差异比较大，就需要考虑到这个异常了。

我们最初设计整个系统时，曾经考虑整个系统使用统一的时间。大的定位区域，可以划分为多个小的定位区域。我们可以部署一个根时钟，各个区域有一个分时钟，从根时钟同步时间，逐级同步时钟就OK。

然而事情不是这么简单，最主要的问题是误差。时钟之间的误差我们是无法排除的。

例如，根时钟R的时间同步到A1/B1，然后A1同步到A2，B1同步到B2。然后我们会发现A2和B2之间的误差会比较大。因为时钟同步本身就有误差，多级同步会导致误差积累，最后的误差越来越大。

最后，我们发现整个系统统一时间意义不大，只需要某个小的定位区域内的几个基站之间统一时间就可以了。

细心的同学肯定注意到，前面定义的时钟同步包结构中，一个字段seq64。这是一个64位整数。DW1000芯片内部定义有一个8位的seq，放在帧控制字段后。我们发现，1个字节表达数据包序列号，最多只能256个，很快就会回卷。有时，我们关心更大时间尺度内的数据包，就无法分辨了。所以，我们单独设置了一个64位的数据包序列号。

另外，DW1000的时间戳的有效数据是40位，其单位约为15.6ps。

后期，精益求精的考虑，我们新定义了一个精练一些的时钟同步包。

typedef struct ieee154_broadcast_mini_clock_sync_frame {
	uint8_t frameCtrl[2];			// 0, 2: frame control bytes 00-01: 0x01 (Frame Type 0x01=date), 0xC8 (0xC0=src extended address 64 bits, 0x08=dest address 16 bits)
	uint8_t seq8;				// 2, 1: sequence_number 02
	uint8_t panID[2];			// 3, 2: PAN ID 03-04
	uint8_t destAddr[2];			// 5, 2: 0xFFFF
	uint8_t sourceAddr[8];			// 7, 8: 64 Bits EUI地址
	uint8_t	messageType;			// 15,1: Message Type = RTLS_MSG_TYPE_MINI_CLOCK_SYNC
	uint8_t	seq32_3[3];			// 16,3: 发出的测距消息序号的高 24 位,即高 3 字节
	uint8_t timeStamp[5];			// 19,5: 时间戳, 40 Bits
	uint8_t fcs[2];				// 24,2:
} BROADCAST_MINI_CLOCK_SYNC_MESSAGE;		// 以上合计 26 字节

seq没有必要搞成64位，32位足够了，前面有一个seq8，那么后面只需要3个字节就可以了，所以把seq64改为seq32_3；时间戳的有效位只有40位，所以不需要使用64位。

新的时钟同步包大小由34个字节减小到26个字节。

因为无线信号本质上是广播，同一时刻空中只能有一个声音，如果出现其它的声音，就是干扰。所以，我们要尽可能的减小信道的占用，传送的数据包越小，占用的时间越短。可以腾出时间，以容纳更多的标签；并且，数据包占用信道的时间越短，被干扰的几率也就越小。

基站共用-与多个时钟源同步时钟

因为UWB业务的定义就是近场无线通信，几乎所有国家的无线电管理部门对UWB的信号功率都有严格限制，不允许大功率发射。因为UWB占用的带宽太宽了，如果功率大了，它就变成干扰源了。

原厂DW1000最大功率发射时，以850K的速率通讯时，覆盖范围大约200米~300米范围。实际上，这个最功率是超标的。如果按照无线电管理局要求的信号强度，通讯距离大概会在20米以内。

无论如何，当我们要对一个很大的区域进行定位，经常需要把它划分为多个小的定位区域。我们假设有一个100米x100米的区域，划分为4块25米x25米的4个区域。假设每个区域使用4个基站，那么4个区域就需要4x4=16个基站。

