一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法技术

一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，在物理层采用扩频信号体制，在所属同步时隙内通过半双向的星间测距方式，计算子节点与父节点间的钟差，完成节点间的高精度时间同步。在MAC层采用网络同步管理，向网络中广播同步状态信息，并进行同步拓扑的管理，将时间同步父节点选择结果提供给物理层用于节点间同步，从而实现全网节点间的时间同步。本发明专利技术方法适用于各类星群的星间时间同步需求，对于卫星系统没有特殊的要求，通用性强、适用范围广，星上处理简单，具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星通信领域，涉及一种卫星网络时间同步方法，能够实现复杂空间环境下的卫星组网时间同步，适用于各类星群的星间时间同步应用。
技术介绍
星间网络互联能够最大限度地提升网络的服务能力，扩充网络的服务范围，有效地弥补单星在轨运行存在的各种不足，从而构建一个功能完善、性能稳定的空间服务系统。编队星群相比于以往的星座来说，要求参与编队飞行的各个卫星平台之间的相互位置测量更为精确，编队构形更加稳定，同时由于各个卫星平台之间要发生信息交换，因此要求各个卫星平台之间的时钟严格统一，单个卫星平台的自主能力更强。同时，由于卫星编队一体化传输的需要，卫星节点之间需通过精确测距获得相对距离信息，并以此为基础决定传输功率和帧结构中保护段的长度。因此获得高精度的时频同步结果对适应时空大跨度的空间卫星组网具有重要意义。理论上，只有同时实现两钟的频率和钟面时刻一致，才能称之为时间同步。但是由于频率可调的频率源存在一定的不稳定性，因此实际工作中两钟的时刻差不可能保持为一个常数，允许两钟的频标存在一定的误差，只要不断的调整两钟的钟面差，使得钟面差的绝对值保持在一个可以容忍的范围内，就可以认为两钟达到了某种精度的时间同步。在采用TDMA体制的无线自组织网络中，各子节点与主节点的同步过程通常分为开环同步和闭环同步两个步骤。主节点周期性的广播同步信标，各子节点检测到同步信标后就立即重新启动定时，这就是开环同步。由于传播时延的影响，网内各子节点的定时起始时该是各不相同的。如果各子节点只接收主节点的广播而不向主节点发送数据时，显然开环同步是足够的。对于链路的传播时延，采用闭环同步的方式进行校准：同步节点在固定时隙内向基准节点周期性地发送ECHO(回声，用于测时延使用的一种往返测量帧)分组，并且通过本地的时钟计数器开始计数，基准节点在接收到ECHO分组后要立即返回该分组，同步节点收到回复的ECHO时，时钟计数器停止计数，根据该计数值就可以估算出同步节点与基准节点的链路时延，这样节点就可以实时刷新链路传播时延，修正开环同步。考虑到并非每个子节点与主节点都是可见的，因此每个子节点首先选择一个时钟级别较高的节点作为同步基准，每个节点在其所在的同步时隙内都会发送同步码，当节点收到该码后对本地时钟计数器进行校准，从而扩大基准时钟的覆盖面积。采用TDMA体制的星间组网传输方案，簇内各卫星间通过主从同步方式进行精确的时间同步，传统的同步方式通过MAC层的帧交互，完成主从节点间的开环同步和闭环同步。快响星簇卫星组网项目中，典型星间距离为10～1300km，传输速率为128kbps～1kbps，通过MAC层的帧交互进行节点间时间同步，在如此低的传输速率下同步精度会变得很差，约为10us-1000us，这远远无法满足TDMA精确时间同步的需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，在MAC层进行星簇节点间的同步拓扑管理，在物理层采用扩频的信号体制，通过半双向时间比对测距方式计算节点间钟差，实现节点间的同步。在不同的传输速率下，物理层的扩频码速率保持不变，不会因为传输速率的降低而带来时间同步精度的恶化。通过将MAC层的同步拓扑管理与物理层扩频测距相结合，可实现全网时间的同步，为采用TDMA体制的星群网络提供了稳定的、高精度的星间同步方案。本专利技术的技术解决方案是：一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，包括：(1)各卫星节点开机后启动时间同步功能；(2)各卫星节点在轨侦听其它卫星节点广播的网络同步状态信息，若卫星节点在设定长度的时间内未侦听到其它卫星节点广播的网络同步状态信息，则将自已的角色确定为时间基准节点；若卫星节点在设定长度的时间内收集到了周围节点广播的网络同步状态信息，则根据收集的同步状态信息将时钟级别最高的节点选定为本卫星时间同步的父节点，同时确定自己为子节点；(3)对于时间基准节点，在MAC层接收新入网节点上报的同步请求，并在物理层响应新入网子节点的时间同步过程；向子节点分配同步时隙与广播时隙，并在各节点的同步时隙响应子节点的同步请求，完成全网时间的同步，并对各子节点进行同步管理；(4)对于非时间基准节点，在MAC层将选定的父节点下发至物理层，并在物理层发起与父节点的时间同步过程；时间同步过程完成后，子节点向基准节点申请同步时隙与广播时隙，并在同步时隙与父节点进行交互，完成与父节点的同步维持，实现全网时间的同步；(5)各卫星节点的时间同步过程完成后，广播卫星节点自身的同步状态信息，进行同步时间的扩散，并对各子节点进行同步管理和各父节点进行同步维持。所述的网络同步状态信息包括节点ID、基准节点ID、时钟级别、同步时隙占用状态，其中节点ID指本星自身的识别号，基准节点ID指全网时间基准所在卫星的识别号，时钟级别是指本星在时间传递中所处的位置，基准节点时钟级别为0级，与他一跳连接的卫星节点的时钟级别为1，依次类推，与基准节点越远，时钟级别越低，同步时隙占用状态是指整个超帧周期内哪些同步时隙已被占用，哪些未被占用。