CN106209289A - 一种小卫星自组织网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小卫星自组织网络时间同步方法，小卫星自组织网络时间同步方法流程主要分为小卫星初始化及周围信息收集、时间基准节点选取、本节点的同步时隙获取、本节点同步时隙处理、与上级节点的同步维护、对下级节点的同步管理等。本方法中时间基准小卫星节点通过自组织选举产生，各小卫星节点与时间基准小卫星节点同步，小卫星节点入退编队或星簇编队构型变化下小卫星自组织网络时间同步自组织合并分离，同时使用同步维护容忍设计和广播帧的随机间歇性设计，能有效解决星簇编队通信距离远、拓扑结构准动态变化等状态的星簇编队高可靠性时间同步问题。

Description

一种小卫星自组织网络时间同步方法

技术领域

本发明属于自组织无线通信领域，涉及小卫星自组织网络的一种时间同步方法，可用于拓扑构型准动态变化和层级拓扑构型环境中。

背景技术

星簇编队协同飞行，依据功能角色搭载相应载荷，星间网络互联互通，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。星簇编队没有固定的拓扑构型。面对复杂空间任务时，如对地某重点目标的多信息识别与确认，要求大量空间资源同时被调用，此时卫星编队拓扑构型比较集中，星间距离较近；面对分散的小型空间任务时，比如高频次的对地侦察侦察任务时，卫星编队拓扑构型相应的分散，星间距离拉的很远。星载组网设备需提供卫星编队在不同拓扑构型下的稳定组网和可靠传输的功能。在卫星编队协同飞行过程中，各卫星节点的时间同步是星载组网设备协议运行的基础，特别是TDMA多址方式实现等。

在卫星星簇时间同步方式，现有的方式一般是采用外部设备(GPS/北斗/GNSS)注入标准时间完成同步。由于北斗的授时服务目前仅为区域服务，军事目的组网载荷采用GPS/GNSS设备注入式时间，不能保证需求的高可靠性。专利“一种卫星时间同步系统”(申请号：201210390636.2，公开号：CN102882586A)采用接收GNSS导航信号，获取精确的UTC时间和秒脉冲完成时间同步。专利“一种小卫星高精度时间同步方法”(申请号：201210390636.2，公开号：CN102882586A)使用互为备份的2台GPS接收机输出的秒脉冲信号完成时间同步。专利“一种卫星星上高精度时间同步方法”(申请号：201110268351.7，公开号：CN102291163A)设计卫星星上时间同步方法GPS接收授时同步和星载计算机内部计时相结合的时间同步模式。为了提到星载计算机的内部计时准确度，采用GPS授时校准星载计算机内部计时方法。该方法克服了GPS不能定位时的无法工作的特点，降低了飞行风险概率，但是要求每个卫星均需要配置GPS接收机，若GPS接收机不能授时，仅采用内部计时进行同步，将不能解决时间漂移的问题，从而不能正常工作，不能满足高稳定性。同时，GPS等外部授时易受军事利益干扰，系统在军事方面的应用将打折扣。

现有地面自组织网络时间同步方法已提出多种实现形式，但均是针对地面自组网网络各自特点所设计，通信距离均小于1Km。星簇编队应用模式通信距离最近距离大于10Km，远距离可达上百公里，地面自组网时间同步方法与卫星星簇应用背景不完全相同。专利“一种适用于无线传感器网络的时间同步方法”(申请号：201110048982.8，公开号：CN102118849A)采用的时间同步方法是：时间源设备生成星标帧，周期性广播信标帧，非时间源设备在信标帧的收发过程中获得时间戳，多次获取时间戳并计算本地设备时钟频偏和时偏后补偿本地计时，后在进行逐级进行时间同步。专利“一种智能的无线传感器网络时间同步方法”(申请号：201310421213.7，公开号：CN103458498A)采用的时间同步方法是:时间基准源周期性广播同步报文，待同步节点监听同步报文选择父节点并记录时间戳，多次获得父节点同步报文后，获得时间偏出和误差漂移，完成同父节点的时间同步，同时通过检测父节点的同步报文，更新时间偏出和误差漂移。专利“基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法”(申请号：201410182073.7，公开号：CN103945525A)采用预设网关节点和汇聚节点，网络建设初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包，通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点接收数据包后，按照时间戳修改本地时钟，提取层级信息并修改自己的层级数加1，在网络层级完成后，网关节点作为全局时间，定时轮询向汇聚节点发送时间同步数据包，完成全局时间的同步。该专利需要预置关节点和汇聚节点。采用周期性广播信标帧，没有逐级测量上级节点的传输时延，不适用于远距离和多级节点的自组织网时间同步。同时，没有同步时隙资源的管理。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种小卫星自组织网络时间同步方法，本发明有效地解决了星簇编队通信距离远、拓扑结构准动态变化、星簇编队高可靠性时间同步问题，对于自组织小卫星系统的特殊应用场景及特点具有较强的针对性与适应性。

