【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微震监测，具体地说，是涉及一种用于无线微震监测的节点时间同步方法。
技术介绍
1、在国民经济的高速发展及国家建设需求的背景下，国内外深埋隧道工程发展迅速，隧洞长度和深度显著增加。微震监测技术作为有效的隧洞岩爆灾害预警手段，能够准确、及时地预测微震发生位置及能量级，从而在一定程度上减轻了岩爆灾害对人员和财产的损害。时间同步技术作为微震监测系统的基石，直接影响各个采集节点数据的有效性，是后续科研成果可信度的重要保障。随着无线技术的进步，传统有线微震监测系统逐渐向无线分布式微震监测系统演变，这给时间同步技术提出了新的挑战。
2、目前，国内外微地震监测系统均有自研发的时间同步方案。传统微地震监测系统通常采用有线连接方式，依赖于支持以太网时钟协议的硬件设备进行时间同步，但其线缆布置繁杂、易损坏且维护成本较高。例如，澳大利亚的ims微震监测系统通过解调器dsl和电缆线来实现数据采集单元和地面服务器之间的数据传输和时间同步。邢启阳、贾梦欢等提出搭载支持ieee 1588的硬件，采用ptp(precision time protocol)协议进行时间同步。随着无线传感器网络的兴起，研究者普遍采用在传统有线微震监测系统的基础上引入分布式卫星授时方法来保证数据时间的一致性。例如国内吉林大学研制了geiwsr无缆存储式地震仪，内置gps接收机，时间精度可达亚微秒级别。然而，随着隧洞深度的加深，卫星信号可能被阻断在数据采集节点布线位置之外，卫星授时失效，郑涛等从信号放大、电磁场叠加方面来优化gps信号场强，但不适用于埋深极深的
3、作为无线传感器网络的支撑技术，时间同步技术理论已经逐步成熟并应用于实际工业场景。根据网络拓扑结构及对参考节点依赖程度，无线时间同步算法可划分为：结构式时间同步，半分布式时间同步以及分布式时间同步。半分布式和分布式时间同步算法适用于构建大规模无线传感器网络的可靠时间同步，但其复杂度高、通信开销大。例如：半分布式时间同步的ftsp(flooding time synchronization protocol，泛洪时间同步协议)和分布式时间同步的ats(average timesync，平均一致性时间同步协议)是经典算法。结构式算法依赖于网络拓扑结构，但具有高收敛性及高精度时间同步。孙毅等从双向信息交换机制入手，周娅等研究改进rbs算法，姜帆等联合tpsn和rbs算法，分别进行对簇状网络、环形网络和加权最小二乘法的设计与研究，这些改进算法在同步效果上均具有一定的优越性，但其具体应用的长期可靠性和稳定性仍需进一步优化。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，主要解决传统tpsn需要节点间进行频繁的同步交互而增大了通信开销的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，包括以下步骤：
4、s1，将无线微震监测中的分布式监测节点进行分组分层，形成具有m个节点的星形或树形网络拓扑结构，并确立节点之间的层级关系；
5、s2，对星形或树形网络拓扑结构中的多节点多层级采用基于sfd的单跳主动式tpsn同步算法实现全网时间同步；具体包括：
6、s21，主动式时间同步机制开始后，星形或树形网络拓扑结构中的每个子节点获取到4个时间戳，根据相邻节点间的时间同步机制，计算出时间偏移δ；
7、s22，记录并将偏移值δ调整至本地时间；
8、s23，经过n次成对时间戳交互后，通过最小二乘法估计时钟模型参数a，b，调整子节点的本地时钟与确立的根节点一致；
9、s24，在设定的时间间隔后主动式时间同步机制基于最小二乘法的数据收集过程，重置时钟模型参数；
10、s25，重复步骤s21～步骤s24，直到每个子节点收集到n个时间偏移值，数据收集过程结束，根据新得到的时钟模型参数继续同步；
11、s26，使高一级的节点向次一级节点发出同步命令，最终能实现多节点多层级的全网时间同步。
12、进一步地，在步骤s1中，确立的层级关系根据网络结构进行调整，按照网络结构赋予每个节点一个级别，星型结构中根节点为最高级别第0级，树形结构中每层拥有的一个本层根节点为更高一层节点的子节点。
13、进一步地，在所述步骤s2中，基于sfd的单跳主动式tpsn同步算法中，利用物理层sfd信号捕获来消除延迟误差，物理层sfd信号捕获是利用硬件在sfd信号来临时，电平信号瞬变时物理层的捕获；当无线消息的收、发之时，完成sfd字节的发送。
14、进一步地，在所述步骤s23中，时钟模型参数a,b通过共同调整时间漂移及时间偏移实现时间同步。
15、进一步地，在所述步骤s24中，主动式时间同步机制为：由高一级节点向次一级节点定时强制发起同步操作，实现子节点对外部物理环境及根节点的数据更新。
16、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
17、(1)本专利技术将改进的主动式tpsn算法应用至深埋隧道的无线微震监测节点，适配节点的最新状态，与基于tpsn的其他算法在同步误差上进行对比实验，又在不同网络结构下验证本专利技术方法的效果。结果表明，节点稳定后，本专利技术方法将同步误差控制在15us以内，通过主动式同步机制确保了无线监测节点的长期稳定性，满足无线微震监测节点实现同步采集的需求。
18、(2)本专利技术将tpsn[应用至数据采集节点，采用硬件捕获时间戳的方式消除物理层之上的不确定延迟，将最小二乘法与tpsn结合，收集时钟模型参数，让节点能够以自己的独立时钟运行，减少对根节点的过度依赖。同时，引入主动式同步机制，匹配监测节点的最新运行动态，提高了节点的长期稳定性。结果证明，该算法同步精度优于传统的结构式算法，更符合实际的微震监测应用场景。
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1.一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，在步骤S1中，确立的层级关系根据网络结构进行调整，按照网络结构赋予每个节点一个级别，星型结构中根节点为最高级别第0级，树形结构中每层拥有的一个本层根节点为更高一层节点的子节点。
3.根据权利要求2所述的一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，在所述步骤S2中，基于SFD的单跳主动式TPSN同步算法中，利用物理层SFD信号捕获来消除延迟误差，物理层SFD信号捕获是利用硬件在SFD信号来临时，电平信号瞬变时物理层的捕获；当无线消息的收、发之时，完成SFD字节的发送。
4.根据权利要求3所述的一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，在所述步骤S23中，时钟模型参数a,b通过共同调整时间漂移及时间偏移实现时间同步。
5.根据权利要求4所述的一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，在所述步骤S24中，主动式时间同步机制为：由高一级节点向次一级节点定时强制发起同步
...【技术特征摘要】
1.一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，在步骤s1中，确立的层级关系根据网络结构进行调整，按照网络结构赋予每个节点一个级别，星型结构中根节点为最高级别第0级，树形结构中每层拥有的一个本层根节点为更高一层节点的子节点。
3.根据权利要求2所述的一种用于无线微震监测的节点时间同步方法，其特征在于，在所述步骤s2中，基于sfd的单跳主动式tpsn同步算法中，利用物理层sfd信号捕获来消除延迟误...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭明洁，沈统，刘成安，冷阳春，杨兰，姜轩，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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