CN111010250A - 一种实现高精度时间同步的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时间同步技术领域，公开了一种实现高精度时间同步的方法及其系统，即在保证主节点架构兼容传统授时的基础上，通过主节点侧的或门元件将发送至主节点的测距码信号与授时码信号合成一个同时包含授时码和测距码的“或逻辑”合成信号，可利用该合成信号在从节点侧实现对传输距离的环回测量，最终得到精确的且主节点与从节点的时间误差，并基于该时间误差完成高精度时间同步的目的，由于在主节点侧仅增加了或门元件且不需要解析相关信息和测量时间差，只需要保证持续发出授时码信号而不需参与其它流程，因此对主节点的要求低，可简化主节点架构和整体系统结构，减少主节点的资源消耗，特别适用于多授时手段复用的一对多高精度时间同步场景。

Description

一种实现高精度时间同步的方法及其系统

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，具体地涉及一种实现高精度时间同步的方法及其系统。

背景技术

在当前时间同步技术中，常用的高精度时间同步方法以双向比对应用(即主节点和从节点同步发送和接受时间信号，通过时间对比结果消除传递路径引起的误差)最为普遍，其具备极高的时间同步精度。但是双向比对法是利用主节点测量从节点的准时刻信号，从节点测量主节点的准时刻信号，并交互主从节点测出的时差，通过算法求得对等的链路传输延时，从而获得主从节点的时间差。因此实现双向比对的主从节点均需布置高精度测量单元和交互测量数据等，整体架构复杂，特别是在一对多的应用场景下，主节点资源消耗大，整体容量受限。

发明内容

为了解决现有双向比对法所存在的整体架构复杂、对主节点的要求高和难以实现大规模和一对多的高精度时间同步的问题，本发明目的在于提供一种实现高精度时间同步的新方法及其新系统，可简化主节点的架构、减少主节点资源的消耗，能够适用于多授时手段复用的一对多高精度时间同步场景。

本发明所采用的技术方案为：

一种实现高精度时间同步的方法，包括如下步骤：

S101.在主节点侧，将发出的授时码信号传送至或门元件的第一输入端，其中，所述或门元件的第二输入端和输出端分别通过通信链路通信连接从节点；

S102.在从节点侧，根据来自主节点的授时码信号完成本地时钟的粗同步；

S103.在从节点侧，通过所述通信链路将发出的测距码信号传送至所述或门元件的第二输入端，然后接收来自所述或门元件的且由所述授时码信号与所述测距码信号合成的“或逻辑”合成信号，最后从所述“或逻辑”合成信号中获取授时码和测距码；

S104.在从节点侧，根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差，以及根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时，然后按照如下公式计算主节点与从节点的时间误差ΔT：