所述的时间同步过程，包括：第一步：子节点将本地钟面时tson_send填入同步帧后，向父节点发送同步帧，父节点利用接收到的子节点发送前沿的钟面时tson_send与接收到同步帧前沿的时间tfather_arrive计算本地伪距tα：tα＝tfather_arrive-tson_send；第二步：父节点将本地钟面时tfather_send与本地伪距tα填写到反馈帧发送回子节点，子节点利用接收到的父节点发送前沿的钟面时tfather_send与接收到同步帧前沿的时间tson_arrive计算本地伪距tβ：tβ＝tson_arrive-tfather_send；第三步：子节点根据测得的本地伪距tβ及接收到父节点的本地伪距tα计算得到两节点间的钟差Δt：Δt＝(tα-tβ)/2；第四步：子节点的时间加上Δt，完成子节点与父节点的时间同步。所述的子节点进行同步管理，包括：第一步：等待子节点的广播时隙，检测是否收到子节点的广播帧；如果收到子节点的广播帧则继续；如果未收到子节点的广播帧则计数器加1进入第二步；第二步：判断计数器的值，如果计数器小于等于最大退网门限MAX_exit则继续等待子节点的广播时隙检测子节点的广播帧；如果计数器大于MAX_exit则将此节点标记为退网节点；第三步：在业务帧中向父节点发送退网子节点的ID号。所述的父节点进行同步维持，包括：第一步：等待父节点的广播时隙，检测是否收到父节点的广播帧；如果收到父节点的广播帧将计数器清零并继续；如果未收到父节点的广播帧则计数器加1进入第二步；第二步：判断计数器的值，如果计数器小于等于最大非同步门限MAX_asyn则继续等待子节点的广播时隙检测子节点的广播帧；如果计数器大于MAX_asyn则将本节点标记为非同步节点，并重新启动入网同步过程。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法中，节点间采用基于半双向的扩频测量时间同步体制，能在尽量少的交互回合下，提供很高的同步精度，节省星上稀缺的通信资源。(2)本专利技术方法通过跨层设计，由MAC层进行同步拓扑管理，便于在星上用处理器运行复杂度高的管理算法以优化拓扑管理性能；(3)本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，其特征在于包括：(1)各卫星节点开机后启动时间同步功能；(2)各卫星节点在轨侦听其它卫星节点广播的网络同步状态信息，若卫星节点在设定长度的时间内未侦听到其它卫星节点广播的网络同步状态信息，则将自已的角色确定为时间基准节点；若卫星节点在设定长度的时间内收集到了周围节点广播的网络同步状态信息，则根据收集的同步状态信息将时钟级别最高的节点选定为本卫星时间同步的父节点，同时确定自己为子节点；(3)对于时间基准节点，在MAC层接收新入网节点上报的同步请求，并在物理层响应新入网子节点的时间同步过程；向子节点分配同步时隙与广播时隙，并在各节点的同步时隙响应子节点的同步请求，完成全网时间的同步，并对各子节点进行同步管理；(4)对于非时间基准节点，在MAC层将选定的父节点下发至物理层，并在物理层发起与父节点的时间同步过程；时间同步过程完成后，子节点向基准节点申请同步时隙与广播时隙，并在同步时隙与父节点进行交互，完成与父节点的同步维持，实现全网时间的同步；(5)各卫星节点的时间同步过程完成后，广播卫星节点自身的同步状态信息，进行同步时间的扩散，并对各子节点进行同步管理和各父节点进行同步维持。...

【技术特征摘要】
1.一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，其特征在于包括：(1)各卫星节点开机后启动时间同步功能；(2)各卫星节点在轨侦听其它卫星节点广播的网络同步状态信息，若卫星节点在设定长度的时间内未侦听到其它卫星节点广播的网络同步状态信息，则将自已的角色确定为时间基准节点；若卫星节点在设定长度的时间内收集到了周围节点广播的网络同步状态信息，则根据收集的同步状态信息将时钟级别最高的节点选定为本卫星时间同步的父节点，同时确定自己为子节点；(3)对于时间基准节点，在MAC层接收新入网节点上报的同步请求，并在物理层响应新入网子节点的时间同步过程；向子节点分配同步时隙与广播时隙，并在各节点的同步时隙响应子节点的同步请求，完成全网时间的同步，并对各子节点进行同步管理；(4)对于非时间基准节点，在MAC层将选定的父节点下发至物理层，并在物理层发起与父节点的时间同步过程；时间同步过程完成后，子节点向基准节点申请同步时隙与广播时隙，并在同步时隙与父节点进行交互，完成与父节点的同步维持，实现全网时间的同步；(5)各卫星节点的时间同步过程完成后，广播卫星节点自身的同步状态信息，进行同步时间的扩散，并对各子节点进行同步管理和各父节点进行同步维持。2.根据权利要求1所述的一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，其特征在于：所述的网络同步状态信息包括节点ID、基准节点ID、时钟级别、同步时隙占用状态，其中节点ID指本星自身的识别号，基准节点ID指全网时间基准所在卫星的识别号，时钟级别是指本星在时间传递中所处的位置，基准节点时钟级别为0级，与他一跳连接的卫星节点的时钟级别为1，依次类推，与基准节点越远，时钟级别越低，同步时隙占用状态是指整个超帧周期内哪些同步时隙已被占用，哪些未被占用。3.根据权利要求1或2所述的一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，其特征在于：所述的时间同步过程，包括：第一步：子节点将本地钟面时tson...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟琳，薛治纲，马伟，杜长刚，惠蕾放，宋桃桃，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61