CN111757460B - 一种基于无中心tdma的卫星通信网络时间同步方法 - Google Patents

一种基于无中心tdma的卫星通信网络时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，首先，网络初始化分配同步时隙时，综合考虑了往返计时消息长度，最大星地传播时延以及为减少网络同步误差而设计的往返计时应答消息发送时间间隔；其次，卫星节点收到地面节点发送的往返计时询问消息报文后重复发送包含发送时间在内的往返计时应答消息报文；最后，地面节点根据接收到的两次往返计时应答消息报文可计算星地同步时间误差，从而实现地面节点与卫星节点的精确的时间同步。本发明提出的时间同步方法综合考虑了星地往返传输时延的不对称性以及星地远距离传输时延对网络同步的影响，从而使无中心TDMA网络在星地远距离通信的条件下实现精确同步。

Description

一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法
技术领域
本发明涉及一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，可以适用于卫星TDMA通信系统，属于通信技术学科领域。
背景技术
为实现信息要素在成员间实时共享，战术通信通常以无中心TDMA工作方式组网，每个成员都按统一的系统时基同步工作，用户之间的交换无需经过中心台的控制和中继，从而组成一个无中心节点的通信网络。另外指派一个时间质量等级较高的平台作为网络时间基准。当某个终端出现故障，对整个网络不造成影响，即使是网络时间基准出现故障，整个网络也能在一定时间内正常工作，然后由预先指定的备用网络时间基准代替其工作。
对于无中心TDMA通信系统，网络同步问题十分关键，必须保证TDMA每个通信节点工作在同一个时间基准上，否则会导致时隙混乱产生包碰撞，从而影响整个系统的通信性能。
无中心TDMA网络同步算法根据是否有网络时间基准节点分为主从式和分布式。典型的主从式TDMA网络同步过程包括Link16的时间同步算法和IEEE1588PTP时间同步算法。在Link16的时间同步算法中，用户节点通过向网络参考节点发送RTT询问消息报文和收到应答消息报文的方法可计算出用户终端与网络参考节点的时间偏差，从而实现精确的时间同步。但是Link16的时间同步过程需要在一个TDMA时隙即7.8125ms内完成，不满足星地远距离同步的要求。而且，对于低轨卫星应用场景，卫星高速运动导致星地往返传输时延不对称，而Link16协议忽略了往返传输时延不对称带来的网络同步误差问题，不适合无中心TDMA卫星通信网络。IEEE 1588PTP时间同步算法对于时间信息交互没有严格要求，不需要主从单元第一时间回复消息，适合远距离TDMA网络的同步要求，但是该协议也忽略了往返传输时延的不对称性带来的误差问题，随着时间的推移，这些误差对时间同步的影响逐渐增大，不满足无中心TDMA卫星通信网络的同步要求。分布式TDMA网络同步过程中，由于没有网络时间基准节点，需要每个节点互相校准，通过网内所有节点间时隙位置的相互调整，达到全网时隙起始时刻的收敛。若分布式TDMA网络同步方法应用在卫星通信网络中，星地通信距离远将导致同步过程收敛慢而且计算代价太高。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，综合考虑了星地往返传输时延的不对称性以及星地远距离传输时延的对时间同步的影响，提出了一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，从而使无中心TDMA网络在星地远距离通信的条件下实现精确同步。
本发明的技术解决方案是：一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，包括步骤如下：
(1)对无中心TDMA的卫星通信网络进行初始化，卫星为网络时间基准节点即卫星节点，设定卫星节点和地面节点往返计时(Round-Trip Time，RTT)同步时隙长度为T，满足网络初始化要求；
(2)卫星节点周期性地广播入网消息，广播完入网消息后，就转入接收状态；地面节点开机，接收卫星节点广播的入网消息，若接收到入网广播消息，则实现了与卫星节点的初始同步，转入步骤(3)；若没有接收到入网广播消息，则需要对接收入网广播消息的起始时刻进行修改并重新接收入网广播消息；
(3)地面节点判断当前时隙是否是RTT同步时隙，若不是RTT同步时隙，则继续等待；若是RTT同步时隙，且RTT同步时隙长度满足步骤(1)设定的网络初始化要求，则在RTT同步时隙开始时刻向卫星节点发送RTT询问消息报文，包含发送该报文的地面节点标识号，其中RTT同步时隙开始时刻标记为0时刻；