本发明的技术方案是：一种小卫星自组织网络时间同步方法，涉及的小卫星系统采用TDMA通信体制，复帧由M个时隙组成，其中M为大于3的整数，每个复帧头部起始的3个时隙用于时间同步，第1个时隙收发同步帧，第2个时隙收发请求帧，第3个时隙收发应答帧，后续时隙用于业务通信；编队节点设计容量Z为大于1的整数，Z个复帧组成超帧，超帧中的复帧编号为同步时隙号，同步时隙号取值为0,1，…，Z-1，步骤如下：

1)小卫星节点初始化及周围信息收集

小卫星时间同步与组网单机开机后，进行初始化操作，同时设置工作状态为非同步状态；侦听周围邻居小卫星节点信息，侦听时间长度为2个超帧周期，根据是否收到同步帧判断周围有无同步网络；若收到同步帧，即周围存在时间同步网络，则收集邻居节点信息，选取本节点的上级节点，进入步骤31)；若没有同步网络，进入步骤21)；在判断是否存在时间同步网络后，若长时间没有收到上级节点广播的同步帧，则重新进行初始化操作；

2)时间基准节点选取

21)退避S个超帧周期，其中S为范围在1～4的随机整数，在退避时间内，若侦听信道收到同步帧，设置同步帧发送节点为本节点的上级节点，进入步骤31)，否则进入步骤22)；

22)启动时间基准计时器进行计时，并发送同步帧；若侦听信道收到请求帧，标记本节点为时间基准节点，设置本节点的同步时隙号为0，本节点复帧计数器F为0，为请求帧的发送节点分配同步时隙号为1，向请求帧的发送节点回传包含其获得同步时隙号和本节点同步时隙号的应答帧，进入步骤51)；若没有收到请求帧，进入步骤23)；

23)时间基准节点选取退避次数计数器W值加1；若W<5，返回步骤21)；若W≥5，判断为周围只有本节点工作，标记本节点为时间基准节点，超帧计数器清零，进入步骤51)；

3)本节点同步时隙获取

31)接收到上级节点广播的同步帧后，标识本节点为非时钟基准节点，启动时间基准计时器进行计时，并立即向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，提取分配的同步时隙号和上级节点同步时隙号，设置本节点复帧计数器F为上级节点同步时隙号，标记本节点工作状态为同步状态，利用t2-t1差值的1/2作为估计链路延迟值，将时间基准计时器值减去估计链路延迟值，完成对时间基准计时器的同步处理，超帧计数器清零，进入步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，进入步骤32)；

32)退避T个超帧周期，其中T为范围在1～6的随机整数，退避结束后，若接收到上级节点广播的同步帧，返回步骤31)，若未接收到上级节点广播的同步帧，节点入网退避次数计数器N值加1，进入步骤33)；

33)判断N的值，当N≥5时，返回步骤1)，否则返回步骤32)；

4)本节点同步时隙处理

本节点同步时隙处理分为时间基准节点处理流程和非时钟基准节点处理流程；

非时间基准节点处理具体流程如下：

4A1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为上级节点同步时隙号，进入步骤61)；若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4A2)；若复帧计数器F既不为上级节点同步时隙号，也不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；

4A2)若超帧计数器值为0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，若入退网信息发送退避计数器L大于0，L值减1，复帧计数器F加1，进入步骤4A3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4A4)；

4A3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，返回步骤1)，否则进入步骤4A4)；

4A4)链路延时每4个超帧周期更新一次，当超帧计数器的值不为4的倍数时，进入步骤4A5)；当超帧计数器的值为4的倍数时，向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，利用t2-t1差值的1/2作为新估计链路延迟值，用本次的新估计链路延迟值减去上次的估计链路延迟值，得到的差值加上时间基准计时器值，完成对时间基准计时器的修正，然后返回步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，返回步骤4A1)；

4A5)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4A6)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4A7)；若若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；，返回步骤4A1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4A1)；

