CN111726187A - 基于星载vde的utc时间同步处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，包括：时间同步状态管理模块，用于星载VDE的UTC时间同步管理，在对应时间节点上对同步方式、同步状态和同步维持进行管理；直接同步处理模块，根据从GPS天线端获取的准确时间信息和PPS脉冲信号，在定时器中预设的同步等待时间没有超时的情况下，进行直接同步处理；同步维持处理模块，在定时器中预设的同步维持时间内，若未获取准确时间信息和PPS脉冲信号，则进行同步维持处理；间接同步处理模块，在无法检测到直接同步处理且同步维持处理超时情况下进行间接同步处理；定时器时间处理模块，对直接同步处理、同步维持处理和间接同步处理时长进行准确计算和优先级切换控制。

Description

基于星载VDE的UTC时间同步处理系统
技术领域
本发明涉及星载通信技术领域，特别涉及一种基于星载VDE的UTC时间同步处理系统。
背景技术
随着海事通信技术的发展，为了解决现有船舶AIS通信系统在某些区域时隙冲突严重，通信速率低的瓶颈，国际航标组织(IALA)提出了船舶的VDE(VHF Data Exchange)通信系统，并在VDE系统中增加了卫星与船舶的通信链路，以满足近海和远海船舶的不同需求，为未来复杂、多功能的海上通信应用打下了基础。
星载VDE通信系统中时间同步技术是一项关键技术，时间同步方法的优劣将会影响系统的可靠性和整体性能。星载VDE采用时分多址(TDMA)接入方式进入网络，网络内的卫星主要根据自组织时分多址(SOTDMA)的方式为卫星站预约时隙，在预约的时隙内播发相应消息完成卫星站任务。因此，星载VDE设备的系统时间必须与网络保持一致，才能保证每个时隙都能正确地播发卫星消息，保证信息的准确性与完整性，防止时隙占用冲突，星-船消息混乱转发的情况发生。
对于VDE星-船通信系统目前采用主从同步方式，UTC时间作为其参考时钟，对于卫星而言，其它船站的系统时间在卫星无UTC时间的情况下也可作为卫星的参考时间，根据实际情况选择合适的时间同步方式。
星载VDE系统采用帧和时隙的概念，一帧为系统的一分钟，在一分钟之内被分成了2250个时隙，编号从0～2249，每个时隙的时间为26.67ms，在与时隙起始处同步后，卫星开始接入网络，预约时隙等操作，并且通过星-船通信链路进行信息传输通信。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，以解决现有的系统同步性较差造成信息的准确性及完整性受到影响的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，包括：
时间同步状态管理模块，用于星载VDE的UTC时间同步管理，在对应时间节点上对同步方式、同步状态和同步维持进行管理；
直接同步处理模块，用于根据从GPS天线端获取的准确时间信息和PPS脉冲信号，在定时器中预设的同步等待时间没有超时的情况下，进行直接同步处理；
同步维持处理模块，用于在所述定时器中预设的同步维持时间内，若未从所述GPS天线端获取准确时间信息和PPS脉冲信号，则进行同步维持处理；
间接同步处理模块，用于在无法检测到所述直接同步处理模块的直接同步处理且所述同步维持处理模块的同步维持处理超时的情况下进行间接同步处理；
及定时器时间处理模块，用于对所述直接同步处理、同步维持处理和间接同步处理的时长进行准确计算和优先级切换控制。
较佳地，所述时间同步状态管理模块以分钟为单位对系统时间进行同步处理。
较佳地，所述时间同步状态管理模块中存储有时间同步状态的优先级：上电后，若系统已经成功完成一次时间同步，则处于最高优先级的状态是直接同步状态，其次是同步维持状态，最后是间接同步状态；若系统正在进行第一次时间同步则处于最高优先级的状态是直接同步状态，其次是间接同步状态，系统不会进入到同步维持状态。
较佳地，系统运行过程中，在所述定时器预设的时间内，搜索所述GPS天线端以获取UTC时间信息和PPS脉冲信号，若成功，则进行直接同步处理；若进行直接同步处理期间，GPS系统设备出现异常，则在所述定时器预设的时间节点转到系统同步维持处理状态；在同步维持处理过程中，若从所述GPS天线端获取了准确时间信息和PPS脉冲信号则在预设的时间节点转到直接同步处理状态，否则在预设的时间节点转到间接同步处理状态；若在系统上电开始的2min内，GPS系统设备出现异常，则在所述定时器预设的时间节点转到间接同步处理状态；间接同步处理过程中，星载VDE设备利用船站进行间接同步处理，期间一旦GPS系统设备恢复正常，在所述定时器预设的时间节点从间接同步处理状态转到直接同步处理状态。