(4)卫星节点接收步骤(3)地面节点发送的RTT询问消息报文，并记录下当前接收时刻t1，在接收时刻t1后，先后两次向地面节点发送RTT应答消息报文，并记录下先后两次发送时刻，分别为t2和t4；其中应答消息包含接收RTT应答消息报文的地面节点标识号和RTT应答消息报文的发送时刻t2和t4；
(5)地面节点接收到每条RTT应答消息报文后，需验证该消息报文中包含的标识号是否与接收该RTT应答消息报文的地面节点标识号相符，当先后接收到两条RTT应答消息报文，且两条RTT应答消息报文中包含的标识号均与接收该RTT应答消息报文的地面节点标识号相符，则记录下两条RTT应答消息报文的先后到达时间，分别为t3和t5，转入步骤(6)；否则，丢弃该RTT应答消息报文，继续等待包含该地面节点标识号的RTT应答消息报文；
(6)根据接收时刻t1、发送时刻t2和t4、到达时刻t3和t5，确定地面节点和卫星节点的同步时间误差ε；
(7)地面节点通过同步时间误差ε就调节本地时间，实现与卫星节点的网络同步，以减少初始同步留下的同步误差。
优选的，设定卫星节点和地面节点RTT同步时隙长度为T，满足网络初始化要求，如下：
T≥RTT询问消息长度+RTT应答消息长度+2tp+Δt1+Δt2，其中tp＝D/C，D为卫星节点与地面节点最远通信距离，C为光速，Δt1为卫星节点第一次发送RTT应答消息报文与接收到RTT询问消息报文的时间间隔，Δt2为卫星节点两次发送RTT应答消息报文的时间间隔；
优选的，RTT询问消息，是指地面节点向卫星节点发送的用于时间同步的消息报文。
优选的，RTT应答消息，是指卫星节点向地面节点向发送的用于时间同步的消息报文。
优选的，卫星节点转入接收状态是指卫星节点仅接收信息而不发送信息。
优选的，对接收入网广播消息的起始时刻进行修改，具体为：对入网时隙窗口的起始时刻进行修改。
优选的，地面节点标识号，是指：预先设定的地面节点的编号，每个地面节点对应唯一一个地面节点标识号。
优选的，标识号为物理地址或逻辑地址。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在网络同步时隙分配方面，现有无中心TDMA网络同步时隙长度不满足星地远距离的同步需要，本发明规划网络同步时隙长度时，综合考虑了RTT消息长度，星地传播时延以及为减少网络同步误差而设计的RTT消息发送时间间隔。
(2)在网络同步流程方面，现有无中心TDMA网络同步流程没有考虑RTT消息往返传输时延不对称性带来的误差问题，不符合星地实际传输情况。本发明为减少RTT消息往返传输时延不对称导致的误差设计了相应的RTT同步流程。
(3)在网络同步时间误差计算方面，现有无中心TDMA网络同步时间误差计算忽略了RTT往返传输时延不对称性导致的同步时间误差问题，本发明综合考虑了RTT消息往返传输时延的不对称性，建立了同步时间误差计算公式。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2是本发明的方法原理图；
图3是本发明的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法。首先，网络初始化分配同步时隙时，综合考虑了往返计时消息长度，最大星地传播时延以及为减少网络同步误差而设计的往返计时应答消息发送时间间隔；其次，卫星节点收到地面节点发送的往返计时询问消息报文后重复发送包含发送时间在内的往返计时应答消息报文；最后，地面节点根据接收到的两次往返计时应答消息报文可计算星地同步时间误差，从而实现地面节点与卫星节点的精确的时间同步。本发明提出的时间同步方法综合考虑了星地往返传输时延的不对称性以及星地远距离传输时延对网络同步的影响，从而使无中心TDMA网络在星地远距离通信的条件下实现精确同步。
本发明可用于卫星战术通信场景，满足战术信息百纳秒级别的时间同步精度要求，实现信息要素在星地远距离成员间实时共享从而达到有效的战术协同。而现有的TDMA网络同步方法无法满足星地远距离高精度同步要求。
本发明一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，如图1所示，步骤依次如下：
(1)对无中心TDMA的卫星通信网络进行初始化，卫星为网络时间基准节点即卫星节点，设定卫星节点和地面节点往返计时(Round-Trip Time，RTT)同步时隙长度为T，满足网络初始化要求，进一步优选方案如下：
网络初始化要求，优选如下：