式中，Δt为所述本地时钟偏差，D为所述通信链路延时；

S105.在从节点侧，根据所述时间误差ΔT对本地时钟进行补偿校正。

具体的，所述授时码信号包含有相位信息和时间信息。

具体的，所述授时码信号采用IRIG-B格式时间码、NMEA0183协议或1PPS+TOD协议进行编码。

优化的，在所述步骤S103之前，还包括如下步骤：从节点根据所述授时码信号的编码形式选取特定时隙执行所述步骤S103。

进一步优化的，当所述授时码信号采用IRIG-B格式时间码进行编码时，从节点选取在预留码元或特定PR码元的低电平期间执行所述步骤S103。

进一步优化的，当所述授时码信号采用串行码流进行编码时，从节点在收到某个串行码流后的任意期间执行所述步骤S103。

详细优化的，从节点在收到至少两个串行码流后，先根据多次收到时刻获取相邻两串行码流的最新平均时隙时长τ，然后在时段

内执行所述步骤S103，其中，t₀为所述串行码流的最近收到时刻。

具体的，所述通信链路为有线传输介质或无线传输介质。

具体的，在所述步骤S102中，包括如下步骤：从节点以授时码信号的收到时刻为基准调整本地时钟的极性和相位，直到完成本地时钟的粗调节。

本发明所采用的另一种技术方案为：

一种实现高精度时间同步的系统，包括主节点设备、通信链路和从节点设备，其中，所述主节点设备包括主节点处理单元和或门元件，所述从节点设备包括从节点处理单元；

所述主节点处理单元的输出端通信连接所述或门元件的第一输入端，用于将发出的授时码信号传送至或门元件的第一输入端；

所述从节点处理单元的输入端通过所述通信链路通信连接所述或门元件的输出端，以及所述从节点处理单元的输出端通过所述通信链路还通信连接所述或门元件的第二输入端，一方面用于先根据来自主节点设备的授时码信号完成本地时钟的粗同步，再通过所述通信链路将发出的测距码信号传送至所述或门元件的第二输入端，再然后接收来自所述或门元件的且由所述授时码信号与所述测距码信号合成的“或逻辑”合成信号，最后从所述“或逻辑”合成信号中获取授时码和测距码，另一方面用于根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差，以及根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时，然后计算主节点与从节点的时间误差ΔT，最后根据所述时间误差ΔT对本地时钟进行补偿校正，其中，按照如下公式计算所述时间误差ΔT：

式中，Δt为所述本地时钟偏差，D为所述通信链路延时。

本发明的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种基于“或逻辑”合成信号的新高精度时间同步方法及其系统，即在保证主节点架构兼容传统授时的基础上，通过主节点侧的或门元件将发送至主节点的测距码信号与授时码信号合成一个同时包含授时码和测距码的“或逻辑”合成信号，可利用该合成信号在从节点侧实现对传输距离的环回测量，最终得到精确的且主节点与从节点的时间误差，并基于该时间误差完成高精度时间同步的目的，由于在主节点侧仅增加了或门元件且不需要解析相关信息和测量时间差(仅需从节点处理即可)，只需要保证持续发出授时码信号而不需参与其它流程，因此对主节点的要求低，可简化主节点架构和整体系统结构，减少主节点的资源消耗，特别适用于多授时手段复用的一对多高精度时间同步场景；

(2)该方法对授时码信号的码型无特殊要求，可兼容到传统的授时码信号中，并仅需选择在该授时码中特定时隙进行测距码的合成，适用范围广；

(3)可使主节点输出的授时信号能够与单向授时接口兼容，保障不连接新型主节点的从节点的原有授时码信号不受影响，兼容性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的实现高精度时间同步的方法流程示意图。

图2是本发明提供的实现高精度时间同步的原理图。

图3是本发明提供的在实现高精度时间同步的方法中合成信号的示意图。

图4是本发明提供的在实现高精度时间同步的方法中测距码信号的延迟示意图。

图5是本发明提供的实现高精度时间同步的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例一

如图1～4所示，本实施例提供的所述实现高精度时间同步的方法，可以但不限于包括如下步骤S101～S105。

S101.在主节点侧，将发出的授时码信号传送至或门元件的第一输入端，其中，所述或门元件的第二输入端和输出端分别通过通信链路通信连接从节点。

在所述步骤S101中，所述或门元件(即图2和3中的“OR”元件)为实现对两输入端信号进行“或逻辑”处理的常规电子元件，其为在现有主节点上所添加的唯一硬件。所述授时码信号(即图2中的授时信号)亦为常规的且包含有但不限于相位信息和时间信息的信号；同时所述授时码信号可以但不限于采用IRIG-B格式时间码(简称B码，为国际通用时间格式码，用于各系统的时间同步)、NMEA0183协议(美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式)或1PPS+TOD协议(为中国移动通信公司所采用的一种现有协议)等方式进行编码。所述通信链路用于使信号能够在主节点与从节点之间传送，其可以但不限于为有线传输介质或无线传输介质，其中，所述有线传输介质举例为长距离的电缆。

S102.在从节点侧，根据来自主节点的授时码信号完成本地时钟的粗同步。

在所述步骤S102中，进行粗同步的方式为现有常规时间同步方式，可以但不限于为如下步骤：从节点以授时码信号的收到时刻为基准调整本地时钟(即从节点时钟)的极性和相位，直到完成本地时钟的粗调节。

S103.在从节点侧，通过所述通信链路将发出的测距码信号传送至所述或门元件的第二输入端，然后接收来自所述或门元件的且由所述授时码信号与所述测距码信号合成的“或逻辑”合成信号，最后从所述“或逻辑”合成信号中获取授时码和测距码。