如果基站可以共用，定位区域边缘的基站可以供相邻的区域共用，那么我们只需要有“田”字的每个顶点安装一个基站，只需要3*3=9个基站就可以了。

使用尽量少的基站，可以减少用户的投资，也减小项目施工难度。

前面我们所述的时钟同步，基站可以多记录几个时钟源的时间戳，就可以达到与多个时钟源同步时间的效果。

typedef struct tag_ClockSource_Sync_Info {
	uint8_t clockSourceId[8];
	double factor;
	double lastFactors[CLOCKSOURCE_SYNC_INFO_LAST_FACTOR_NUM];
	int64_t offset;
	int64_t localStartTime;
	int64_t lastSyncTime;
	SAMPLE_KALMAN_FILTER_PARAMETER kfp;
	SAMPLE_RC_FILTER_PARAMETER rfp;
	double ppm;
	double lastFactorAcc[CLOCKSOURCE_SYNC_INFO_LAST_FACTOR_NUM];
	double factorAcc;
} CLOCKSOURCE_SYNC_INFO;

上面这个结构是记录了某个时钟源的时钟同步数据。

#define CLOCKSOURCE_SYNC_INFO_NUM	15			// 记录 15 个时钟源的同步信息
CLOCKSOURCE_SYNC_INFO clockSourceSyncInfo[CLOCKSOURCE_SYNC_INFO_NUM];

上面这个数组记录多个时钟源的数据。

具体允许与多少个时钟源同步，这与MCU的RAM有关。在现实中，其实也不会有太多的区域共用同一个基站，15个基本上不同能了。

时钟同步的干扰因素

如果每次收到时钟同步包时，都计算时钟的差异率，那么会发现它一直在变化。我们期望得到一个稳定的，至少一段时间内变化不大的差异率。但是，这不可能！有太多“干扰”因素。

晶振的频率变化

DW1000的晶振是时钟的源头。对晶振的频率生产影响的因素很多，温度湿度变化/电压变化都会影响晶振的频率。晶振两端的pad电容的容量变化，也会对频率产生影响（有些电路就是通过调整这两个pad电容的容量来调整电路的频率），温度湿度电压的变化对这两个电容也会产生影响。

DW1000的Datasheet中建议“Crystal (38.4 MHz +/-10ppm)”，“TCXO (optional use in Anchor nodes. 38.4 MHz)”。DWM1000模组把DW1000芯片封装在一个铁盒子中，对晶振频率的稳定是有一定好处的，因为在铁盒子中有一定的保温效果，可以让晶振的温度不会快速受到空气流动的影响。

其实，频率不准并不可怕。频率偏差再大，我们也可以通过计算校准。我们怕的是无规律的快速变化。

无线电波传输速度的变化

无线电波在空气中传输，空气作为介质，是不稳定的。空气的温度/湿度/气压等都会影响无线电波在空气中的传输速度。

曾经有一次，我把开发板固定在三角架上，放在我办公桌旁边，我在观察时钟同步差异率的变化。刚好有一位同事从旁边路过，我马上看到曲线发生剧烈变化。这也是我在前面基站电路设计部分强调外壳很重要的原因。

保持时钟同步稳定性

因为影响时钟同步差异的因素很多，所以我们要想办法保持稳定。有几个办法：

缩短时钟同步周期。我们把时钟同步周期设定为250ms。较短的时钟同步周期，可以保持当前的时钟同步数据较新，与最新的各种影响因素匹配。

卡尔曼滤波或者其他方法滤波。总体上，频率的变化是类似正态分布的一些随机点：频率有一个总体的变化趋势，如果我们时钟的差异率画出来，它是总体上是一条逐步变化的曲线，但是每次计算出来的点，并不在正好落在曲线上，而是在曲线附近。我们可以使用滤器得到曲线上的值。

使用滤波的效果很在限，最重要的还是缩短时钟同步周期。因为通过滤波器得到的值，并不是真的实际情况，而是一个理想值。比如，因为空气温度变化导致电波从时钟到基站的传输速度变化了，我们得出一个排除这个影响的值，但实际上这个值意义不大。因为标签发出的定位包的速度也一样会受到影响，应该一道排除空气变化影响才行，如果只对时钟同步排除，而标签发出的定位包不排除，那么计算结果肯定会有较大的偏差。

原来打算基站固件设计写一篇就搞定，结果发现仅是时钟同步就写了这么多内容。看来要写的东西还是有点多。慢慢写吧。