CN108418647B - 一种基于gnss卫星共视的时间同步自适应组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GNSS卫星共视的时间同步自适应组网方法，通过GNSS卫星共视，实现节点间高精度时间无线比对，解决时间网内节点间时间高精度比对问题；通过网内节点间自适应选择多个比对参考点，解决各节点同步性能完好性自我监测判断问题；根据性能需求差别设计差异化设备类型和组网结构，降低组网成本和简化维护难度；部分重要骨干节点增加光纤同步链路，备份，保证可靠性。

Description

一种基于GNSS卫星共视的时间同步自适应组网方法

技术领域

本发明涉及通讯、电力技术领域，具体涉及一种网络内时间同步的组网方法。

背景技术

时间同步网是通信网络中必不可少的基础支撑网，为通信网的数字设备提供高精度的定时基准，使通信网内运行的数字设备工作在同一相同的平均速率上，是所有通信设备安全可靠运行的关键。

目前通信网内时钟同步主要采用GPS或北斗等卫星导航系统卫星授时结合IEEE1588同步协议，可实现时间网内时间同步精度约1.5微秒。

为适应下一代通信网对网内时间同步精度纳秒级的需求，需要新的支撑技术。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于GNSS卫星共视的时间同步自适应组网方法，实现时间网内各节点间时间自适应寻找多个符合标准要求的同步节点作为比对参考，利用两两间比对结果，相互验证各节点间的同步性能，进一步根据自适应决策机制，计算本节点的时间偏差量，控制本节点的时钟输出，使同步网内任意节点间实现30ns以内时间同步，同步精度显著提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，选择一个参考时间作为时间同步网的唯一时钟基准；

步骤二，使用时延测量设备，如时间间隔计数器或类似功能设备，测量时钟基准信号端口到GNSS卫星共视比对终端输入口的时延参数；

步骤三，在选定的时钟基准所在地，安装GNSS卫星共视比对终端，并将时钟基准信号接入GNSS卫星共视比对终端，启动终端，测定GNSS卫星共视比对终端天线的坐标参数；

步骤四，使用步骤二获得的时延参数设置比对终端的对应参数项；至此，GNSS卫星共视比对终端完成初始化设置过程，开始正式测量；

步骤五，准备至少一套便携式GNSS卫星共视复现终端，在时钟基准所在地与GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用时钟基准为参考，测试便携式GNSS卫星共视复现终端与GNSS卫星共视比对终端的相对延迟；

步骤四，将需要用于建立骨干网(骨干网是时间同步网的服务对象，时间同步网是骨干网中的一个支撑功能，支持通信骨干网内各节点同步，时间同步网是依托骨干网的通讯网络建立起来的，具体实现方式是在骨干网中的骨干节点安装复现终端，使用骨干网的通信条件实现数据交换，为骨干网节点提供复现信号)的GNSS卫星共视复现终端在布设到所需地点之前，先与GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用时钟基准信号接入，测量GNSS卫星共视比对终端与GNSS卫星共视复现终端的相对延迟参数，作为GNSS卫星共视复现终端的工作参数输入；

步骤五，按网络对时间同步性能需求差异，将时间同步网的服务分为两层，一层是骨干层，该层各复现终端所在节点间的时间同步偏差小于10ns，另一层是基站用户层，为基站节点提供时间同步服务，时间同步偏差小于20ns；

步骤六，布设骨干节点GNSS卫星共视复现终端，满足城市间以及城市内骨干节点时间的高精度同步(各节点输出的时间信号之间的偏差小于10ns)，骨干层网内终端仅与时钟基准所在地的GNSS卫星共视比对终端或本层级的节点进行比对，节点布设密度根据需求，遵循节点间基线距离大于100km，小于2000km，各终端运行前测定安装点天线坐标信息；

步骤七，以骨干节点为圆心，根据基站布设需求，布设用户级节点设备GNSS卫星共视复现终端，节点布设密度遵循与骨干节点间基线距离小于200km的原则；

步骤八，各节点的GNSS卫星共视复现终端运行前测定工作参数，包括本终端天线坐标和设备相对延迟，其中，坐标信息由终端设备启动后自动采集；设备相对延迟需要使用便携GNSS卫星共视复现终端进行测量，将一套便携GNSS卫星共视复现终端与需校准的GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用便携终端输出的时间频率信号接入待校准终端，测量两套终端的相对延迟，通过数据交换获得待校准终端的设备相对延迟参数，输入待校准终端校准设备延迟后启动运行；