4A6)查找是否已获得该入网节点的同步时隙号，若获得该入网节点的同步时隙号，向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，清除待入网标识值记录，返回步骤4A1)；否则记录该入网节点标识值为待入网节点，不回传应答帧，返回步骤4A1)；

4A7)记录该退网节点标识值为待退网节点，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4A1)；

时间基准节点处理具体流程如下：

4B1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4B2)；若复帧计数器F不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；

4B2)若超帧计数器值为在0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，进入步骤4B3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4B4)；

4B3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，进入步骤1，否则进入步骤4B4)；

4B4)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4B5)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4B6)；若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，进入步骤4B1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4B1)；

4B5)向该入网节点分配同步时隙号，若向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，返回步骤4B1)；

4B6)记录该退网节点对应的同步时隙号标记为未分配同步时隙号，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4B1)；

5)对下级节点同步管理

51)判断复帧计数器F对应的同步时隙号节点是否为本节点相邻的下级节点，若是本节点相邻的下级节点，进入步骤52)；若不是本节点相邻的下级节点，复帧计数器F加1，进入步骤55)；

52)复帧计数器F加1，若接收到该下级节点发送的同步帧，进入步骤53)；若收到其他节点发送的同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，进入步骤54)；若没有收到数据帧，直接进入步骤54)；

53)设置该下级节点对应的同步丢失计数器为零，若接收到该下级节点发送的请求帧，立即回传应答帧后进入步骤55)；

54)没有接收到该下级节点发送的同步帧，该下级节点对应的同步丢失计数器值加1，若该下级节点对应的同步丢失计数器大于3，标记为待退网节点，进入步骤55)；

55)非时间基准节点进入步骤4A1)，时间基准节点进入步骤4B1)；

6)与上级节点的同步维护

61)若没有收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；若收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值为0，进入步骤63)；若收到其他节点发送的同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；

62)若上级节点同步丢失计数器K值大于4，判断为上级节点异常，返回步骤1)，若K不大于4，进入步骤63)；

63)若待入网节点标识值记录非空，入退网信息发送退避计数器L值为0，进入步骤64)；若待退网节点标识值记录非空，且入退网信息发送退避计数器L为0，进入步骤65)；其他情况，直接进入步骤4A1)；

64)向上级节点发送含入网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，提取并记录分配的同步时隙号，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)；

65)向上级节点发送含退网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，清除待退网标识值记录，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)。

所述步骤1)中初始化操作包括：(a)初始化时间基准节点选取退避次数计数器W值为整数0；(b)初始化节点入网退避次数计数器N值为整数0；(c)初始化节点更换时间基准计数器G值为整数0；(d)初始化上级节点同步丢失计数器K值为整数0；(e)初始化Z个下级节点对应的同步丢失计数器值为0；(e)初始化入退网信息发送退避计数器L值为0。

本发明与现有技术相比的特点在于：

1)星间传输距离远远超过地面时间自组织网络传输距离，传播延时不可以被忽略，特别是多跳时间同步网络，本发明通过动态测量相邻节点链路延迟值修正时间同步，提高时间同步的精度，以适应卫星编队通信距离远、拓扑结构变化的时间同步问题；

2)现有技术在广播同步帧时采用定时广播，本发明在定时广播同步帧的基础上添加随机间歇性，即定时间歇广播，以实现同步帧时间尝试侦听周围网络状态，选择或更换时间基准，以实现自组织小卫星网络根据编队变化的时间同步网络的分离合并；

3)在小卫星网络的时间见同步维护中，采用容忍设计，即容忍范围接收数据帧异常均有记录并保持网络形态，当异常值超过容忍门限后，网络自动重新建立，以适应在远距离等恶劣通信环境下时间同步的可靠性。

附图说明

图1为小卫星自组织网络时间同步流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中小卫星自组织网络时间同步方法流程主要分为小卫星节点初始化及周围信息收集、时间基准节点选取、本节点的同步时隙获取、本节点同步时隙处理、与上级节点的同步维护、对下级节点的同步管理等。本方法所涉及的小卫星系统采用TDMA通信体制，复帧由M个时隙组成，其中M为大于3的整数，每个复帧头部起始的3个时隙用于时间同步，第1个时隙收发同步帧，第2个时隙收发请求帧，第3个时隙收发应答帧，后续时隙用于业务通信；编队节点设计容量Z为大于1的整数，Z个复帧组成超帧，超帧中的复帧编号为同步时隙号，同步时隙号取值为0,1，…，Z-1。

