CN103812591A - 一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法，对同步协议获取的时间偏差采用卡尔曼滤波提高偏差精度，然后对计时时钟管理单元计时频率进行调整，达到间接补偿时间偏差的目的，提高了时钟同步的精度和系统的稳定性，避免了出现“时间快进”和“时间逆流”等不稳定现象，避免了在列车通信网络中系统事件发生错乱，从而保证了行车安全。

Description

一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法

技术领域

本发明涉及一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法。 

背景技术

列车通信网络系统是现代列车的技术核心，是在串行通信网络的基础上发展起来的集列车通信、控制和维护于一体的网络技术。随着列车控制技术的发展和人们生活水平的提高，旅客对影音娱乐和信息咨询的需求也越来越大。为提升旅途舒适性和高速列车行驶的安全性，列车网络中需要支持大容量数据和更多类型数据的传输，要求网络具有较高的通信带宽，实时性、可靠性和可维护性。现在投入使用的工业现场总线式列车通信网络中带宽较大，传输速度较快的有铰式列车总线(Wire Train Bus,WTB)、多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus,MVB)、CAN和ARCNET。其中WTB最大传输速率为1Mbps，MVB最大传输速率为1.5Mbps，CAN在传输距离为40米时的最大传输速率也仅为1Mbps，ARCNET在使用光纤传输时也只有2.5Mbps的传输速度。现场总线网络已不能满足列车实时传输大容量数据的需求。以太网技术的不断发展，通信速率已经从10Mb/s发展到1000Mb/s甚至更大，完全能够满足未来列车通信网络高速传输大容量数据的需求，能够在通信网络中传输旅客信息，监视信息和影音娱乐信息等多媒体信息。 

列车以太网的时钟同步模型如图1所示，主节点为司机室，是整列车的控制中心，从节点是挂载车厢内各种传感器，视频播放器，门控开关，空调控制等控制器的节点。列车上所有从节点都与主节点时钟保持同步。在图1中，假设车厢A是司机室主控端时，列车上所有的节点都与A车厢内的主节点服务器同步，A车厢内的的其他同步设备节点A1～An，以及B车厢内节点B1～Bn都是从时钟节点。主节点通常采用高性能高可靠性的服务器实现，本发明假设主节点节点性能稳定，能提供精确的时间，对从时钟节点的时间偏差补偿进行研究。 

根据IEEE1588协议，使用精确时钟同步协议进行列车通信网络时钟同步需要用到四种基本同步数据报： 

1.SYNC：由司机室主节点节点以广播方式发出并记录发出的准确时间，各个从节点收到后记录其到达时间。 

2.Follow_UP：在SYNC同步数据报发送后由司机室主节点节点发出的跟随数据报，该数据报内含有SYNC发出时的时戳，以点对点方式发送给从节点。 

3.Delay_Rep：由从节点以点对点方式发给司机室主节点的延迟测量请求数据包，从节点记录数据报文离开的时间，司机室主节点标记其到达的时戳。 

4.Delay_Resp：以点对点的方式从司机室主节点发给从节点的延迟测量回应数据报。 

IEEE1588数据包使用UDP报文传输，其使用的固定端口号如表1所示： 

表1列车通信网络时钟同步同步数据报文传输端口 

在列车以太网中运用IEEE1588时钟同步协议进行时钟同步的过程包括两个阶段：偏移测量和延迟测量。 

偏移测量用来修正主节点和从时钟之间的时间偏差。偏移测量原理如图2所示。测量过程为： 

(1)主节点节点每隔固定时间(默认两秒)向网络中所有需要时钟同步的从时钟节点广播同步报文SYNC，这个同步报文包括该报文离开主节点的时间估计值，同时主节点测量传递的准确时间Tm1，但在SYNC中不包含这一时间信息。 

(2)从时钟节点收到SYNC后记录下收到报文的准确时间Ts1。 

(3)主节点节点发送跟随报文Follow_UP，该报文与SYNC报文相关联且中包含Tm1时钟更为精确的估计值。 

(4)从时钟节点根据SYNC和Follow_UP报文中的信息计算出时间偏移量Offset，如式(1)，其中Delay为线路传播时延，由于传播时延还未测量，Delay默认为0。 

