CN109743102A - 一种微纳卫星的时间基准同步方法及其组网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳卫星的时间基准同步方法及其组网控制方法，其中，微纳卫星的时间基准同步方法，用于多个微纳卫星组网过程中的多个通信节点设备，包括：确定初始支撑节点；捕获初始支撑节点广播的第一网络控制消息，第一网络控制消息携带有初始支撑节点的节点编号和超帧结构，根据节点编号和超帧结构进行预同步；向初始支撑节点发送入网请求；判断是否接收到入网许可数据包；当接收到入网许可数据包时，根据入网许可数据包进行细同步。本发明实施例通过预同步和细同步完成了新节点设备入网过程中的时间基准的同步运算，提高了时间基准精度，从而提高网络链路的可靠性，为微纳卫星间的数据传输提供较好的支持。

Description

一种微纳卫星的时间基准同步方法及其组网控制方法

技术领域

本发明涉及航天信息技术领域，具体涉及一种微纳卫星的时间基准同步方法及其组网控制方法。

背景技术

微纳卫星(NanoSat)通常指质量小于10千克、具有实际使用功能的卫星。以体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势，在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。

在微纳卫星刚脱离载具的入轨阶段，卫星间有较快的相对运动，且每个卫星的姿态不稳定，卫星间不交互业务数据，只交互网络管理与控制消息以完成组网与编队控制；多个微纳卫星在组网过程中以及网络链路建立之后对于时间同步精度非常敏感，而多个微纳卫星组成的交互网络拓扑结构使通信系统网络结构和网络规模具有很大的不确定性，严重影响卫星编队的时间同步精度，另外，物理层电路设计引发的处理延时、时钟频率的飘移问题，网络传输延时的不确定性等问题均对时间同步性能有很大影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种微纳卫星的时间基准同步方法及其组网控制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供一种微纳卫星的时间基准同步方法，用于多个微纳卫星组网过程中的多个通信节点设备，所述方法包括：

确定初始支撑节点；

捕获所述初始支撑节点广播的第一网络控制消息，根据所述第一网络控制消息进行预同步；

向所述初始支撑节点发送入网请求；

判断是否接收到入网许可数据包；

当接收到入网许可数据包时，根据所述入网许可数据包进行细同步。

在一个具体的实施例中，确定初始支撑节点包括：

进行节点设备初始化；

判断是否捕获所述第一网络控制消息；

若是，则将发送所述第一网络控制消息的节点设备标记为初始支撑节点；

若否，则根据初始支撑节点选择算法确定所述初始支撑节点。

在一个具体的实施例中，根据初始支撑节点选择算法确定所述初始支撑节点，包括：

每一个节点设备自行分配节点编号，并建立自身的时间基准和超帧结构；

多个节点设备相互发送第二网络控制消息，所述第二网络控制消息中携带有发送所述第二网络控制消息的节点设备的节点编号；

根据捕获的所述第二网络控制消息中的节点编号和节点设备本身的节点编号，建立备选支撑节点队列；

将所述备选支撑节点队列中的支撑等级最高的节点设备标记为初始支撑节点。

在一个具体的实施例中，判断是否捕获所述第一网络控制消息，包括：

判断在N个超帧周期内是否捕获所述第一网络控制消息；

其中，N为大于等于1的整数。

在一个具体的实施例中，捕获所述初始支撑节点广播的第一网络控制消息，所述第一网络控制消息携带有所述初始支撑节点的节点编号和超帧结构，根据所述节点编号和所述超帧结构进行预同步；包括：