在所述步骤S103中，所述测距码信号(即图2中的测距信号)为常规的且包含测距码(用于测定发送机至接收机之间距离的一种二进制编码序列，是一种伪随机噪声码)的信号。如图2～4所示，为了便于最后在合成信号中能够快速且准确地获取授时码和测距码，需要减少两码在所述或门元件的“或逻辑”处理中出现高低电平抵消的概率，进而降低两码纠错难度，即优化的，在所述步骤S103之前，还包括如下步骤：从节点根据所述授时码信号的编码形式选取特定时隙执行所述步骤S103。

进一步优化的，当所述授时码信号采用IRIG-B格式时间码进行编码时，从节点选取在预留码元或特定PR码元(即帧参考标识码元)的低电平期间执行所述步骤S103。由于是在低电平期间发出测距码信号，使得在“或逻辑”处理中，授时码的低电平对测距码无影响，可利于最后在合成信号中能够快速且准确地获取授时码和测距码。

进一步优化的，当所述授时码信号采用串行码流进行编码时，从节点还可以在收到某个串行码流后的任意期间执行所述步骤S103。由于在收到某个串行码流后，在所述或门元件的第一输入端输入的信号大概率会处于低电平状态，因此同样可利于最后在合成信号中能够快速且准确地获取授时码和测距码。为了进一步降低授时码和测距码在“或逻辑”处理中出现高低电平抵消的概率，详细优化的，从节点在收到至少两个串行码流后，先根据多次收到时刻获取相邻两串行码流的最新平均时隙时长τ，然后在时段

内执行所述步骤S103，其中，t₀为所述串行码流的最近收到时刻。

S104.在从节点侧，根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差，以及根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时，然后按照如下公式计算主节点与从节点的时间误差ΔT：

式中，Δt为所述本地时钟偏差，D为所述通信链路延时。

在所述步骤S104中，所述根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差的测量方式和所述根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时的测量方式均为现有常规方式。

S105.在从节点侧，根据所述时间误差ΔT对本地时钟进行补偿校正。

在所述步骤S105中，由于通过前述公式计算，得到了精确的且主节点与从节点的时间误差，因此可以基于所述时间误差采用常规的补偿校正方式对本地时钟进行同步，实现高精度时间同步的目的。

综上，采用本实施例所提供的实现高精度时间同步的方法，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种基于“或逻辑”合成信号的新高精度时间同步方法，即在保证主节点架构兼容传统授时的基础上，通过主节点侧的或门元件将发送至主节点的测距码信号与授时码信号合成一个同时包含授时码和测距码的“或逻辑”合成信号，可利用该合成信号在从节点侧实现对传输距离的环回测量，最终得到精确的且主节点与从节点的时间误差，并基于该时间误差完成高精度时间同步的目的，由于在主节点侧仅增加了或门元件且不需要解析相关信息和测量时间差(仅需从节点处理即可)，只需要保证持续发出授时码信号而不需参与其它流程，因此对主节点的要求低，可简化主节点架构和整体系统结构，减少主节点的资源消耗，特别适用于多授时手段复用的一对多高精度时间同步场景；

(2)该方法对授时码信号的码型无特殊要求，可兼容到传统的授时码信号中，并仅需选择在该授时码中特定时隙进行测距码的合成，适用范围广；

(3)可使主节点输出的授时信号能够与单向授时接口兼容，保障不连接新型主节点的从节点的原有授时码信号不受影响，兼容性强。

实施例二

如图5所示，本实施例在实施例一的技术基础上，提供了一种用于实现实施例一所述方法的系统架构，包括主节点设备、通信链路和从节点设备，其中，所述主节点设备包括主节点处理单元和或门元件，所述从节点设备包括从节点处理单元；所述主节点处理单元的输出端通信连接所述或门元件的第一输入端，用于将发出的授时码信号传送至或门元件的第一输入端；所述从节点处理单元的输入端通过所述通信链路通信连接所述或门元件的输出端，以及所述从节点处理单元的输出端通过所述通信链路还通信连接所述或门元件的第二输入端，一方面用于先根据来自主节点设备的授时码信号完成本地时钟的粗同步，再通过所述通信链路将发出的测距码信号传送至所述或门元件的第二输入端，再然后接收来自所述或门元件的且由所述授时码信号与所述测距码信号合成的“或逻辑”合成信号，最后从所述“或逻辑”合成信号中获取授时码和测距码，另一方面用于根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差，以及根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时，然后计算主节点与从节点的时间误差ΔT，最后根据所述时间误差ΔT对本地时钟进行补偿校正，其中，按照如下公式计算所述时间误差ΔT：