Offset=Ts1-Tm1-Delay                  (1) 

(5)从时钟节点根据计算出的时间偏移量调整时间，如式(2)。 

AdjustTime=Ts-Offset              (2) 

如果不考虑线路传播时延，经过第二次时钟同步过程，主从时钟已经同步。 

延迟测量阶段用于测量主从时钟节点之间的传播延迟Delay，测量的前提条件是主节点到从时钟和从时钟到主节点的线路传输延迟相同，即链路对称。在列车通信网中组网设计可以提前确定，该差异可以尽量缩小，相对于时间偏差可以忽略。延迟测量原理如图3所示。 

为了提高时钟同步精度，需要进行第二阶段的延迟测量，测量出主从时钟之间的数据报收发线路延迟。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间(缺省值是4到60秒之间的随机值)比偏移值测量间隔时间要大。这样可以使网络尤其是设备终端的负载不会太大。测量步骤为： 

(1)从节点先向主节点发送延迟测量请求报文Delay_Rep，并记录下发送的准确时间 Ts3； 

(2)主节点收到Delay_Rep后记录下接收报文的准确时间Tm3，并向从节点发送延迟测量请求数据报文Delay_Resp，该帧内含有Tm3。 

(3)从节点收到Delay_Resp后根据式(3)计算出线路延迟Delay。 

Delay=Tm3-Ts3+Offset               (3) 

综上所述，IEEE1588精确时钟同步协议通过主从时钟节点交换带有时戳信息的数据报文来得出了时间偏差Offset和线路延迟Delay值，但这一过程的前提假设是链路传播延迟对称，即主节点到从时钟的传输延迟时间d_ms和从时钟到主节点的传输延迟d_ms相等。d_ms和d_ms的计算如式(4)和(5)： 

d_ms=T_s1-T_m1                     (4) 

d_sm=T_m3-T_s3                   (5) 

$\mathrm{Delay}=\frac{d_{\mathrm{ms}}+d_{\mathrm{sm}}}{2}=\frac{(T_{s1}-T_{m1})+(T_{m3}-T_{s3})}{2}---\left(6\right)$

$\mathrm{Offset}=d_{\mathrm{ms}}-\mathrm{Delay}=\frac{(T_{s1}-T_{m1})-(T_{m3}-T_{s3})}{2}---\left(7\right)$

根据式(6)计算出时间偏移Offset和式(7)计算出线路延迟Delay后，经过后续两次同步过程，全网的主从时钟就可以达到同步。 

时钟同步的目的是使主从时钟尽可能趋向一致，在采用时分复用方式列车以太网中，网络时钟的精确同步是整个网络系统有序运行的关键。采用IEEE1588协议后，可以使网络时钟同步精度达到微秒级，满足列车通信中各类数据传输的要求。但由于列车环境中影响网络时钟同步的因素较多，如列车网络中网络组件的不确定时延(如交换机，路由器等)，多层交换机造成的时钟同步误差累积放大，列车运行环境中温度变化和噪声干扰产生的毛刺对同步数据的改变等。这些因素将会导致网络时钟出现偏差。在以上诸多的因素中，由链路不对称性引入的时延可通过网络设计时减小甚，在列车通信网络中，网络的结构和拓扑都经过精心设计，网络节点在网络投入使用后通常变动不大，因此该因素相对于其他影响因素可以忽略。 

列车运行中环境温度变化及噪声干扰较大，对网络节点时钟晶振的影响很大；同时由于主从节点的时钟分别由不同的时钟晶振驱动，即使是采取同一生产厂商生产的同一型号晶振，其物理特性也不可能完全一致，因此时钟管理单元的实际计数频率将会偏离编程设定的值。在时钟同步网络中，任何小的计数频率变化都会对时钟同步协议的同步精度带来很大的影响，虽然更换更高精度经过温度补偿特殊设计的晶振能够提高同步精度，但这将大大提高使用成本，与使用以太网廉价易用的初衷相违背。 