步骤九，完成时延校准后的GNSS卫星复现终端，通过GNSS卫星共视测得本终端与各可视卫星的时间差结果；与此同时，位于时钟基准所在地的GNSS卫星共视比对终端也测得时钟基准与各可视卫星的时间差结果；时钟基准所在地和各复现终端的时间差结果与含各自网络唯一身份识别信息一起，通过通信网络传播；

步骤十，网络内的复现终端收到信息后，根据数据选择策略挑选比对参考点，使用该点的时间差结果作为参考，计算得到本终端与参考点的时间偏差之差，并进一步利用该结果控制本终端输出的时间信号，使其与参考终端的时间偏差趋近于零值，从而实现与参考时间同步；具体参考点的选择策略为：

基准节点与骨干层节点、基站用户层节点，需要相互比对，但考虑到时间同步网的地理分布特点，若都与某基准节点比对，距离最长的基线可能超过3000km，卫星共视比对链路误差较大，基线最短的距离可能几公里，误差可以忽略不计，不利于整体性能的实现，因此采用自适应匹配策略实现比对数据交互；

自适应匹配策略的基本原则包括：一、必须是骨干层节点才可以作为参考节点，二是距离最短原则；初次入网的节点，将自身位置信息和唯一识别的身份信息一起广播给附近节点，各节点根据自身位置信息，计算两站距离，从而根据距离最近原则，自动选择匹配节点的作为参考节点，其余满足骨干节点间基线距离小于1000km、骨干节点与本节点基线小于200km的3～5个节点作为完好性判断节点，使用收到钟差数据计算节点间的钟差，设计异常超限阈值为10～100ns之间(该项参数可由网管中心根据性能需求统一配置)，一旦超过该阈值范围，初步判断该节点的参考时间信号不可用，向网管中心发出告警信息。

步骤十一，所有不同类型终端的工作状态数据、比对数据汇聚到网管中心，网管中心监控时间同步网的同步状态及性能。

本发明的有益效果是：

优势一，时间网内各节点时钟同步到同一节点的标准时间UTC(k)，保证网内时间的唯一性和权威性；

优势二，各节点间通过卫星共视比对实现时间比对，比对链路使用无线信号，可用于3000km以内任意节点间比对，且比对不确定度优于5ns，较传统的GPS授时、IEEE1588协议等方案，大大提高比对精度和适用距离；

优势三，时间同步网内各节点间可以自动建立相互比对、核验链路，为各节点自我监控和系统监控各节点的同步性能提供支撑数据，提升时间网内的健壮性，保证可靠性。

附图说明

图1是本发明的组网方案示意图；

图2是GNSS卫星共视复现高性能终端的设备延迟校准原理图；

图3是GNSS卫星共视复现终端的设备延迟校准原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明主要解决现网的时间同步技术难以满足下一代通信网络对时间同步精度优于300ns甚至更高性能的要求，引入GNSS卫星共视技术实现节点间时间比对，将节点间比对精度提高到5ns水平，解决时间网内节点间时间高精度比对问题；通过网内节点间自适应选择多个比对参考点，解决各节点同步性能完好性自我判断问题，比对不依赖某个固定的参考节点，提高比对结果的可靠性，增强时间网的健壮性。