T≥RTT询问消息长度+RTT应答消息长度+2tp+Δt1+Δt2，其中tp＝D/C，D为卫星节点与地面节点最远通信距离，C为光速，Δt1为卫星节点第一次发送RTT应答消息报文与接收到RTT询问消息报文的时间间隔，Δt2为卫星节点两次发送RTT应答消息报文的时间间隔；该同步时隙长度T能够满足星地远距离同步要求。
(2)卫星节点周期性地广播入网消息，广播完入网消息后，就转入接收状态；地面节点开机，接收卫星节点广播的入网消息，若接收到入网广播消息，则实现了与卫星节点的初始同步，转入步骤(3)；若没有接收到入网广播消息，则需要对接收入网广播消息的起始时刻进行修改并重新接收入网广播消息，进一步优选方案如下：
对周期的优选要求为：周期优选为12s；广播入网消息的优选要求为：在每个广播入网周期的第一个时隙进行入网消息广播，其中时隙长度优选为7.8125ms；地面节点开机，接收卫星节点广播的入网消息，优选要求为：在每个广播入网周期的第一个时隙进行入网消息接收；
需要对接收入网广播消息的起始时刻进行修改并重新接收入网广播消息，优选要求为：接收入网广播消息的起始时刻进行修改为＝当前起始时刻+7.8125ms。
(3)地面节点判断当前时隙是否是RTT同步时隙，若不是RTT同步时隙，则继续等待；若是RTT同步时隙，且RTT同步时隙长度满足步骤(1)设定的网络初始化要求，则在RTT同步时隙开始时刻向卫星节点发送RTT询问消息报文，包含发送该报文的地面节点标识号，其中RTT同步时隙开始时刻标记为0时刻，如图3所示。
RTT询问消息报文进一步优选方案如下：
RTT询问消息优选包含同步头，地面节点设备标识号和传播保护时延，其中传播保护时延为步骤(1)中的tp，从而满足RTT询问消息星地远距离的传输要求。
(4)卫星节点接收步骤(3)地面节点发送的RTT询问消息报文，并记录下当前接收时刻t1，在接收时刻t1后，先后两次向地面节点发送RTT应答消息报文，并记录下先后两次发送时刻，分别为t2和t4，如图2所示；其中应答消息包含接收RTT应答消息报文的地面节点标识号和RTT应答消息报文的发送时刻t2和t4。
RTT应答消息报文进一步优选方案如下：
RTT应答消息优选包含同步头，地面节点设备标识号和传播保护时延，其中传播保护时延为步骤(1)中的tp，从而满足RTT应答消息星地远距离的传输要求。
t2和t4进一步优选方案如下：t4≥t2+10ms，从而使t2和t4的时间间隔进一步解决RTT往返传输时延不对称性导致的同步时间误差估计要求。
(5)地面节点接收到每条RTT应答消息报文后，需验证该消息报文中包含的标识号是否与接收该RTT应答消息报文的地面节点标识号相符，当先后接收到两条RTT应答消息报文，且两条RTT应答消息报文中包含的标识号均与接收该RTT应答消息报文的地面节点标识号相符，则记录下两条RTT应答消息报文的先后到达时间，分别为t3和t5，如图2所示，转入步骤(6)；否则，丢弃该RTT应答消息报文，继续等待包含该地面节点标识号的RTT应答消息报文。
t3和t5进一步优选方案如下：t5≥t3+10ms，从而使t3和t5的时间间隔进一步解决RTT往返传输时延不对称导致的同步时间误差估计要求。
(6)根据接收时刻t1、发送时刻t2和t4、到达时间t3和t5，确定地面节点和卫星节点的同步时间误差ε，进一步优选方案如下：
Figure BDA0002526544020000071
从而进一步更加精确估计出星地远距离和RTT往返传输时延不对称导致的同步时间误差。
(7)地面节点通过同步时间误差ε调节本地时间，实现与卫星节点的网络同步，以减少初始同步留下的同步误差，进一步优选方案如下：
卫星节点时间＝地面节点时间-ε，从而进一步满足星地百纳秒级别的同步要求。
本发明的更进一步优选方案为：
优选由LEO卫星节点与地面节点组成无中心TDMA网络，LEO卫星为网络时间基准，轨道高度优选为480km，星地传播距离最大优选为1000km。
(1)网络初始化参数：询问消息长度和应答消息长度均优选为1ms，卫星节点第一次发送RTT应答消息报文与接收到RTT询问消息报文的时间间隔Δt1优选为8.32ms，卫星两次发送RTT应答消息报文的时间间隔优选为10ms，则RTT同步时隙长度优选为26.986ms。
(2)地面节点接收到卫星节点广播消息后，发起RTT同步过程，如图3所示，其中地面节点发送RTT同步消息时，卫星节点与地面节点相距优选为480km。RTT同步过程消息发送和接收时刻取值如表1所示。
表1 RTT消息发送和接收时刻取值
变量 优选数值
卫星节点接收RTT询问消息时刻t<sub>1</sub> 1.68ms
卫星节点第一次发送RTT应答消息时刻t<sub>2</sub> 10ms