在列车通信网络时钟同步中，时钟同步精度将影响到列车行车安全，所以必须时间准确性进行评估和补偿。影响列车时钟不同步的干扰因素可以视为噪声，滤波技术是一种常 用的消除噪声干扰的技术。传统的数字滤波方法可以在一定程度上减少噪声干扰，但卡尔曼滤波提供了更好的性能，卡尔曼滤波对于目标跟踪系统，尤其是对于呈高斯分布的信号具有较低的平均跟随误差和计算复杂度，系统的可靠性和稳定性得到了很大提高。 

时钟同步误差可归为三类，时间偏差，频率偏差和频率漂移，时钟时间偏移示意图如图4。将从时钟在时刻T_n读取的时间值记为C(t)，将在时刻n的默认准确参考时间值记为T(n)=t。并定义以下误差表示方式： 

(1)时间偏差：时钟时间与标准参考时间的偏差，令θ(t)表示时间偏差则有： 

θ(t)=C(t)-t              (8) 

(2)频偏率：通常采用频偏率来衡量频率偏移程度。，则频偏率γ计算如式(3-9),其中f_T为标准频率值，f_i为从节点时钟频率值。 

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{f_i-f_T}{f_T}=\frac{f_i}{f_T}-1=C^{\′}\left(t\right)-t^{\′}={\mathrm{\θ}}^{\′}---\left(9\right)$

(3)频率漂移：由所处环境的改变而造成的长期的频率改变。 

时钟管理模块的输出电压由式(10)给定，其中f_T是编程设定的时钟计数频率，Φ₀是初始相位，Φ(t)是影响时间精度的随机过程，为不失一般性可设Φ(t)期望E[Φ(t)]=Φ₀。 

$V\left(t\right)=V_0\cos 2\mathrm{\π}(f_{T}t+\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\π}})---\left(1\right)$

由于相位噪声对基于IEEE1588协议的时钟同步方法没有影响，从而得到时间偏差的离散递归表达式(11)，其中△T=T_n-T_n-1。 

θ(n+1)=θ(n)+γ(n)△T                 (2) 

由式(8)可得出表征连续时钟同步的递归状态方程如式(12)和式(13)。其中ω_θ(n)和ω_γ(n)是两个无关的呈高斯分布的随机过程噪声，方差分别为

和

θ(n+1)=θ(n)+γ(n)△T+ω_θ(n)               (3) 

γ(n+1)=γ(n)+ω_γ(n)                  (4) 

上述两式构成了研究时钟同步补偿机制所采用的时钟模型，该模型中有三个常量参数：主节点节点连续发送同步报文的时差△T；两个噪声参数

和将各种影响时钟晶振和时间准确性的干扰因素近似等效看为噪声，数值与时钟模型组件的噪声性质有关。 

直接时差补偿机制在计算出时钟偏差θ(t)后直接对从时钟时间进行加减补偿，其补偿流程如图5示。这种补偿方式是IEEE1588定义的补偿方案，该方案用主从时钟节点交换数据报文计算出的时钟偏差值对从节点时钟值进行直接加减。现有技术中通过采用增加冗余节点，设计硬件时戳发生器等方案对计算出的时钟偏差进行直接补偿。在分布式网络控 制系统中，直接补偿将会使从节点时钟产生突变和较大的波动，出现“时间快进”和“时间逆流”等不稳定现象。如图6所示，假设主节点和从时钟在T₁时刻同步，即T₁=C₁，在主节点经历一个时钟周期后到达T₂，这是由于时间偏差，从时钟时间只到达C₂，经过同步过程，测算得到的偏差为θ₁，直接补偿方案则直接设置从节点时钟值为C₂+θ₁，因此产生了“时间快进”，在列车网络控制系统中，本该在时间区间(C₂,C₂+θ₁)内发生的事件被忽略了。同样在主节点经历第二个同步周期达到T₃时，产生了时间偏差θ₂，直接补偿则直接设置从时钟值为C₃-θ₂，由此产生了“时间逆流”，在时间区间(C₃-θ₂,C₃)内已经发生的事件又发生了一次。这种补偿方式在列车通信网络中将会导致系统事件发生错乱，甚至威胁到行车安全。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法，避免出现“时间快进”和“时间逆流”等不稳定现象，避免在列车通信网络中系统事件发生错乱，保证行车安全。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法，该方法为： 