解析所述第一网络控制消息，得到所述初始支撑节点的节点编号和超帧结构；

根据所述节点编号和所述超帧结构的长度生成传输间隔；

根据所述传输间隔完成相对所述初始支撑节点的预同步。

在一个具体的实施例中，向所述初始支撑节点发送入网请求之前，还包括：

记录所述第一网络控制消息的捕获时间点；

根据所述捕获时间点和所述传输间隔，得到入网请求时间点。

在一个具体的实施例中，当接收到入网许可数据包时，根据所述入网许可数据包进行细同步，包括：

解析所述入网许可数据包，得到传输延时数据；

获取处理延时数据；

根据所述传输延时数据和所述处理延时数据生成延时补偿；

根据所述延时补偿完成相对所述初始支撑节点的细同步。

本发明另一实施例提供一种微纳卫星的组网控制方法，包括多个微纳卫星，任一个所述微纳卫星包括M个天线，其中，M为大于1的整数，所述方法包括：

所有微纳卫星分别启动M个天线；

任一个微纳卫星通过自身的M个天线与其余微纳卫星进行网络控制信号交互；

根据所述网络控制信号，采用如权利要求1-7任一项所述的微纳卫星的时间基准同步方法在所述多个微纳卫星之间建立星间链路；

确定任意两个微纳卫星之间工作天线；

根据所述工作天线和星间链路双向传输各自对应的测控信息。

在一个具体的实施例中，确定任意两个微纳卫星之间工作天线，包括：

其中一个所述微纳卫星在预设时间段内连续发送M个探测信号；

另一个所述微纳卫星通过切换自身的M个天线，使得M个天线轮流接收所述探测信号；

比较接收到的所述探测信号的强度；

将获取最强探测信号的天线标记为所述工作天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明实施例通过预同步和细同步完成了新节点设备入网过程中的时间基准的同步运算，提高了时间基准精度，从而提高网络链路的可靠性，为微纳卫星间的数据传输提供较好的支持。

2、本发明实施例通过在组网过程中启动全部的天线，而在工作过程中只启动对应的工作天线，从而能够实现更高的业务数据吞吐率。

附图说明

图1为本发明提供的微纳卫星的时间基准同步方法的流程图；

图2为本发明提供的时间基准同步方法的数据交互示意图；

图3为本发明提供的时间基准同步示意图；

图4为本发明提供的微纳卫星的组网控制方法的流程图；

图5为本发明提供的确定工作天线的示意图。

具体实施方式

在本发明实施例仅是为了便于对本发明的技术方案进行解释说明，本技术方案并不限于本发明实施例所提供的内容，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-图3所示，本发明实施例提供一种微纳卫星的时间基准同步方法，应用于多个微纳卫星组网过程中的多个通信节点设备，具体的：

节点设备(代表一个微纳卫星)初始化后或者主动从网络中退出后，处于不在网状态，此时，节点设备并不主动试图了解网络的有无，也不接受来自空间接口的消息，直到接收到来自上层软件的入网命令为止。

需要说明的是，在网络初始化的时候，需要确定初始支撑节点，其他节点设备需要以初始支撑节点为基准进行同步。

收到入网命令之后，节点设备启动入网程序，入网的过程也即时间基准同步的过程，也即不在网状态的节点设备通过与在网状态的支撑节点进行时间基准同步，当不在网状态的节点设备的时间基准与在网状态的支撑节点的时间基准同步后，那么不在网状态的节点设备的状态变为在网状态，完成入网程序。

具体的，节点设备没有入网时，也没有与任何一跳邻节点预同步，且没有有关网络的其他信息，甚至不知道网络存在与否，但此时，节点设备试图了解网络的现状，也即监听来自空间接口第一网络控制消息。第一网络控制消息为已经存在的网络链路周期性广播的网络控制时隙(NCFG)消息。

节点设备保持监听状态并不是一成不变的，而是以N个超帧周期为一个过程，在一个过程内判断是否捕获到第一网络控制消息，其中N大于1。当N个超帧周期之后，节点设备进入下一个状态，而不会维持原态。

节点设备在N个超帧周期内判断是否捕获了第一网络控制消息，如果捕获，那么发送第一网络控制消息的节点设备为初始支撑节点；例如：在PMP网络中，系统预先设置初始支撑节点，这个节点作为整个网络的同步时间基准和网络建立的根节点这样，新的节点设备通过捕捉第一网络控制消息识别出该预设的初始支撑节点即可。