地面节点第一次接收应答消息时刻t<sub>3</sub> 11.60007ms
卫星节点第二次发送RTT应答消息时刻t<sub>4</sub> 20ms
地面节点第二次接收应答消息时刻t<sub>5</sub> 21.60014ms
按照上述数值，地面节点和卫星节点的时间同步误差ε为：
ε＝0.081ms
通过本发明具体实施方式可以看出，本发明所提供的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，通过设计网络初始化RTT同步时隙以及RTT消息发送时间，可以满足无中心TDMA网络在星地远距离通信条件下实现精确同步的需要，实现信息要素在星地远距离成员间实时共享。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)对无中心TDMA的卫星通信网络进行初始化，卫星为网络时间基准节点即卫星节点，设定卫星节点和地面节点往返计时(RTT)同步时隙长度为T，满足网络初始化要求；
(2)卫星节点周期性地广播入网消息，广播完入网消息后，就转入接收状态；地面节点开机，接收卫星节点广播的入网消息，若接收到入网广播消息，则实现了与卫星节点的初始同步，转入步骤(3)；若没有接收到入网广播消息，则需要对接收入网广播消息的起始时刻进行修改并重新接收入网广播消息；
(3)地面节点判断当前时隙是否是RTT同步时隙，若不是RTT同步时隙，则继续等待；若是RTT同步时隙，且RTT同步时隙长度满足步骤(1)设定的网络初始化要求，则在RTT同步时隙开始时刻向卫星节点发送RTT询问消息报文，包含发送该报文的地面节点标识号，其中RTT同步时隙开始时刻标记为0时刻；
(4)卫星节点接收步骤(3)地面节点发送的RTT询问消息报文，并记录下当前接收时刻t1，在接收时刻t1后，先后两次向地面节点发送RTT应答消息报文，并记录下先后两次发送时刻，分别为t2和t4；其中应答消息包含接收RTT应答消息报文的地面节点标识号和RTT应答消息报文的发送时刻t2和t4；
(5)地面节点接收到每条RTT应答消息报文后，需验证该消息报文中包含的标识号是否与接收该RTT应答消息报文的地面节点标识号相符，当先后接收到两条RTT应答消息报文，且两条RTT应答消息报文中包含的标识号均与接收该RTT应答消息报文的地面节点标识号相符，则记录下两条RTT应答消息报文的先后到达时间，分别为t3和t5，转入步骤(6)；否则，丢弃该RTT应答消息报文，继续等待包含该地面节点标识号的RTT应答消息报文；
(6)根据接收时刻t1、发送时刻t2和t4、到达时刻t3和t5，确定地面节点和卫星节点的同步时间误差ε；
(7)地面节点通过同步时间误差ε就调节本地时间，实现与卫星节点的网络同步，以减少初始同步留下的同步误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：设定卫星节点和地面节点RTT同步时隙长度为T，满足网络初始化要求，如下：
T≥RTT询问消息长度+RTT应答消息长度+2tp+Δt1+Δt2，其中tp＝D/C，D为卫星节点与地面节点最远通信距离，C为光速，Δt1为卫星节点第一次发送RTT应答消息报文与接收到RTT询问消息报文的时间间隔，Δt2为卫星节点两次发送RTT应答消息报文的时间间隔。
3.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：RTT询问消息，是指地面节点向卫星节点发送的用于时间同步的消息报文。
4.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：RTT应答消息，是指卫星节点向地面节点向发送的用于时间同步的消息报文。
5.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：卫星节点转入接收状态是指卫星节点仅接收信息而不发送信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：对接收入网广播消息的起始时刻进行修改，具体为：对入网时隙窗口的起始时刻进行修改。
7.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：地面节点标识号，是指：预先设定的地面节点的编号，每个地面节点对应唯一一个地面节点标识号。
8.根据权利要求1所述的一种基于无中心TDMA的卫星通信网络时间同步方法，其特征在于：标识号为物理地址或逻辑地址。
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