本发明提出了一种基于GNSS卫星共视的时间同步自适应组网方法，具有如下优势：

1.通过GNSS卫星共视，可实现节点间高精度时间无线比对，解决时间网内节点间时间高精度比对问题；

2.通过网内节点间自适应选择多个比对参考点，解决各节点同步性能完好性自我监测判断问题；

3.根据性能需求差别设计差异化设备类型和组网结构，降低组网成本和简化维护难度；

4.部分重要骨干节点增加光纤同步链路，备份，保证可靠性。

方案框图参考图1。

时间同步网内，根据功能划分，由七类设备组成：

1.基准时钟源：为整个时间网提供唯一的参考源，与国际、国内标准时间保持同步；

2.复现终端，分两种性能类型，分别是GNSS卫星共视复现高性能终端和GNSS卫星共视复现终端；

3.比对型终端，GNSS卫星共视比对终端，仅具有测量功能，用于测量基准时钟源与各卫星钟钟差；

4.便携型复现终端，便携式GNSS卫星共视复现高性能终端，主要用于测试各安装完成的终端与比对终端的相对时延偏差，是保证时钟网时间同步性能的关键设备；

5.导航卫星，包括北斗、GPS、GLONASS、GALILEO等卫星导航系统的卫星资源，为卫星共视提供共视源；

6.网管中心，是管理监控整个时间同步网工作状态的系统，运行维护这网络的主要工作参数，实时显示各节点工作状态；

7.通信网络，用于实现各终端之间共视比对数据交互。

为实现时间同步网内时间同步，涉及的各环节解决方案如下：

1.参考源选择方案

时间同步网内所有节点时间溯源到基准时钟源UTC(k)，其中“k”代表守时实验室名称，比如“NTSC”是中国科学院国家授时中心保持的标准时间的缩写。该方案是为了保证时间同步网内时间参考源的唯一性，以及与国际标准时间保持同步，便于与其他领域、其他国家的时间同步网络兼容。

2.远距离时间比对方案

为实现城市间(基线距离大于1000km)的时间高精度比对，以及城市内(100-1000km)枢纽级节点高精度时间比对，设计使用卫星共视比对技术实现5ns级不确定度的高精度时间比对，另外为提升城市高楼遮挡环境下比对链路可用性，采用兼容多卫星系统的GNSS卫星共视方案，兼容北斗、GPS、GLONASS等卫星导航系统，使用所有可视卫星作为共视中继源。

3.时间同步方案

通过GNSS卫星共视，测得各终端与各卫星的时间差结果，结合通信网络，传播包含各自网络唯一身份识别信息和时间差数据信息，各终端收到信息后，根据数据选择策略挑选可用数据，计算得到本终端与参考终端的时间偏差结果，并进一步利用该结果控制本终端输出的时间信号，使其与参考终端的时间偏差趋近于零值，从而实现与参考时间同步。

4.时间比对设备时延误差校准方案

由于各类终端的设备时延不完全相等，特别是安装环境差异引起的天线传输电缆长度不一致，导致卫星共视比对测试结果中包含了两比对终端的设备时延差异，为保证时间同步网内的时间同步性能，需要校准设备时延。本方案根据需求和实现难以程度要求差异，设计了两种校准方案，一是绝对延迟校准方案，主要用于校准GNSS卫星共视比对终端的设备延迟，使用模拟器模拟卫星信号注入终端，测试设备时延，写入GNSS卫星共视比对终端；二是相对延迟校准方案，相对校准方案较绝对延迟方案工程上更易实现，测试原理如附图2所示，以GNSS卫星共视比对终端为参考，将需要校准延迟的终端与参考紧邻(基线距离小于5m)安装，使用同一时钟信号为两比对终端提供参考，测试结果即为待校准终端的设备相对延迟；三是流动相对校准方案，以一台已经与参考终端进行过相对校准的便携GNSS卫星共视复现高性能终端为流动校准参考，分别将其与待校准的终端进行零基线安装，便携GNSS卫星共视复现高性能终端输出的时间频率信号接入被校准终端进行测试，测试结果为被校准终端的相对延迟参数，将参数输入被校准终端，测试原理如附图3所示。

5.时间同步网组网方案

时间同步网由无数需求时间同步的节点组成，各节点根据其所在网内的重要性分为基准节点、骨干节点和用户节点三类：

(1)基准节点：主要功能是使用基准时钟源，测量基准时钟源与卫星时间的差，并在同步网内利用通信链路广播测量数据，因此基准节点数量很少，为可靠性考虑，一般控制在三个以内，且都在基准时钟源附近，基线距离小于200m；

(2)骨干节点：主要功能是传播与基准时钟源同步的时间信号，并不直接提供时间同步信号被最终用户使用，因此每一个骨干节点作为时钟参考节点，与附近区域的多个用户节点建立GNSS卫星共视比对和数据交换链路，使用户节点的时间与其保持同步，因此骨干节点的同步设备GNSS卫星共视复现高性能终端兼有GNSS卫星共视比对终端和GNSS卫星共视复现终端的功能，即既能与基准节点终端或同骨干级节点终端比对，并调整输出的时间频率信号，又能生成本终端与可视卫星的钟差数据，分发给下级用户节点；骨干节点优先选择基准节点的数据作为参考数据，同时根据距离原则选择附近同层级节点的时差数据，辅助判断本节点的同步性能，完成自身的完好性判断；当骨干节点与基准节点距离超过2000km时，优先选择附近不少于3个骨干节点线性拟合后的数据为参考数据，以基准节点的数据位辅助判断完好性；骨干节点的布设数量与时间同步网的覆盖区域有关，建议相邻两个骨干节点间基线距离在100～1000km之间，骨干节点与基准节点之间距离2000km以内，根据负载能力及性能需求布设；