需要说明的是，若网络中存在多个预设的初始支撑节点时，则当监听到有高于自身支撑等级的节点存在时，放弃自身“初始支撑节点”的身份，并试图加入高支撑等级的节点所支撑的网络。

如果没有捕获，那么就要通过初始支撑节点选择算法确定初始支撑节点。例如：在MESH网络中，新节点设备开机初始化后，无法搜寻到任何第一网络控制消息，则需要按竞争机制，执行初始支撑节点选择算法来选取初始支撑节点。

具体的，节点设备在N个超帧周期内没有捕获第一网络控制消息，那么节点设备认为目前没有其他邻节点的存在，并将自家视为“孤独的支撑节点”，节点设备在进入“孤独的支撑节点”态后，为自己随机分配一个节点编号(Node ID)，节点编号为一个超帧结构内部拥有的配置时隙的编号，一个超帧结构中包括n个时隙，每一个节点具有一个固定的时隙和确定的节点编号值；并根据本地时钟源建立时间基准和超帧结构，在Cn子帧中该Node ID所对应的NCFG时隙去发送第二网络控制消息，并在其他时间持续监听来自其他节点的第二网络控制消息，并以此作为初始支撑节点的选择依据。其中，第二网络控制消息为已经存在的网络链路周期性广播的网络控制时隙(NCFG)消息。

需要说明的是，第一网络控制消息与第二网络控制消息并无时序上的先后关系，仅用于标注不同状态的节点设备所发出的消息类型。

如果有多个“孤独的支撑节点”出现相同的邻节点域(如恰好同时进入“孤独支撑节点态”，或因为相对移动使多个本来不在邻节点域的“孤独支撑节点”进入相同的邻节点域)，当节点设备捕捉到第二网络控制消息时，需要判断发送该第二网络控制消息的节点设备是否是一个正常的在网节点，如果是，就说明，发送该第二网络控制消息的节点设备为一个初始支撑节点，那么放弃自身的“孤独的支撑节点”的身份，并向对方发起入网请求。

如果判断发送该第二网络控制消息的设备节点不是一个正常的在网节点，那么接收该第二网络控制消息的设备节点和发送该第二网络控制消息的设备节点进行竞争，由于每一个节点设备都处于一边捕捉一边广播的状态，因此，每一个节点设备均有可能捕捉到多个第二网络控制消息，此时就需要对多个第二网络控制消息所对应的节点设备进行排序，组成备选支撑节点队列。

具体为：每一个第二网络控制消息中携带有发送该第二网络控制消息的节点设备的节点编号，该节点编号能够代表对应节点设备的支撑等级，因此通过比较节点编号就可以对节点设备的支撑等级进行排序，最终形成备选支撑节点队列。从备选支撑节点队列中选择一个支撑等级最高的节点设备，作为初始支撑节点，初始支撑节点周期性广播第一网络控制消息。

进一步的，当节点设备收到多个第一网络控制消息时，通过第一网络控制消息中携带的初始支撑节点的节点编号和节点参数进行排序，形成候选支撑队列，然后选择候选支撑队列中的最佳候选支撑节点，向该最佳候选支撑节点进行预同步。

初始支撑节点确定之后，节点设备根据捕获的第一网络控制消息进行预同步，具体的：捕获第一网络控制消息时，记录捕获时间点S；

对第一网络控制消息进行解析，得到初始支撑节点的节点编号和超帧结构，通过超帧结构能够得到超帧结构的长度，然后计算传输间隔T_n，传输间隔T_n即代表新的节点设备与初始支撑节点之间的传输时长。

T_n＝超帧长度-n*T_NCFG；

其中，T_NCFG为网络配置时隙，n为节点编号值。

进一步的，根据传输间隔和捕获时间点S能够计算出下一超帧的开始时刻T＝T_n+S。

定位了帧的起始时刻之后，根据初始支撑节点的超帧结构，就能确定入网请求时间点。此时完成了新节点设备的本地时间相对初始支撑节点的时间基准的预同步。

当节点设备发起入网请求之后，需要判断是否收到入网许可数据包，如果没有收到，或者在预设时长内没有收到，说明入网失败，那么新节点设备继续发起入网请求。

如果收到，那么新节点设备进入入网状态，入网许可数据包中携带有传输延时数据，具体为Estimated Propagation Delay(sponsor节点通过其对新节点的NENT_REQ入网请求消息的捕获时刻测算得到)。