步骤1：小卫星节点初始化及周围信息收集

小卫星时间同步与组网单机开机后，进行初始化操作，同时设置工作状态为非同步状态。侦听周围邻居小卫星节点信息，侦听时间长度为2个超帧周期，根据是否收到同步帧判断周围有无同步网络；若收到同步帧，即周围存在时间同步网络，则收集邻居节点信息，选取本节点的上级节点，进入步骤31)；若没有同步网络，进入步骤21)；在判断存在时间同步网络后，若长时间没有收到上级节点广播的同步帧，则重新进行初始化操作。其中初始化操作包含：(a)初始化时间基准节点选取退避次数计数器W值为整数0；(b)初始化节点入网退避次数计数器N值为整数0；(c)初始化节点更换时间基准计数器G值为整数0；(d)初始化上级节点同步丢失计数器K值为整数0；(e)初始化Z个下级节点对应的同步丢失计数器值为0；(e)初始化入退网信息发送退避计数器L值为0。

步骤2：时间基准节点选取

时间基准节点选取流程分为3个子步骤，具体流程如下:

21)退避S个超帧周期，其中S为范围在1～4的随机整数，在退避时间内，若侦听信道收到同步帧，设置同步帧发送节点为本节点的上级节点，进入步骤31)，否则进入步骤22)。

22)启动时间基准计时器进行计时，并发送同步帧；若侦听信道收到请求帧，标记本节点为时间基准节点，设置本节点的同步时隙号为0，本节点复帧计数器F为0，为请求帧的发送节点分配同步时隙号为1，向请求帧的发送节点回传包含其获得同步时隙号和本节点同步时隙号的应答帧，进入步骤51)；若没有收到请求帧，进入步骤23)。

23)时间基准节点选取退避次数计数器W值加1；若W<5，返回步骤21)；若W≥5，判断为周围只有本节点工作，标记本节点为时间基准节点，超帧计数器清零，进入步骤51)。

步骤3：本节点同步时隙获取

本节点的同步时隙获取流程分为3个子步骤，具体流程如下:

31)接收到上级节点广播的同步帧后，标识本节点为非时钟基准节点，启动时间基准计时器进行计时，并立即向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，提取分配的同步时隙号和上级节点同步时隙号，设置本节点复帧计数器F为上级节点同步时隙号，标记本节点工作状态为同步状态，利用t2-t1差值的1/2作为估计链路延迟值，将时间基准计时器值减去估计链路延迟值，完成对时间基准计时器的同步处理，超帧计数器清零，进入步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，进入步骤32)。

32)退避T个超帧周期，其中T为范围在1～6的随机整数，退避结束后，若接收到上级节点广播的同步帧，返回步骤31)，若未接收到上级节点广播的同步帧，节点入网退避次数计数器N值加1，进入步骤33)。

33)判断N的值，当N≥5时，返回步骤1)，否则返回步骤32)。

步骤4：本节点同步时隙处理

本节点同步时隙处理分为时间基准节点处理流程和非时钟基准节点处理流程。

非时间基准节点处理流程分为7个子步骤，具体流程如下：

4A1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为上级节点同步时隙号，进入步骤61)；若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4A2)；若复帧计数器F既不为上级节点同步时隙号，也不为本节点同步时隙号，进入步骤51)。

4A2)若超帧计数器值为0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，若入退网信息发送退避计数器L大于0，L值减1，复帧计数器F加1，进入步骤4A3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4A4)。

4A3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，返回步骤1)，否则进入步骤4A4)。

4A4)链路延时每4个超帧周期更新一次，当超帧计数器的值不为4的倍数时，进入步骤4A5)；当超帧计数器的值为4的倍数时，向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，利用t2-t1差值的1/2作为新估计链路延迟值，用本次的新估计链路延迟值减去上次的估计链路延迟值，得到的差值加上时间基准计时器值，完成对时间基准计时器的修正，然后返回步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，返回步骤4A1)。

4A5)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4A6)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4A7)；若若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；，返回步骤4A1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4A1)。

4A6)查找是否已获得该入网节点的同步时隙号，若获得该入网节点的同步时隙号，向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，清除待入网标识值记录，返回步骤4A1)；否则记录该入网节点标识值为待入网节点，不回传应答帧，返回步骤4A1)。

4A7)记录该退网节点标识值为待退网节点，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4A1)。

时间基准节点处理流程分为6个子步骤，具体流程如下：

4B1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4B2)；若复帧计数器F不为本节点同步时隙号，进入步骤51)。

4B2)若超帧计数器值为在0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，进入步骤4B3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4B4)。