较佳地，所述直接同步处理模块对于搜索到的所述准确时间信息和PPS脉冲信号，提前t1s处对系统时钟进行更新，以预留出足够的时间作为发送数据的星载VDE协议层组帧和编码调制信号处理的开销，并根据数据处理所需的延迟时长t2s，提前t2s计算时隙，以确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号，t1及t2为预设值。
较佳地，所述同步维持处理模块，用于根据发射机的频率误差和星载VDE收发通信的保护间隔ΔT，确定系统的同步维持时长tmin，t为预设值。
较佳地，所述同步维持处理模块在所述定时器中预设的同步维持时间内，根据接收的GPS信号质量和时间同步的优先级进行无缝切换。
较佳地，所述间接同步处理包括帧同步和时隙同步两部分：首先，在间接同步处理开始时刻进入接收数据信息状态，一旦接收到数据信息，计数器开始计时并解析出所述数据信息的时隙号，根据所述时隙号对星载VDE的UTC时间进行调整，以实现帧同步；直到接收到下一帧信息，计数器停止计时并解析出当前信息的时隙编号，若计数器的时长在预设阈值内且卫星系统时隙号与提取出的当前时隙号相等，则判定为时隙号同步成功，否则计数器重新从零开始计时，根据提取的当前时隙号对卫星UTC时间进行调整，以此重复，直到时隙同步成功。
较佳地，所述预设阈值为26.67ms±2*允许最大误差。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明提供了一种可应用于VDE星-船同步通信系统的时间同步方案，结合VDE协议层应用场景主要是采用时分多址(TDMA)接入方式进入网络，保证了卫星在可能出现的任何状况下，对关键的UTC时间同步进行可靠的管理和各种模式的无缝切换，有序的执行同步过程并维持稳定可靠的同步精度。其中，时隙开始位置可以确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号；同步维持过程减少搜索其他同步源带来的时间损失；间接同步过程不需要存储不同船站的同步信息，达到了实时处理的目地。本发明提供的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统不仅可以保证同步精度，还对关键的UTC时间同步进行可靠的管理和各种模式的无缝切换，提高了星地间时间同步的可靠性和准确通信的效率。
附图说明
图1为本发明系统组成示意图；
图2为本发明系统工作流程示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，本实施例提供了一种基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，包括：时间同步状态管理模块10、直接同步处理模块20、同步维持处理模块30、间接同步处理模块40及定时器时间处理模块50。具体地：时间同步状态管理模块10，用于星载VDE的UTC时间同步管理，在对应时间节点上对同步方式、同步状态和同步维持进行管理；直接同步处理模块20，用于根据从GPS天线端获取的准确时间信息和PPS脉冲信号，在定时器中预设的同步等待时间没有超时的情况下，优先进行直接同步处理；同步维持处理模块30，用于在所述定时器中预设的同步维持时间内，若未从所述GPS天线端获取准确时间信息和PPS脉冲信号，则进行同步维持处理；间接同步处理模块40，用于在无法检测到所述直接同步处理模块的直接同步处理且所述同步维持处理模块的同步维持处理超时的情况下进行间接同步处理；定时器时间处理模块50，用于对所述直接同步处理、同步维持处理和间接同步处理的时长进行准确计算和优先级切换控制。
本实施例中的时间同步状态管理模块10以分钟为单位对系统时间进行同步处理。进一步优选地，时间同步状态管理模块10中存储有时间同步状态的优先级：上电后，若系统已经成功完成一次时间同步，则处于最高优先级的状态是直接同步状态，其次是同步维持状态，最后是间接同步状态；若系统正在进行第一次时间同步则处于最高优先级的状态是直接同步状态，其次是间接同步状态，系统不会进入到同步维持状态。