进一步的，获取物理层电路设计所引起的处理延时数据，其中，处理时延数据是物理层电路设计时可预知的。

根据传输延时数据和处理延时数据可以生成延时补偿；也即经过预同步的新节点设备与初始支撑节点之间增加延时补偿，以提高新节点设备和初始支撑节点之间的时间基准同步的精度。如图3所示。

需要说明的是，本实施例中，第一网络控制消息与第二网络控制消息并无本质的不同，仅是为了区别不同状态下的节点设备而做出的名称上是区分，并不具有实质上的先后顺序。

本发明实施例通过预同步和细同步完成了新节点设备入网过程中的时间基准的同步运算，提高了时间基准精度，从而提高网络链路的可靠性，为微纳卫星间的数据传输提供较好的支持。

实施例二

如图4-图5所示，本发明实施例提供一种微纳卫星的组网控制方法，应用于多个微纳卫星之间的网络链路组建，具体的，每一个微纳卫星包括M个天线，其中M为大于1的整数。例如，每一个微纳卫星包括6个天线。

在微纳卫星刚脱离载具的入轨阶段，卫星间有较快的相对运动，且每个卫星的姿态不稳定，卫星间不交互业务数据，只交互网络管理与控制消息以完成组网与编队控制；

在网络建立模式中，没有业务数据突发，只有网络控制消息突发，且为了达到尽可能大的覆盖范围，微纳卫星将6个天线全部打开，如图5所示，任一个微纳卫星与其他微纳卫星在6个天线面上同时发送或接收网络控制信号，这样可以应对此时卫星间有较大相对运动和姿态变化；由于6个天线面上同时收发会带来的比较大的天线增益损失，具体的，链路预算如下：载波频率2260MHz，调制方式QPSK。理论上讲，6个接收天线所收到合成信号的噪声功率为单天线接收时的6倍，此时的接收信噪比要比单天线收发时低。因此，采用6个接收天线会存在较大的天线增益损失，为了解决这个技术问题，本实施例采用序列扩频的方式将信息速率降为400kbps左右，这样可获得100倍(20dB)的扩频增益，以抵消天线增益损失，并保留较高的链路预算余量。

进一步的，各个微纳卫星根据收到的网络控制信号进行时间基准同步，具体的时间基准同步方法如实施例一中所述的内容。时间基准同步完成就表示微纳卫星之间的星间链路建立完成，在此不做赘述。

在微纳卫星组网完成后，卫星上载荷单元开始工作，卫星间开始大量交互业务数据，同时还需少量交互网络管理与控制消息以保障组网与编队飞行。

在正常工作模式中，当传送业务数据突发时，为达到尽可能高的业务数据吞吐量，例如大于40Mbps，此时微纳卫星将采用只在1个天线上发送或接收的配置，这样将获得较高的天线增益以满足链路预算需求。但这需要物理层在每次发送或接收业务数据突发时知道目标卫星处于6个天线面中的哪个天线面覆盖范围内。因此，需要提前确定任一两个微纳卫星之间的工作天线。

具体的，为使各个卫星获知其他卫星位于本卫星6个天线面中的哪个天线面覆盖范围内，每个卫星将在预设时间段，例如网络管理与维护时间段内的特定时刻连续发送6个探测信号，如图5所示，而其他卫星在该时刻通过轮流切换自身的6个天线面上的每个天线面来分别接收该探测信号，保证每一个天线都有机会接收一次该探测信号，并比较各接收结果的信号强度(或信噪比)，来确定发射该探测信号的源卫星处于本卫星的哪个天线面，并把这个天线标记为工作天线，通过工作天线完成源卫星和本卫星之间的测控信息的传输。

