CN112702783B - 应用于节点站的辅助授时方法 - Google Patents

应用于节点站的辅助授时方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应用于节点站的辅助授时方法，包括以下步骤：1，主节点获得授时许可，开启信道监听，对周围信道进行检测，评估当前信道阻塞状况；2，主节点发起携带定位消息的同步消息包Sync，并记录发送完成时的时刻TM；3，从节点接收携带定位消息的同步消息包Sync，并记录接收完成时的时刻TS，同时根据接收的主节点定位消息计算主节点和该从节点之间的距离，同时得到消息包的飞行时间TF；4，Follow_up消息包携带Sync消息包发送完成时的时刻TM的时间UTCTM；5，从节点中的MCU处理得到时延Ds，计算得到从节点接收完成时刻TS的时间UTCTS，完成一次授时。本发明应用于节点站的辅助授时方法，改善无线授时的精度；增加系统的容错率，进一步提高时钟同步稳定性。

Description

应用于节点站的辅助授时方法
技术领域
本发明属于无线节点站技术领域，特别是涉及一种应用于无线节点站的辅助授时方法。
背景技术
目前，各类型节点站在夹沟、厚云层以及密林等极端地理环境及自然环境时，均受制于授时模块的搜星能力，无法稳定获取卫星所发布的时钟同步信号。因此，环境恶劣情况下，节点站所采集的地震数据，受时钟同步的影响，有效数据大为减少。
与有线节点系统不同，无线系统中各节点站之间没有办法进行本地同步，因此目前无线节点站普遍采用卫星导航授时来实现系统时间同步。而在数据融合阶段，需要依据每一炮的UTC时间去重组每一节点采样数据，使每道数据均与放炮时间对齐。为保证在数据融合阶段对每个节点站采集的数据能够准确地进行重采样，目前主流的方式是各节点站按照自己的时钟进行采样，并按一定的间隔标记采样数据对应的UTC时间，在后期的数据融合阶段利用标记的时间戳进行重采样以统一到单一的系统时间。但据我们分析，该方法有以下缺点：
各节点站时钟之间存在频率偏差，考虑到普遍采用的温补晶振的频率稳定特性和老化特性，该偏差可能达到数个ppm。按照普遍单炮取用10秒数据计算，即便对齐采样的开始时间到系统时间标准，采样结束的时间仍会相对于系统时间标准偏差数十微秒。这就要求在数据融合阶段，不仅需要对相位偏差进行重采样，还须对频率偏差进行修正。此修正一般可采用两种方法进行：一种是先对该段数据进行频率重采样，然后进行分数延时；另一种是将该段数据分成更短的子段，对每个子段独立计算偏差时间并进行分数延时。无论采用哪种方法，都因频率不对齐而耗费相当的处理时间。
即是说：由于每个节点站时钟均不对齐，在后期数据融合过程中，对每一节点站的每一段数据，都需要单独计算延时并各自进行重采样。随着勘探密度的提升，节点站数量增大，数据融合的计算量将急剧增长。
因此，急需解决无线节点系统中时钟的同步稳定性。
发明内容
本发明的目的就是为进一步提高时钟同步稳定性，提供一种应用于节点站的辅助授时方法，采取设备与设备之间通讯，并具备一套对应的局域网授时通讯协议，使得已经取得时钟同步信号的设备通过无线辅助授时技术能为其周围未获取时钟同步信号的设备提供时钟同步信息，能完全解决上述现有技术的不足之处。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种应用于节点站的辅助授时方法，节点为无线节点站系统，所述无线节点站系统包括数个主节点、数个从节点、GPS模块、MCU、采样芯片及GPS模块，其特征在于：辅助授时方法包括以下步骤：
步骤1，主节点获得授时许可，开启信道监听，对周围信道进行检测，评估当前信道阻塞状况，如果当前信道良好，则进行步骤2，如果信道阻塞，关闭信道监听，等待下一次授时许可；
步骤2，主节点发起携带定位消息的同步消息包Sync，并记录发送完成时的时刻TM；
步骤3，从节点接收携带定位消息的同步消息包Sync，并记录接收完成时的时刻TS，同时根据接收的主节点定位消息计算主节点和该从节点之间的距离，同时得到消息包的飞行时间TF；
步骤4，主节点等待一个固定时长后发送同步消息包Follow_up，Follow_up消息包携带Sync消息包发送完成时的时刻TM的时间UTCTM；
步骤5，从节点接收同步消息包Follow_up，从节点中的MCU处理得到时延Ds，计算得到从节点接收完成时刻TS的时间UTCTS，完成一次授时；
其关系表达式如下：UTCTS＝UTCTM+TF+Ds。
作为飞行时间TF计算方法之一：已知主节点地理位置(lonM,latM,hM)，从节点地理位置(lonS,latS,hS)，获取主节点设备和从节点设备的位置信息，主节点的设备和从节点的设备所处平面似为平面，其简化距离公式为：
东西距离Lx为：
Figure GDA0003753227900000031
南北距离Ly为：