1）令n=1； 

2）利用n时刻的主节点与从节点的时间偏差校正量u_θ(n)和主节点与从节点的频偏率校正量u_γ(n)建立以下状态时钟模型： 

θ(n)=θ(n-1)-u_θ(n-1)+[γ(n-1)-u_γ(n-1)]*△T+ω_θ(n-1)； 

γ(n)=γ(n-1)-u_γ(n-1)+v(n-1)； 

其中，θ(n)为n时刻主节点与从节点的时间偏差，θ(0)=0；γ(n)为n时刻主节点与从节点的频偏率，所述频偏率是指n时刻主节点与从节点的计数频率偏差除以n时刻从节点计数频率；△T为IEEE1588同步报文Sync的报文间隔；v(n)表示测量过程噪声，是一个均值为零，呈高斯分布的随机变量；ω_θ(n)为呈高斯分布的随机过程噪声，ω_θ(n)的方差为  ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2={10}^{-5}{s}^2;$

3）令u(n)=[u_θ(n),u_γ(n)]^T，利用下式进行卡尔曼滤波校正： 

$\hat{x}\left(n\right)=\hat{x}\left(n\right|n-1)+K\left(n\right)[z\left(n\right)-\hat{x}\left(n\right|n-1)];$

其中，K(n)=P(n|n-1)[P(n|n-1)+R]^-1；P(n|n-1)=AP(n-1)A^T+Q，P(n|n-1)是θ(n)的先验误差协方差，P(n)为θ(n)的后验误差协方差，P(n)=[I-K(n)]P(n|n-1)，P(0)=0；Q为二阶对角阵，Q的非零对角元素为

和

$\hat{x}\left(n\right|n-1)=A\hat{x}(n-1)+\mathrm{Bu}(n-1);$ $R=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2& \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\mathrm{\ΔT}}\\ \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\mathrm{\ΔT}}& 2{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\ΔT}}\right)}^2\end{array}\right];$ $A=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\ΔT}\\ 0& 1\end{array}\right];$ $B=\left[\begin{array}{cc}-1& -\mathrm{\ΔT}\\ 0& -1\end{array}\right];$

4）定义卡尔曼滤波测量方程如下： 

其中，z(n)=[θ_M(n)γ_M(n)]^T；θ_M(n)为n时刻卡尔曼滤波后的主节点与从节点的时间偏差；γ_M(n)为n时刻卡尔曼滤波后的主节点与从节点的频偏率，

H是单位矩阵； 

5）计算n时刻从节点时钟管理单元计时频率f_s(n)： 

$f_s\left(n\right)=\frac{f_T[\mathrm{\ΔT}-{\mathrm{\θ}}_M\left(n\right)]}{\mathrm{\ΔT}};$

其中，f_T为主节点时钟管理单元计时频率； 

6）根据下式计算n时刻从节点时钟管理单元计时频率补偿量△f_s(n)： 

7）令n=n+1，重复上述步骤1）～6）； 

8）判断n是否为T或T的正整数倍，若是，则将从节点时钟管理单元计时频率调整为f_s(n)+△f_s(n)。 

n时刻与n-1时刻之间相差1ms；T为100ms。 

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对IEEE1588时钟同步协议从时钟直接补偿造成时间突变的问题，提出一种卡尔曼滤波频率间接补偿的方法，对同步协议获取的时间偏差采用卡尔曼滤波提高偏差精度，然后对计时时钟管理单元计时频率进 行调整，达到间接补偿时间偏差的目的，提高了时钟同步的精度和系统的稳定性，避免了出现“时间快进”和“时间逆流”等不稳定现象，避免了在列车通信网络中系统事件发生错乱，从而保证了行车安全。 