需要说明的是，每一个微纳卫星均有一次发射探测信号的工作过程，多个微纳卫星依次完成这个动作，当本卫星需要与其余卫星进行数据传输时，首选启动预先标记好的工作天线，然后进行数据传输。在卫星的工作模式下，只启动工作天线，其余天线处于静默状态。

为保证“探测”的准确性与可靠性，探测信号突发采用较低的空口速率，例如小于400Kbps，以获得较高的链路预算余量。为进一步提高对探测信号噪比判断的准确性，探测信号可采用序列扩频的方式。

综上可知，本发明实施例通过在组网过程中启动全部的天线，而在工作过程中只启动对应的工作天线，从而能够实现更高的业务数据吞吐率，解决了现有技术中，无论组网或者正常工作模式，只能通过唯一固定的天线进行数据传输的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种微纳卫星的时间基准同步方法，其特征在于，用于多个微纳卫星组网过程中的多个通信节点设备，所述方法包括：

确定初始支撑节点；

捕获所述初始支撑节点广播的第一网络控制消息，根据所述第一网络控制消息进行预同步；

向所述初始支撑节点发送入网请求；

判断是否接收到入网许可数据包；

当接收到入网许可数据包时，根据所述入网许可数据包进行细同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定初始支撑节点包括：

进行节点设备初始化；

判断是否捕获所述第一网络控制消息；

若是，则将发送所述第一网络控制消息的节点设备标记为初始支撑节点；

若否，则根据初始支撑节点选择算法确定所述初始支撑节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据初始支撑节点选择算法确定所述初始支撑节点，包括：

每一个节点设备自行分配节点编号，并建立自身的时间基准和超帧结构；

多个节点设备相互发送第二网络控制消息，所述第二网络控制消息中携带有发送所述第二网络控制消息的节点设备的节点编号；

根据捕获的所述第二网络控制消息中的节点编号和节点设备本身的节点编号，建立备选支撑节点队列；

将所述备选支撑节点队列中的支撑等级最高的节点设备标记为初始支撑节点。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，判断是否捕获所述第一网络控制消息，包括：

判断在N个超帧周期内是否捕获所述第一网络控制消息；

其中，N为大于等于1的整数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，捕获所述初始支撑节点广播的第一网络控制消息，所述第一网络控制消息携带有所述初始支撑节点的节点编号和超帧结构，根据所述节点编号和所述超帧结构进行预同步；包括：

解析所述第一网络控制消息，得到所述初始支撑节点的节点编号和超帧结构；

根据所述节点编号和所述超帧结构的长度生成传输间隔；

根据所述传输间隔完成相对所述初始支撑节点的预同步。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，向所述初始支撑节点发送入网请求之前，还包括：

记录所述第一网络控制消息的捕获时间点；

根据所述捕获时间点和所述传输间隔，得到入网请求时间点。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当接收到入网许可数据包时，根据所述入网许可数据包进行细同步，包括：

解析所述入网许可数据包，得到传输延时数据；

获取处理延时数据；

根据所述传输延时数据和所述处理延时数据生成延时补偿；

根据所述延时补偿完成相对所述初始支撑节点的细同步。

8.一种微纳卫星的组网控制方法，其特征在于，包括多个微纳卫星，任一个所述微纳卫星包括M个天线，其中，M为大于1的整数，所述方法包括：

所有微纳卫星分别启动M个天线；

任一个微纳卫星通过自身的M个天线与其余微纳卫星进行网络控制信号交互；

根据所述网络控制信号，采用如权利要求1-7任一项所述的微纳卫星的时间基准同步方法在所述多个微纳卫星之间建立星间链路；

确定任意两个微纳卫星之间工作天线；

根据所述工作天线和星间链路双向传输各自对应的测控信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定任意两个微纳卫星之间工作天线，包括：

其中一个所述微纳卫星在预设时间段内连续发送M个探测信号；

另一个所述微纳卫星通过切换自身的M个天线，使得M个天线轮流接收所述探测信号；

比较接收到的所述探测信号的强度；

将获取最强探测信号的天线标记为所述工作天线。