4B3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，进入步骤1，否则进入步骤4B4)。

4B4)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4B5)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4B6)；若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，进入步骤4B1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4B1)。

4B5)向该入网节点分配同步时隙号，若向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，返回步骤4B1)。

4B6)记录该退网节点对应的同步时隙号标记为未分配同步时隙号，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4B1)。

步骤5：对下级节点同步管理

对下级节点同步管理流程分为5个子步骤，具体流程如下：

51)判断复帧计数器F对应的同步时隙号节点是否为本节点相邻的下级节点，若是本节点相邻的下级节点，进入步骤52)；若不是本节点相邻的下级节点，复帧计数器F加1，进入步骤55)。

52)复帧计数器F加1，若接收到该下级节点发送的同步帧，进入步骤53)；若收到其他节点发送的同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，进入步骤54)；若没有收到数据帧，直接进入步骤54)。

53)设置该下级节点对应的同步丢失计数器为零，若接收到该下级节点发送的请求帧，立即回传应答帧后进入步骤55)。

54)没有接收到该下级节点发送的同步帧，该下级节点对应的同步丢失计数器值加1，若该下级节点对应的同步丢失计数器大于3，标记为待退网节点，进入步骤55)。

55)非时间基准节点进入步骤4A1)，时间基准节点进入步骤4B1)。

步骤6：与上级节点的同步维护

仅非时间基准节点进入该步骤，与上级节点的同步维护流程分为5个子步骤，具体流程如下：

61)若没有收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；若收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值为0，进入步骤63)；若收到其他节点发送的同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)。

62)若上级节点同步丢失计数器K值大于4，判断为上级节点异常，返回步骤1)，若K不大于4，进入步骤63)。

63)若待入网节点标识值记录非空，入退网信息发送退避计数器L值为0，进入步骤64)；若待退网节点标识值记录非空，且入退网信息发送退避计数器L为0，进入步骤65)；其他情况，直接进入步骤4A1)。

64)向上级节点发送含入网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，提取并记录分配的同步时隙号，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)。

65)向上级节点发送含退网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，清除待退网标识值记录，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)。

Claims (2)

1.一种小卫星自组织网络时间同步方法，涉及的小卫星系统采用TDMA通信体制，复帧由M个时隙组成，其中M为大于3的整数，每个复帧头部起始的3个时隙用于时间同步，第1个时隙收发同步帧，第2个时隙收发请求帧，第3个时隙收发应答帧，后续时隙用于业务通信；编队节点设计容量Z为大于1的整数，Z个复帧组成超帧，超帧中的复帧编号为同步时隙号，同步时隙号取值为0,1，…，Z-1，其特征在于步骤如下：

1)小卫星节点初始化及周围信息收集

小卫星时间同步与组网单机开机后，进行初始化操作，同时设置工作状态为非同步状态；侦听周围邻居小卫星节点信息，侦听时间长度为2个超帧周期，根据是否收到同步帧判断周围有无同步网络；若收到同步帧，即周围存在时间同步网络，则收集邻居节点信息，选取本节点的上级节点，进入步骤31)；若没有同步网络，进入步骤21)；在判断是否存在时间同步网络后，若长时间没有收到上级节点广播的同步帧，则重新进行初始化操作；

2)时间基准节点选取

21)退避S个超帧周期，其中S为范围在1～4的随机整数，在退避时间内，若侦听信道收到同步帧，设置同步帧发送节点为本节点的上级节点，进入步骤31)，否则进入步骤22)；

22)启动时间基准计时器进行计时，并发送同步帧；若侦听信道收到请求帧，标记本节点为时间基准节点，设置本节点的同步时隙号为0，本节点复帧计数器F为0，为请求帧的发送节点分配同步时隙号为1，向请求帧的发送节点回传包含其获得同步时隙号和本节点同步时隙号的应答帧，进入步骤51)；若没有收到请求帧，进入步骤23)；

23)时间基准节点选取退避次数计数器W值加1；若W<5，返回步骤21)；若W≥5，判断为周围只有本节点工作，标记本节点为时间基准节点，超帧计数器清零，进入步骤51)；

3)本节点同步时隙获取

31)接收到上级节点广播的同步帧后，标识本节点为非时钟基准节点，启动时间基准计时器进行计时，并立即向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，提取分配的同步时隙号和上级节点同步时隙号，设置本节点复帧计数器F为上级节点同步时隙号，标记本节点工作状态为同步状态，利用t2-t1差值的1/2作为估计链路延迟值，将时间基准计时器值减去估计链路延迟值，完成对时间基准计时器的同步处理，超帧计数器清零，进入步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，进入步骤32)；