附图说明

图1为列车通信网的时钟同步模型； 

图2为列车通信网络时钟同步偏移测量阶段时序图； 

图3为列车通信网络时钟同步延迟测量阶段时序图； 

图4为网络时钟时间偏移示意图； 

图5为网络时钟同步直接时差补偿流程图； 

图6为时钟直接补偿示意图； 

图7为本发明卡尔曼滤波频率间接时差补偿流程图； 

图8为直接补偿与频率补偿的时钟偏差对比图； 

图9为有无尔曼滤波的频率补偿时钟偏差对比图； 

具体实施方式

本发明采用卡尔曼滤波估计的间接时差补偿方法，对得到的时差和频偏先进行卡尔曼滤波提高数据准确度，然后对时钟管理模块计数频率进行间接补偿调整，调整结束后的值再返回到系统中进行新一轮的卡尔曼滤波和调整，整个补偿机制示意图如图7（图7中的四个时戳指下面的t1，t2，f1，f2）所示。 

为了达到主从时钟同步，在时刻n将时差校正量u_θ(n)（当主节点发送同步报文时标记主节点的时钟t1，当从节点收到当前时刻主节点发送的同步报文时的时钟为t2，u_θ(n)为t1减掉t2）和频偏率校正量u_γ(n)（当前主节点发送同步报文时的计数频率为f1，从节点收到当前主节点发送的同步报文时的计数频率为f2，γ(n)为f1减掉f2再除以f2，u_γ(n)就是n-1时刻的频偏率减掉n时刻的频偏率）所建立的状态时钟模型可得式(14)和式(15)。 

θ(n+1)=θ(n)-u_θ(n)+[γ(n)-u_γ(n)]*△T+ω_θ(n)           (14) 

γ(n+1)=γ(n)-u_γ(n)+v(n)               (15) 

由于有干扰的存在，时差和频偏信息存在误差，本发明采用卡尔曼滤波方法在频率补偿进行滤波预处理。将上述两式合并写成矩阵形式如式(16)： 

x(n)=Ax(n-1)+Bu(n-1)+ω_θ(n-1)               (16) 

其中：u(n)=[u_θ(n),u_γ(n)]^T是输入向量，x(n)=[θ(n)γ(n)]^T是状态向量，矩阵A和B分别为式(17)和(18)，△T为IEEE1588同步报文Sync的报文间隔： 

$A=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\ΔT}\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(17\right)$

$B=\left[\begin{array}{cc}-1& -\mathrm{\ΔT}\\ 0& -1\end{array}\right]---\left(18\right)$

定义θ_M(n)为n时刻的测量时间偏差估计值（即卡尔曼滤波后的时间偏差），如式(19)。其中γ_M(n)是n时刻的测量频偏率估计值（即卡尔曼滤波后的频偏率）。则有： 

${\mathrm{\γ}}_M\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\θ}}_M\left(n\right)-{\mathrm{\θ}}_M(n-1)}{\mathrm{\ΔT}}---\left(19\right)$

由此，可以定义卡尔曼滤波测量方程如式(20)： 

上式中z(n)=[θ_M(n)γ_M(n)]^T；H是单位阵，表示测量向量对状态向量的增益；v(n)表示测量过程噪声，是一个均值为零，呈高斯分布的随机变量，v(n)由两个平均值为零的随机变量v_θM(n)和v_γM(n)组成，其方差分别为

和

卡尔曼滤波预测方程为式(21)和(22)。式(15)通过前一状态的估计当前状态，式(16)通过前一状态的协方差预估当前状态的协方差。其中是先验状态预测；P(n|n-1)是先验误差协方差预测；P(n)是后验误差协方差估计；矩阵Q代表过程噪声协方差矩阵，因为随机过程θ(n)和γ(n)是不相关的，所以Q是一个二阶对角阵，非零对角元素为

和 

$\hat{x}\left(n\right|n-1)=A\hat{x}(n-1)+\mathrm{Bu}(n-1)---\left(21\right)$

P(n|n-1)=AP(n-1)A^T+Q                  (22) 

卡尔曼滤波增益为式(23)： 

K(n)=P(n|n-1)[P(n|n-1)+R]^-1                (23) 

卡尔曼滤波校正过程方程可以定义为式(24)和式(25)： 

$\hat{x}\left(n\right)=\hat{x}\left(n\right|n-1)+K\left(n\right)[z\left(n\right)-\hat{x}\left(n\right|n-1)]---\left(24\right)$