系统运行过程中，在定时器预设的时间内，搜索GPS天线端以获取UTC时间信息和PPS脉冲信号，若成功，则进行直接同步处理；若进行直接同步处理期间，GPS系统设备出现异常，则在定时器预设的时间节点转到系统同步维持处理状态；在同步维持处理过程中，若从所述GPS天线端获取了准确时间信息和PPS脉冲信号则在预设的时间节点转到直接同步处理状态，否则在预设的时间节点转到间接同步处理状态；若在系统上电开始的2min内，GPS系统设备出现异常，则在所述定时器预设的时间节点转到间接同步处理状态；间接同步处理过程中，星载VDE设备利用船站进行间接同步处理，期间一旦GPS系统设备恢复正常，在所述定时器预设的时间节点从间接同步处理状态转到直接同步处理状态。
进一步地，直接同步处理模块20对于搜索到的准确时间信息和PPS脉冲信号，提前t1s处对系统时钟进行更新(即在每分钟的(60-t1)s处对系统时钟进行更新)，以预留出足够的时间作为发送数据的星载VDE协议层组帧和编码调制信号处理的开销，并根据数据处理所需的延迟时长t2s，提前t2s计算时隙，以确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号。这里的t1及t2为预设值。
同步维持处理模块30，用于根据发射机的频率误差和星载VDE收发通信的保护间隔ΔT，确定系统的同步维持时长tmin。这里的t也为预设值。进一步地，同步维持处理模块30在所述定时器中预设的同步维持时间内，根据接收的GPS信号质量和时间同步的优先级进行无缝切换，既可以保证同步精度，又可以减少搜索其他同步源带来的时间损失，提高了星-船间准确通信的效率。
间接同步处理模块40所执行的间接同步处理包括帧同步和时隙同步两部分：首先，在间接同步处理开始时刻进入接收数据信息状态，一旦接收到数据信息，计数器开始计时并解析出所述数据信息的时隙号，根据所述时隙号对星载VDE的UTC时间进行调整，以实现帧同步；直到接收到下一帧信息，计数器停止计时并解析出当前信息的时隙编号，若计数器的时长在预设阈值内且卫星系统时隙号与提取出的当前时隙号相等，则判定为时隙号同步成功，否则计数器重新从零开始计时，根据提取的当前时隙号对卫星UTC时间进行调整，以此重复，直到时隙同步成功。其中，这里的预设阈值设置为为26.67ms±2*允许最大误差。这里的允许最大误差为根据过往经验确定的预设值。
在此，为在保证同步精度的前提下，提高星-船间时间同步的可靠性和准确通信的效率，本实施例提供的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，在同步状态管理模块控制下保证了卫星在可能出现的任何状况下，对关键的UTC时间同步进行可靠的管理和各种模式的无缝切换，有序地执行同步过程，维持稳定可靠的同步精度，提高星-船间时间同步的可靠性和准确通信的效率。
本发明时隙开始位置可以确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号；本发明同步维持过程减少搜索其他同步源带来的时间损失；本发明间接同步过程不需要存储不同船只的同步信息，达到了实时处理的目地。本发明通过基于星载VDE通信协议机制的UTC时间同步处理系统，保证了卫星在可能出现的任何状况下，对关键的UTC时间同步进行可靠的管理和各种模式的无缝切换，有序地执行同步过程，不仅可以维持稳定可靠的同步精度，还提高了星-船间时间同步的准确性和准确通信的效率，对VDE星-船数据传输具有十分重要的意义与十分广阔的应用前景。
详细的，再次结合图1，这里的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统以发射机的频率误差为1.5ppm，系统晶振时钟为25MHz为例，对其工作过程进一步介绍，其中：