32)退避T个超帧周期，其中T为范围在1～6的随机整数，退避结束后，若接收到上级节点广播的同步帧，返回步骤31)，若未接收到上级节点广播的同步帧，节点入网退避次数计数器N值加1，进入步骤33)；

33)判断N的值，当N≥5时，返回步骤1)，否则返回步骤32)；

4)本节点同步时隙处理

本节点同步时隙处理分为时间基准节点处理流程和非时钟基准节点处理流程；

非时间基准节点处理具体流程如下：

4A1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为上级节点同步时隙号，进入步骤61)；若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4A2)；若复帧计数器F既不为上级节点同步时隙号，也不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；

4A2)若超帧计数器值为0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，若入退网信息发送退避计数器L大于0，L值减1，复帧计数器F加1，进入步骤4A3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4A4)；

4A3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，返回步骤1)，否则进入步骤4A4)；

4A4)链路延时每4个超帧周期更新一次，当超帧计数器的值不为4的倍数时，进入步骤4A5)；当超帧计数器的值为4的倍数时，向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，利用t2-t1差值的1/2作为新估计链路延迟值，用本次的新估计链路延迟值减去上次的估计链路延迟值，得到的差值加上时间基准计时器值，完成对时间基准计时器的修正，然后返回步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，返回步骤4A1)；

4A5)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4A6)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4A7)；若若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；，返回步骤4A1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4A1)；

4A6)查找是否已获得该入网节点的同步时隙号，若获得该入网节点的同步时隙号，向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，清除待入网标识值记录，返回步骤4A1)；否则记录该入网节点标识值为待入网节点，不回传应答帧，返回步骤4A1)；

4A7)记录该退网节点标识值为待退网节点，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4A1)；

时间基准节点处理具体流程如下：

4B1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4B2)；若复帧计数器F不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；

4B2)若超帧计数器值为在0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，进入步骤4B3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4B4)；

4B3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，进入步骤1，否则进入步骤4B4)；

4B4)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4B5)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4B6)；若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，进入步骤4B1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4B1)；

4B5)向该入网节点分配同步时隙号，若向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，返回步骤4B1)；

4B6)记录该退网节点对应的同步时隙号标记为未分配同步时隙号，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4B1)；

5)对下级节点同步管理

51)判断复帧计数器F对应的同步时隙号节点是否为本节点相邻的下级节点，若是本节点相邻的下级节点，进入步骤52)；若不是本节点相邻的下级节点，复帧计数器F加1，进入步骤55)；

52)复帧计数器F加1，若接收到该下级节点发送的同步帧，进入步骤53)；若收到其他节点发送的同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，进入步骤54)；若没有收到数据帧，直接进入步骤54)；

53)设置该下级节点对应的同步丢失计数器为零，若接收到该下级节点发送的请求帧，立即回传应答帧后进入步骤55)；

54)没有接收到该下级节点发送的同步帧，该下级节点对应的同步丢失计数器值加1，若该下级节点对应的同步丢失计数器大于3，标记为待退网节点，进入步骤55)；

55)非时间基准节点进入步骤4A1)，时间基准节点进入步骤4B1)；

6)与上级节点的同步维护

61)若没有收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；若收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值为0，进入步骤63)；若收到其他节点发送的同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；

62)若上级节点同步丢失计数器K值大于4，判断为上级节点异常，返回步骤1)，若K不大于4，进入步骤63)；

63)若待入网节点标识值记录非空，入退网信息发送退避计数器L值为0，进入步骤64)；若待退网节点标识值记录非空，且入退网信息发送退避计数器L为0，进入步骤65)；其他情况，直接进入步骤4A1)；

64)向上级节点发送含入网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，提取并记录分配的同步时隙号，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)；

65)向上级节点发送含退网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，清除待退网标识值记录，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)。

2.根据权利要求1所述的一种小卫星自组织网络时间同步方法，其特征在于：所述步骤1)中初始化操作包括：(a)初始化时间基准节点选取退避次数计数器W值为整数0；(b)初始化节点入网退避次数计数器N值为整数0；(c)初始化节点更换时间基准计数器G值为整数0；(d)初始化上级节点同步丢失计数器K值为整数0；(e)初始化Z个下级节点对应的同步丢失计数器值为0；(e)初始化入退网信息发送退避计数器L值为0。