式中，Δt为所述本地时钟偏差，D为所述通信链路延时。

如图5所示，本实施例中前述系统的具体技术细节以及总的技术效果，可参照实施例一直接推导得到，于此不再赘述。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

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。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101.在主节点侧，将发出的授时码信号传送至或门元件的第一输入端，其中，所述或门元件的第二输入端和输出端分别通过通信链路通信连接从节点；

S102.在从节点侧，根据来自主节点的授时码信号完成本地时钟的粗同步；

S103.在从节点侧，通过所述通信链路将发出的测距码信号传送至所述或门元件的第二输入端，然后接收来自所述或门元件的且由所述授时码信号与所述测距码信号合成的“或逻辑”合成信号，最后从所述“或逻辑”合成信号中获取授时码和测距码；

S104.在从节点侧，根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差，以及根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时，然后按照如下公式计算主节点与从节点的时间误差ΔT：

式中，Δt为所述本地时钟偏差，D为所述通信链路延时；

S105.在从节点侧，根据所述时间误差ΔT对本地时钟进行补偿校正。

2.如权利要求1所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，所述授时码信号包含有相位信息和时间信息。

3.如权利要求1所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，所述授时码信号采用IRIG-B格式时间码、NMEA0183协议或1PPS+TOD协议进行编码。

4.如权利要求1所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，在所述步骤S103之前，还包括如下步骤：从节点根据所述授时码信号的编码形式选取特定时隙执行所述步骤S103。

5.如权利要求4所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，当所述授时码信号采用IRIG-B格式时间码进行编码时，从节点选取在预留码元或特定PR码元的低电平期间执行所述步骤S103。

6.如权利要求4所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，当所述授时码信号采用串行码流进行编码时，从节点在收到某个串行码流后的任意期间执行所述步骤S103。

7.如权利要求6所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，从节点在收到至少两个串行码流后，先根据多次收到时刻获取相邻两串行码流的最新平均时隙时长τ，然后在时段

内执行所述步骤S103，其中，t₀为所述串行码流的最近收到时刻。

8.如权利要求1所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，所述通信链路为有线传输介质或无线传输介质。

9.如权利要求1所述的一种实现高精度时间同步的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，包括如下步骤：从节点以授时码信号的收到时刻为基准调整本地时钟的极性和相位，直到完成本地时钟的粗调节。

10.一种实现高精度时间同步的系统，其特征在于，包括主节点设备、通信链路和从节点设备，其中，所述主节点设备包括主节点处理单元和或门元件，所述从节点设备包括从节点处理单元；

所述主节点处理单元的输出端通信连接所述或门元件的第一输入端，用于将发出的授时码信号传送至或门元件的第一输入端；

所述从节点处理单元的输入端通过所述通信链路通信连接所述或门元件的输出端，以及所述从节点处理单元的输出端通过所述通信链路还通信连接所述或门元件的第二输入端，一方面用于先根据来自主节点设备的授时码信号完成本地时钟的粗同步，再通过所述通信链路将发出的测距码信号传送至所述或门元件的第二输入端，再然后接收来自所述或门元件的且由所述授时码信号与所述测距码信号合成的“或逻辑”合成信号，最后从所述“或逻辑”合成信号中获取授时码和测距码，另一方面用于根据授时码和本地时钟时间测量得到本地时钟偏差，以及根据测距码的发出时刻和接收时刻测量得到通信链路延时，然后计算主节点与从节点的时间误差ΔT，最后根据所述时间误差ΔT对本地时钟进行补偿校正，其中，按照如下公式计算所述时间误差ΔT：

式中，Δt为所述本地时钟偏差，D为所述通信链路延时。

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