时间同步状态管理模块10，用于控制系统同步状态，以分钟为单位对系统时间进行同步处理，如图2所示。系统开启，在2min内，搜索GPS天线端获取的UTC时间信息和PPS脉冲信号。若成功，则进行直接同步处理，进入直接同步处理状态后，维持1min的同步处理状态，然后继续搜索GPS天线端获取的UTC时间信息和PPS脉冲信号，以此反复；若系统上电2min内GPS系统设备异常，星载VDE设备利用可以作为同步源的船站进行间接同步处理，首先根据船站的UTC进行帧同步，然后再次利用船站的UTC进行时隙同步，同步完成后修正卫星当前UTC时间，确定间接同步维持时间(2250-N2)*26.67ms，定时器时间到，进入同步维持状态，期间一旦GPS系统设备恢复正常，在定时器预设的时间节点从间接同步处理状态转到直接同步处理状态；若进行直接同步处理期间GPS出现异常或正处于间接同步处理状态，则在定时器预设的时间节点转到系统同步维持处理状态，在规定的最大同步维持时间t min内，若从GPS天线端获取了准确时间信息和PPS脉冲信号则在预设的时间节点转到直接同步处理状态，否则在预设的时间节点转到间接同步处理状态。根据选用的硬件设备发射机频率误差1.5ppm和《ITU-R M.2092-0+》建议书中星载VDE收发通信的保护间隔8ms，可得星-船通信链路的最大同步维持时间44.44min，本系统t＝40min。最大同步维持时间估算公式：
t＝(ΔT/f)/2
其中，ΔT：星载VDE收发通信的保护间隔；f：发射机的频率误差。
直接同步处理模块20，系统接收解析RMC语句，提取可用的UTC时间，通过PPS脉冲信号来触发外部中断。进入直接同步处理状态时定时器N1清零，直接同步状态转为直接同步维持1min处理状态，期间完成星-船数据通信，定时器N1记满时，判断UTC和PPS是否有效，若有效，重复直接同步处理过程，否则转为间接同步处理状态。对于系统时间，提前2s，即在每分钟的58s处进行更新，目的是预留出足够的时间，作为发送数据的VDE协议层组帧和编码调制信号处理的开销，根据数据处理所需的延迟时长80us，提前80us计算时隙，确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号。
系统同步维持处理模块30用于根据发射机的频率误差1.5ppm和星载VDE收发通信的保护间隔ΔT＝8ms，确定系统的同步维持时长t＝40min。进入到同步维持状态后定时器N2，N3清零，转到同步维持1min处理状态，期间完成星-船数据通信，定时器N2记满1min时定时器N3加1，判断是否成功搜索GPS天线端获取的UTC时间信息和PPS脉冲信号，若成功，转到直接同步处理状态；否则，判断定时器N2是否记满40min，若记满转到间接同步处理状态，否则，重复同步维持处理过程。
间接同步处理模块40用于在无法检测到直接同步且系统同步维持超时的情况下进行同步处理，它包括帧同步和时隙同步(也即时隙号同步)两部分。首先，在间接同步处理开始时刻进入接收数据信息状态，一旦接收到数据信息，计数器开始计时并解析出本信息的时隙号，用提取出来的时隙号对卫星时隙进行调整，从而实现帧同步；直到接收到下一帧信息，计数器停止计时并解析出当前信息的时隙编号，根据发射机的频率误差，1min系统UTC时间与标准UTC时间最大允许误差为0.09ms，若计数器的时长在(26.67±0.18)ms内且卫星系统时隙号与提取出的当前时隙号相等，则判定为时隙号同步成功，否则计数器重新从零开始计时，根据提取的当前时隙编号对卫星系统时隙进行调整，以此重复，直到时隙号同步成功。由于卫星与船站通信速度很快，所以理想情况下两个时隙内即可完成时隙号同步。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明通过基于星载VDE通信协议机制的UTC时间同步处理系统，保证了卫星在可能出现的任何状况下，对关键的UTC时间同步进行可靠的管理和各种模式的无缝切换，通过有序地执行同步过程，不仅可以维持稳定可靠地同步精度，还提高了星-船间时间同步的准确性和准确通信的效率，对VDE星-船数据传输具有十分重要的意义与十分广阔的应用前景。本发明时隙开始位置可以确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号，提高了星-船间时隙同步的可靠性。本发明同步维持过程减少搜索其他同步源带来的时间损失；本发明间接同步过程不需要存储不同船只的同步信息，达到了实时处理的目地，本发明提供的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统不仅可以保证同步精度，还提高了星-船间准确通信的效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，包括：