P(n)=[I-K(n)]P(n|n-1)                  (25) 

其中R是二阶测量噪声协方差矩阵，根据θ_M(n)和γ_M(n)关系有： 

$R=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2& \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\mathrm{\ΔT}}\\ \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\mathrm{\ΔT}}& 2{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\ΔT}}\right)}^2\end{array}\right]---\left(26\right)$

时钟补偿输入可以设为：

在得到频偏比的估计γ_M(n)后就可以进行从时钟时钟管理单元计时频率节点频率进行调整，设主从时钟在时刻n-1时同步，在时刻n时主从时钟产生了时间偏差。记

为从节点在时刻n时的频率估计如式(27)： 

${\hat{f}}_s\left(n\right)=[{\mathrm{\γ}}_M\left(n\right)+1]f_T---\left(27\right)$

通过时钟同步协议进行同步报文交换，根据式(5)得到时刻n时候从时钟与主节点的时间偏差θ_M(n)，则如果期望从时钟在主节点经历固定周期△T到达n+1时达到同步，则从时钟管理单元计时频率f_s(n)按式(28)设置为： 

$f_s\left(n\right)=\frac{f_T[\mathrm{\ΔT}-{\mathrm{\θ}}_M\left(n\right)]}{\mathrm{\ΔT}}---\left(28\right)$

所以从时钟节点的频率补偿值△f_s(n)设置为式(29)： 

将式(29)带入得到化简后的频率补偿式(30)。 

θ_M(n)通过时间同步交换同步报文获得的时间戳计算得到，得到θ_M(n)后运算得出频偏比的测量值γ_M(n)，经过卡尔曼滤波输出的评估值γ(n)作为调整参考，根据式(30)对从节点时钟进行频率调整，从而减少时间偏差，由于环境中温度，电磁干扰等噪声的存在，频率的调整不能一步到位，整个频率调整过程循环往复，逐渐趋向主节点频率，从而到达间接补偿时间偏差的目的。 

本发明中θ(0)设置为0（因此γ(0)=0），其中

从时钟每隔100ms进行一次同步，每1ms进行一次时间测量，且时钟漂移是随机的，每100ms产生±30μs时钟漂移（对应ω_θ(n)的方差）。对从节点引入了高斯白噪声干扰，所有实验均假设主节点节点时钟稳定，在实验开始的前200ms不采用任何时钟补偿方式，在仿真开始的200ms后每隔100ms对时钟偏差进行一次补偿调整。 

1.时钟偏差直接补偿与时钟偏差频率补偿 

对时钟采取时钟偏差直接补偿和时钟偏差频率间接补偿后的对比如图8示。在仿真开始的前200ms由于没有进行时钟补偿，主从时钟偏差值越大越大。从200ms开始，每隔100ms分别对时钟偏差进行直接补偿和频率补偿，整个仿真过程中加入了噪声干扰，因此时钟偏差值存在小幅抖动。 

如图8所示直接时钟补偿在每次补偿时由于直接调整从时钟的时间值，造成时间突变，同时由于没有调整时钟频率，主从时钟偏差在每次补偿结束逐渐拉大。频率补偿方式通过调整时钟计数频率的方式进行补偿。每次补偿后，从时钟时间值连续变化，主从时钟时间偏差渐近的缩小，每一个补偿周期的时钟偏差与上一个补偿周期的时间偏差范围相比越来 越小。 

对比两种补偿方式可以看出，频率补偿方式虽然没有直接补偿时差调整速度快，但在400ms时，经过4次补偿后，时钟偏差变化范围已经小于0.2ms，而直接补偿在400ms后的时钟偏差变化范围还在1.8ms上下浮动。因此频率补偿的时钟同步的精度得到了很大提高。同时由于频率补偿的时间变化过程是连续的，能保证存在时间触发事件的列车通信网络稳定运行。 