(3)用户节点，主要功能是为通信网的各基站提供时间同步参考信号，为实现时间同步，基站级终端通过GNSS卫星共视与相邻的不少于3个骨干节点的终端比对，获得比对数据，根据多数策略剔除偏差大于10σ的偏差数据后，采用线性拟合计算得到参考偏差量，计算该节点终端与参考时间偏差；用户节点的布设在通信网的基站里，因此布设数量与通信网的一致，为保证性能降低成本，各用户节点与骨干节点的基线距离建议10～200km范围内，因此骨干节点布设时可以参考这一需求。

6.比对数据自适应匹配策略

为实现全网时间同步，基准节点与骨干节点、用户节点，需要相互比对，但考虑到时间同步网的地理分布特点，若都与某节点比对，距离最长的基线可能超过3000km，卫星共视比对链路误差较大，基线最短的距离可能几公里，误差可以忽略不计，不利于整体性能的实现，因此采用自适应匹配策略实现比对数据交互。

自适应匹配策略的基本原则是距离最短原则，初次入网的节点，将自身位置信息和唯一识别的身份信息一起广播给附近节点，各节点根据自身位置信息，计算两站距离，从而根据距离最近原则，自动选择匹配节点的作为参考节点，其余满足骨干节点间基线距离小于1000km、骨干节点与本节点基线小于200km的3～5个节点作为完好性判断节点，使用收到钟差数据计算节点间的钟差，设计异常超限阈值为10～100ns之间(该项参数可由网管中心根据性能需求统一配置)，一旦超过该阈值范围，初步判断该节点的参考时间信号不可用，向网管中心发出告警信息。

图2是GNSS卫星共视复现高性能终端的设备延迟校准原理图，将待校准的终端与作为参考的GNSS卫星共视比对终端并址安装，并使用同一参考信号接入，精确标校参考信号连接电缆的延迟后，测试并交换测试数据，获得两终端的相对延迟偏差，即为GNSS卫星共视复现高性能终端的设备相对延迟。

图3是GNSS卫星共视复现终端的设备延迟校准原理图，将已经校准过设备相对延迟的便携GNSS卫星共视复现高性能终端与待校准的终端并址安装，使用便携终端输出的时间频率信号为参考，接入待校准终端，精确标校参考信号连接电缆的延迟后，测试并交换测试数据，获得两终端的相对延迟偏差，即为GNSS卫星共视复现终端的设备相对延迟。

下面详细描述本发明的具体实施步骤：

步骤一，选择一个参考时间作为时间同步网的唯一时钟基准，通常是与国际标准时间UTC同步的标准时间UTC(k)，比如UTC(NTSC)；

步骤二，在选定的时钟基准所在地，安装GNSS卫星共视比对终端，并将时钟基准信号接入GNSS卫星共视比对终端，测定GNSS卫星共视比对终端天线的精确坐标参数，测量时钟基准信号基准点经传输到接入GNSS卫星共视比对终端输入口的时延参数，使用得到的参数配置并启动GNSS卫星共视比对终端开始测量；

步骤三：准备一套或多套便携的GNSS卫星共视复现高性能终端，在时钟基准所在地与GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用时钟基准为参考，测试便携的GNSS卫星共视复现高性能终端与GNSS卫星共视比对终端的相对延迟，记录该参数；

步骤四：将需要用于建立骨干网的GNSS卫星共视复现高性能终端在布设到所需地点之前，先与GNSS卫星共视比对终端并址安装，同样使用时钟基准信号接入，测量GNSS卫星共视比对终端与GNSS卫星共视复现高性能终端的相对延迟参数，作为GNSS卫星共视复现高性能终端的工作参数输入；

步骤五：布设骨干节点GNSS卫星共视复现高性能终端，满足城市间、以及城市内骨干节点时间的高精度同步，本层网内终端仅与基准源或本层级的节点进行比对，节点布设密度根据需求，遵循节点间基线距离大于100km，小于2000km，各终端正式运行前需先测定安装点天线坐标信息，之后才能运行；

步骤六：以骨干节点为圆心，根据基站布设需求，布设用户级节点设备GNSS卫星共视复现终端，节点布设密度根据基站情况，遵循与骨干节点间基线距离小于200km的基本原则；