Figure GDA0003753227900000032
海拔差Lz为：Lz＝|hM-hS|，
主从节点物理距离d为：
Figure GDA0003753227900000033
飞行时间TF为：
Figure GDA0003753227900000034
其中R为地球半径，c为光速。
作为飞行时间TF计算方法之二：对于未能获取主节点设备和从节点设备的位置信息，通过主节点设备和从节点设备的布置的GPS位置和从设备接收的信号强度，可获得其距离，从而计算得到飞行时间。
作为飞行时间TF计算方法之三：飞行时间TF计算方法如下：飞行时间TF计算方法如下：已知主节点地理位置(lonM,latM,hM)，从节点地理位置(lonS,latS,hS)，获取主节点设备和从节点设备的位置信息，主节点的设备和从节点的设备所处平面似为平面，其简化距离公式为：
东西距离Lx为：
Figure GDA0003753227900000041
南北距离Ly为：
Figure GDA0003753227900000042
海拔差Lz为：Lz＝|hM-hS|，
主从节点物理距离d为：
Figure GDA0003753227900000043
飞行时间TF为：
Figure GDA0003753227900000044
其中R为地球半径，c为光速；
对于主节点设备和从节点设备的位置信息，通过判断，是否为异常值，如果异常，则通过主节点设备和从节点设备的布置的GPS位置和从设备接收的信号强度，可获得其距离，从而计算得到飞行时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明应用于节点站的辅助授时方法，通过引入飞行时间对时间精度进行优化，由于无线通信的距离有限，其飞行时间在纳秒级，改善无线授时的精度；采取设备与设备之间通讯，并具备一套对应的局域网授时通讯协议，使得已经取得时钟同步信号的设备通过无线辅助授时技术能为其周围未获取时钟同步信号的设备提供时钟同步信息；增加系统的容错率，进一步提高时钟同步稳定性，使得后期数据融合简便。
附图说明
图1是本发明局域网授时通讯协议的协议通信流程。
图2是本发明局域网授时通讯协议的协议窗口流程图。
图3是本发明中涉及到的Sync消息格式。
图4是本发明中涉及到的Follow_UP消息格式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，协议通信流程：主节点开始授时，然后通过CDMA/CD检测，检测当前信道时候拥堵，如果信号拥堵则回到CDMA/CD检测，若信号不拥堵，则进行Sync信号发送，发送Follow_UP信号，然后反复多次的进行CDMA/CD检测。
实施例：
主从节点时钟之间的同步是通过时钟消息包的交换实现的。时钟同步是由主节点周期性的发起，再同步消息包的往返传输过程之中，主从节点分别对离开或到达各自端口的同步信号进行记录，并且再消息包里加上时间信息，进而根据时间信息可以计算得到相对于主节点，从节点的时钟偏移，最终实现从节点时钟与主节点时钟同步，其时钟同步模型实现流程包括如下步骤：
步骤1，主节点获得授时许可，开启信道监听，对周围信道进行检测，评估当前信道阻塞状况，如果当前信道良好，则进行下一步骤，如果信道阻塞，关闭信道监听，等待下一次授时许可。
步骤2，主节点发起如图3所示的携带定位消息的同步消息包Sync，并记录发送完成时的时刻TM。
步骤3，从节点接收携带定位消息的同步消息包Sync，并记录接收完成时的时刻TS，同时根据接收的主节点定位消息计算主从节点之间的距离，同时得到消息包的飞行时间TF。
步骤4，主节点等待一个固定时长后发送如图4所示的同步消息包Follow_up，Follow_up消息包携带Sync消息包发送完成时的时刻TM的时间UTCTM。
步骤5，从节点接收同步消息包Follow_up，根据先验知识得到的系统处理时延Ds，计算得到从节点接收完成时刻TS的时间UTCTS，完成一次授时；其关系表达式如下：UTCTS＝UTCTM+TF+Ds。
其中，飞行时间TF计算有如下三种方式：
作为飞行时间TF计算方法之一：已知主节点地理位置(lonM,latM,hM)，从节点地理位置(lonS,latS,hS)，获取主节点设备和从节点设备的位置信息，主节点的设备和从节点的设备所处平面似为平面，其简化距离公式为：
东西距离Lx为：
Figure GDA0003753227900000061
南北距离Ly为：
Figure GDA0003753227900000062
海拔差Lz为：Lz＝|hM-hS|，
主从节点物理距离d为：
Figure GDA0003753227900000063
飞行时间TF为：
Figure GDA0003753227900000064
其中R为地球半径，c为光速。
