摘  要： 分析了無(wú)線定位系統(tǒng)中傳統(tǒng)異步測(cè)距算法節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移對(duì)定位精度的影響，為了減小測(cè)距誤差，提出了一種改進(jìn)的偽對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法(PSDS-TWR)。該算法采用多請(qǐng)求單確認(rèn)的測(cè)距方法。仿真和分析結(jié)果表明，該方法減小了時(shí)鐘漂移所帶來(lái)的測(cè)距誤差，提高了定位精度。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線定位；異步測(cè)距；時(shí)鐘漂移；PSDS-TWR

    實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一就是測(cè)距技術(shù)，即獲得兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)間的距離，依據(jù)不同節(jié)點(diǎn)間是否需要時(shí)鐘同步，可以將測(cè)距技術(shù)分為同步測(cè)距和異步測(cè)距。同步測(cè)距需要不同節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘精確同步，而異步測(cè)距時(shí)各節(jié)點(diǎn)間不需要時(shí)鐘同步，降低了實(shí)現(xiàn)成本。
    為了估計(jì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，必須準(zhǔn)確測(cè)量出錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的距離。由于不需要時(shí)鐘同步，在參考文獻(xiàn)[1]、[2]中分別采用了異步測(cè)距方法雙向測(cè)距（TWR）與對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距（SDS-TWR）。參考文獻(xiàn)[4]、[5]中也分別討論了這兩種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要收發(fā)端的時(shí)鐘同步，但由于收發(fā)端晶體的時(shí)鐘偏移會(huì)產(chǎn)生頻率誤差，導(dǎo)致在測(cè)量信號(hào)無(wú)線傳播時(shí)延（TOF）時(shí)產(chǎn)生時(shí)間誤差，最終影響測(cè)距精度，出現(xiàn)定位誤差。在參考文獻(xiàn)[3]中提出了采用非對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距方法（ADS-TWR）來(lái)降低時(shí)鐘偏移所引起的定位誤差，該方法雖然降低了時(shí)鐘偏移引起的定位誤差，但是在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。本文提出了改進(jìn)的偽對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法(PSDS-TWR)，該方法主要通過(guò)增加測(cè)距次數(shù)來(lái)降低時(shí)鐘偏移的影響，從而提高定位精度。
1 測(cè)距方法
1.1 傳統(tǒng)異步測(cè)距方法
    傳統(tǒng)的異步測(cè)距方法主要有TWR與SDS-TWR兩種。TWR算法測(cè)距過(guò)程如圖1所示。

    首先節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B收到測(cè)距數(shù)據(jù)后回送一個(gè)確認(rèn)幀給節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)A收到確認(rèn)幀立刻停止計(jì)時(shí)；而節(jié)點(diǎn)B在收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)過(guò)來(lái)的測(cè)距數(shù)據(jù)時(shí)立刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，到節(jié)點(diǎn)B回送確認(rèn)幀時(shí)立刻停止計(jì)時(shí)。設(shè)節(jié)點(diǎn)A的計(jì)時(shí)為T(mén)roundA，節(jié)點(diǎn)B的計(jì)時(shí)為T(mén)replyB，Tp為測(cè)距信號(hào)的無(wú)線傳播時(shí)延（TOF）則有：

則可計(jì)算出測(cè)距信號(hào)的無(wú)線傳播時(shí)延：

    由上述分析可知，測(cè)距時(shí)間誤差主要由節(jié)點(diǎn)B的響應(yīng)時(shí)間和晶體的時(shí)鐘偏移決定。假如響應(yīng)時(shí)間為1 ms，時(shí)鐘偏移為80 ppm，則測(cè)距時(shí)間誤差為40 ns，即距離誤差為12 m。
    為了減小時(shí)鐘偏移對(duì)測(cè)距精度的影響，在參考文獻(xiàn)[5]中采用SDS-TWR算法測(cè)量?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，SDS-TWR算法的測(cè)距過(guò)程如圖2所示。

    SDS-TWR即在TWR的基礎(chǔ)上對(duì)節(jié)點(diǎn)B再進(jìn)行一次TWR測(cè)量其與節(jié)點(diǎn)A的距離，最后將兩個(gè)距離的平均值作為節(jié)點(diǎn)A與B之間的距離。同上分析，則有：

比較式（6）與式（11）可知，就時(shí)鐘偏移引起的誤差而言，SDS-TWR比TWR有了明顯的改善。
1.2 PSDS-TWR
    基于SDS-TWR的思想，提出PSDS-TWR測(cè)距算法。每次測(cè)距時(shí)節(jié)點(diǎn)A首先向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送多幀測(cè)距數(shù)據(jù)，而節(jié)點(diǎn)B收到多幀測(cè)距數(shù)據(jù)之后向節(jié)點(diǎn)A回送一個(gè)確認(rèn)幀；然后反過(guò)來(lái)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送多幀測(cè)距數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)A收到多幀測(cè)距數(shù)據(jù)之后向節(jié)點(diǎn)B回送一個(gè)確認(rèn)幀，該算法的測(cè)距過(guò)程如圖3所示。

    假設(shè)每次測(cè)距時(shí)發(fā)送i個(gè)測(cè)距數(shù)據(jù)幀，對(duì)于每一個(gè)測(cè)距數(shù)據(jù)幀都有如下分析：

    由圖4可知，對(duì)于時(shí)鐘偏移的影響而言，三種算法中TWR性能最差，當(dāng)n=1時(shí)，PSDS-TWR與SDS-TWR性能一樣，隨著n的增大，PSDS-TWR的性能會(huì)明顯地提高，測(cè)距誤差越來(lái)越小，從而定位精度也越來(lái)越高。
    定位系統(tǒng)中應(yīng)用異步測(cè)距不需要精確的時(shí)鐘同步，但是晶體的時(shí)鐘偏移會(huì)導(dǎo)致定位誤差。為了降低時(shí)鐘偏移的影響，本文提出了PSDS-TWR測(cè)距方法，通過(guò)與傳統(tǒng)的異步測(cè)距方法TWR和SDS-TWR進(jìn)行比較得出，該方法對(duì)于時(shí)鐘偏移的影響有了明顯的改善，而且可以根據(jù)不同定位精度選擇合適的n以達(dá)到系統(tǒng)的要求。
參考文獻(xiàn)
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