步骤七：启动GNSS卫星共视比对终端运行前，需要先测定工作参数，包括本终端天线坐标和设备相对延迟。其中，坐标信息由终端设备启动后自动采集；设备相对延迟需要使用便携GNSS卫星共视复现高性能终端进行测量，将一套便携的GNSS卫星共视复现高性能终端，与需校准的GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用便携终端输出的时间频率信号接入待校准终端，测量两套终端的相对延迟，通过数据交换获得待校准终端的设备相对延迟参数，输入待校准终端校准设备延迟后，可启动运行；

步骤八：所有不同类型终端的工作状态数据、比对数据汇聚到网管中心，便于网管中心监控整个时间同步网的同步状态及性能，网管中心根据时间同步网的性能需求，还可以分发决策策略阈值参数，故障判决阈值等。

Claims (1)

1.一种基于GNSS卫星共视的时间同步自适应组网方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一，选择一个参考时间作为时间同步网的唯一时钟基准；

步骤二，在选定的时钟基准所在地，安装GNSS卫星共视比对终端，并将时钟基准信号接入GNSS卫星共视比对终端，启动终端，测定GNSS卫星共视比对终端天线的坐标参数；

步骤三，使用时延测量设备测量时钟基准信号端口到GNSS卫星共视比对终端输入口的时延参数；

步骤四，使用步骤三获得的时延参数设置比对终端的对应参数项；

步骤五，准备至少一套便携式GNSS卫星共视复现终端，在时钟基准所在地与GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用时钟基准为参考，测试便携式GNSS卫星共视复现终端与GNSS卫星共视比对终端的相对延迟；

步骤六，在布设到所需地点之前，将需要用于建立骨干网的GNSS卫星共视复现终端与GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用时钟基准信号接入，测量GNSS卫星共视比对终端与GNSS卫星共视复现终端的相对延迟参数，作为GNSS卫星共视复现终端的工作参数输入；

步骤七，按网络对时间同步性能需求差异，将时间同步网的服务分为两层，一层是骨干层，该层各复现终端所在节点间的时间同步偏差小于10ns，另一层是基站用户层，为基站节点提供时间同步服务，时间同步偏差小于20ns；

步骤八，布设骨干节点GNSS卫星共视复现终端，各节点输出的时间信号之间的偏差小于10ns，骨干层网内终端仅与时钟基准所在地的GNSS卫星共视比对终端或本层级的节点进行比对，节点间基线距离大于100km，小于2000km，各终端运行前测定安装点天线坐标信息；

步骤九，以骨干节点为圆心，根据基站布设需求，布设用户级节点设备GNSS卫星共视复现终端，节点与骨干节点间基线距离小于200km；

步骤十，各节点的GNSS卫星共视复现终端运行前测定工作参数，包括本终端天线坐标和设备相对延迟；将一套便携GNSS卫星共视复现终端与需校准的GNSS卫星共视比对终端并址安装，使用便携终端输出的时间频率信号接入待校准终端，测量两套终端的相对延迟，通过数据交换获得待校准终端的设备相对延迟参数，输入待校准终端校准设备延迟后启动运行；

步骤十一，完成时延校准后的GNSS卫星复现终端，通过GNSS卫星共视测得本终端与各可视卫星的时间差结果；与此同时，位于时钟基准所在地的GNSS卫星共视比对终端也测得时钟基准与各可视卫星的时间差结果；时钟基准所在地和各复现终端的时间差结果与含各自网络唯一身份识别信息一起，通过通信网络传播；

步骤十二，网络内的复现终端收到信息后，根据数据选择策略挑选比对参考点，使用该点的时间差结果作为参考，计算得到本终端与参考点的时间偏差之差，并进一步利用该结果控制本终端输出的时间信号，使其与参考终端的时间偏差趋近于零值，从而实现与参考时间同步；选择策略为：

基准节点与骨干层节点、基站用户层节点采用自适应匹配策略实现比对数据交互；自适应匹配策略包括：

一、必须是骨干层节点才可以作为参考节点，

二、初次入网的节点，将自身位置信息和唯一识别的身份信息一起广播给附近节点，各节点根据自身位置信息，计算两站距离，根据距离最近原则选择匹配节点作为参考节点，其余满足骨干节点间基线距离小于1000km、骨干节点与本节点基线小于200km的3～5个节点作为完好性判断节点，使用收到钟差数据计算节点间的钟差，设计异常超限阈值为10～100ns，一旦超过该阈值范围，初步判断该节点的参考时间信号不可用，向网管中心发出告警信息；

步骤十三，所有不同类型终端的工作状态数据、比对数据汇聚到网管中心，网管中心监控时间同步网的同步状态及性能。