2.无卡尔曼滤波时钟频率补偿与卡尔曼滤波时钟频率补偿 

仿真对比了加入卡尔曼滤波和没有加入卡尔曼滤波的频率补偿方式的时钟偏差，由于在整个过程中加入了噪声干扰，时钟偏差值存在小幅抖动，如图9所示。仿真前200ms由于没有进行时钟补偿，主从时钟偏差越来越大。从200ms开始每隔100ms对时钟偏差值分别进行卡尔曼滤波处理后的频率补偿和不经过卡尔曼滤波的频率补偿，两种情况都能使从时钟以渐近的方式缩小与主时钟的时钟偏差。但引入卡尔曼滤波对时钟偏差值进行降噪处理后，时钟差值的精度得到了提高，使得补偿结果相比没有引入卡尔曼滤波更为精确，整个时钟偏差的变化趋势更为平滑。 

Claims (3)

1.一种列车通信网的时钟频率间接补偿方法，其特征在于，该方法为：

1）令n=1；

2）利用n时刻的主节点与从节点的时间偏差校正量u_θ(n)和主节点与从节点的频偏率校正量u_γ(n)建立以下状态时钟模型：

θ(n)=θ(n-1)-u_θ(n-1)+[γ(n-1)-u_γ(n-1)]*△T+ω_θ(n-1)；

γ(n)=γ(n-1)-u_γ(n-1)+v(n-1)；

其中，θ(n)为n时刻主节点与从节点的时间偏差，θ(0)=0；γ(n)为n时刻主节点与从节点的频偏率，所述频偏率是指n时刻主节点与从节点的计数频率偏差除以n时刻从节点计数频率；△T为IEEE1588同步报文Sync的报文间隔；v(n)表示测量过程噪声，是一个均值为零，呈高斯分布的随机变量；ω_θ(n)为呈高斯分布的随机过程噪声，ω_θ(n)的方差为 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2={10}^{-5}{s}^2;$

3）令u(n)=[u_θ(n),u_γ(n)]^T，利用下式进行卡尔曼滤波校正：

$\hat{x}\left(n\right)=\hat{x}\left(n\right|n-1)+K\left(n\right)[z\left(n\right)-\hat{x}\left(n\right|n-1)];$

其中，K(n)=P(n|n-1)[P(n|n-1)+R]^-1；P(n|n-1)=AP(n-1)A^T+Q，P(n|n-1)是θ(n)的先验误差协方差，P(n)为θ(n)的后验误差协方差，P(n)=[I-K(n)]P(n|n-1)，P(0)=0；Q为二阶对角阵，Q的非零对角元素为

和 $\hat{x}\left(n\right|n-1)=A\hat{x}(n-1)+\mathrm{Bu}(n-1);$ $R=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2& \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\mathrm{\ΔT}}\\ \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\mathrm{\ΔT}}& 2{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\ΔT}}\right)}^2\end{array}\right];$ $A=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\ΔT}\\ 0& 1\end{array}\right];$ $B=\left[\begin{array}{cc}-1& -\mathrm{\ΔT}\\ 0& -1\end{array}\right];$

4）定义卡尔曼滤波测量方程如下：

其中，z(n)=[θ_M(n)γ_M(n)]^T；θ_M(n)为n时刻卡尔曼滤波后的主节点与从节点的时间偏差；γ_M(n)为n时刻卡尔曼滤波后的主节点与从节点的频偏率，H是单位矩阵；

5）计算n时刻从节点时钟管理单元计时频率f_s(n)：

$f_s\left(n\right)=\frac{f_T[\mathrm{\ΔT}-{\mathrm{\θ}}_M\left(n\right)]}{\mathrm{\ΔT}};$

其中，f_T为主节点时钟管理单元计时频率；

6）根据下式计算n时刻从节点时钟管理单元计时频率补偿量△f_s(n)：

7）令n=n+1，重复上述步骤1）～6）；

8）判断n是否为T或T的正整数倍，若是，则将从节点时钟管理单元计时频率调整为f_s(n)+△f_s(n)。

2.根据权利要求1所述的列车通信网的时钟频率间接补偿方法，其特征在于，n时刻与n-1时刻之间相差1ms。

3.根据权利要求2所述的列车通信网的时钟频率间接补偿方法，其特征在于，所述步骤8）中，T为100ms。

Images