时间同步状态管理模块，用于星载VDE的UTC时间同步管理，在对应时间节点上对同步方式、同步状态和同步维持进行管理；
直接同步处理模块，用于根据从GPS天线端获取的准确时间信息和PPS脉冲信号，在定时器中预设的同步等待时间没有超时的情况下，进行直接同步处理；
同步维持处理模块，用于在所述定时器中预设的同步维持时间内，若未从所述GPS天线端获取准确时间信息和PPS脉冲信号，则进行同步维持处理；
间接同步处理模块，用于在无法检测到所述直接同步处理模块的直接同步处理且所述同步维持处理模块的同步维持处理超时的情况下进行间接同步处理；
及定时器时间处理模块，用于对所述直接同步处理、同步维持处理和间接同步处理的时长进行准确计算和优先级切换控制。
2.根据权利要求1所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述时间同步状态管理模块以分钟为单位对系统时间进行同步处理。
3.根据权利要求1或2所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述时间同步状态管理模块中存储有时间同步状态的优先级：上电后，若系统已经成功完成一次时间同步，则处于最高优先级的状态是直接同步状态，其次是同步维持状态，最后是间接同步状态；若系统正在进行第一次时间同步则处于最高优先级的状态是直接同步状态，其次是间接同步状态，系统不会进入到同步维持状态。
4.根据权利要求1或2所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，系统运行过程中，在所述定时器预设的时间内，搜索所述GPS天线端以获取UTC时间信息和PPS脉冲信号，若成功，则进行直接同步处理；若进行直接同步处理期间，GPS系统设备出现异常，则在所述定时器预设的时间节点转到系统同步维持处理状态；在同步维持处理过程中，若从所述GPS天线端获取了准确时间信息和PPS脉冲信号则在预设的时间节点转到直接同步处理状态，否则在预设的时间节点转到间接同步处理状态；若在系统上电开始的2min内，GPS系统设备出现异常，则在所述定时器预设的时间节点转到间接同步处理状态；间接同步处理过程中，星载VDE设备利用船站进行间接同步处理，期间一旦GPS系统设备恢复正常，在所述定时器预设的时间节点从间接同步处理状态转到直接同步处理状态。
5.根据权利要求1所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述直接同步处理模块对于搜索到的所述准确时间信息和PPS脉冲信号，提前t1s处对系统时钟进行更新，以预留出足够的时间作为发送数据的星载VDE协议层组帧和编码调制信号处理的开销，并根据数据处理所需的延迟时长t2s，提前t2s计算时隙，以确保在每个时隙的开始时刻发射卫星下行的射频调制输出信号，t1及t2为预设值。
6.根据权利要求1所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述同步维持处理模块，用于根据发射机的频率误差和星载VDE收发通信的保护间隔ΔT，确定系统的同步维持时长t min，t为预设值。
7.根据权利要求1或6所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述同步维持处理模块在所述定时器中预设的同步维持时间内，根据接收的GPS信号质量和时间同步的优先级进行无缝切换。
8.根据权利要求1所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述间接同步处理包括帧同步和时隙同步两部分：首先，在间接同步处理开始时刻进入接收数据信息状态，一旦接收到数据信息，计数器开始计时并解析出所述数据信息的时隙号，根据所述时隙号对星载VDE的UTC时间进行调整，以实现帧同步；直到接收到下一帧信息，计数器停止计时并解析出当前信息的时隙编号，若计数器的时长在预设阈值内且卫星系统时隙号与提取出的当前时隙号相等，则判定为时隙号同步成功，否则计数器重新从零开始计时，根据提取的当前时隙号对卫星UTC时间进行调整，以此重复，直到时隙同步成功。
9.根据权利要求1所述的基于星载VDE的UTC时间同步处理系统，其特征在于，所述预设阈值为26.67ms±2*允许最大误差。
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