作为飞行时间TF计算方法之二：对于未能获取主节点设备和从节点设备的位置信息，通过主节点设备和从节点设备的布置的GPS位置和从设备接收的信号强度，可获得其距离，从而计算得到飞行时间。
作为飞行时间TF计算方法之三：飞行时间TF计算方法如下：飞行时间TF计算方法如下：已知主节点地理位置(lonM,latM,hM)，从节点地理位置(lonS,latS,hS)，获取主节点设备和从节点设备的位置信息，主节点的设备和从节点的设备所处平面似为平面，其简化距离公式为：
东西距离Lx为：
Figure GDA0003753227900000071
南北距离Ly为：
Figure GDA0003753227900000072
海拔差Lz为：Lz＝|hM-hS|，
主从节点物理距离d为：
Figure GDA0003753227900000073
飞行时间TF为：
Figure GDA0003753227900000074
其中R为地球半径，c为光速；
对于主节点设备和从节点设备的位置信息，通过判断，是否为异常值，如果异常，则通过主节点设备和从节点设备的布置的GPS位置和从设备接收的信号强度，可获得其距离，从而计算得到飞行时间。
应用实施例:
1、(1)通过主设备搭载GPS模板获取主设备时间戳和经纬度海拔。
UTC 1290735759；
经纬度(103.9222964°,30.7517890°)
海拔52.4070米。
(2)通过主设备搭载GPS模板获取从设备经纬度海拔，出于环境影响和某种低功耗下考虑，GPS并不一直处于运行状态。
经纬度(103.9222905°,30.7517832°)
海拔51.0508米。
2、主设备SDMA/CD检测
3、(1)发送Sync；
0xA0 10 00 00 00 14 3D F1 48 B4 12 54 59 C2 00 07 FF 26
记录时刻：ostime 25320(ms)systick 9830.2(us)
(2)接收Sync
记录时刻：ostime 15110(ms)systick 2163.2(us)
4、发送Fllow_UP；
0xA0 20 00 00 00 14 4C EF 108F 005E C2 64 00 00 00 02
5、计算得到飞行时间：
TF：0.0453(us)
Ds：6813.33(us)
6、更新时间
UTC 1290735759ostime 15110(ms)systick 9006.6(us)。
具体应用实施例1，针对于不具备卫星授时模块的设备授时：
在野外地质勘探过程中，一般需要多设备，并且需要一个统一的系统时间，此时可采用本实施例中的无线辅助授时技术，通过一个额外的具备时间信息的设备作为初始授时主机，为其通讯半径以内的设备授时，当次级设备获取到时间信息后，通过自我评估时间误差，如误差足够小，次级设备可获取权限，成为新的授时主机，逐级传递，直至为整个设备系统完成授时。
即将第一个具备时间信息的设备作为主节点，然后在其通讯半径以内的设备作为从节点，通过本发明的方法进行无线节点之间的辅助授时，经过系统的处理之后，能够得到时钟同步信息；然后再将该从节点作为新的主节点，在其通讯半径以内的设备作为新的从节点，如此持续下去，整个设备系统完成辅助授时。
具体应用实施例2，具备卫星授时模块的设备授时：
在野外数据采集过程中，受环境影响，部分设备可能出现无法搜星，以至于不能通过卫星对自身授时，此时，可采用本实施例的无线辅助授时技术，以其中已卫星授时成功的设备作为授时主机，其通信半径内卫星授时失败的设备作为从机。进行授时。
具体应用实施例3，特制的无线辅助授时基站：
无线辅助授时基站是一款专用于授时的设备，只需要在时钟同步不佳的环境中放置一个授时基站，就可以通过无线授时的方式对其通信半径内的设备进行授时，以此改善多设备的授时状况。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。即，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于节点站的辅助授时方法，节点为无线节点站系统，所述无线节点站系统包括数个主节点、数个从节点、GPS模块、MCU、采样芯片及GPS模块，其特征在于：辅助授时方法包括以下步骤：
步骤1，主节点获得授时许可，开启信道监听，对周围信道进行检测，评估当前信道阻塞状况，如果当前信道良好，则进行步骤2，如果信道阻塞，关闭信道监听，等待下一次授时许可；
步骤2，主节点发起携带定位消息的同步消息包Sync，并记录发送完成时的时刻TM；
步骤3，从节点接收携带定位消息的同步消息包Sync，并记录接收完成时的时刻TS，同时根据接收的主节点定位消息计算主节点和该从节点之间的距离，同时得到消息包的飞行时间TF；
飞行时间TF计算方法如下：已知主节点地理位置(lonM,latM,hM)，从节点地理位置(lonS,latS,hS)，获取主节点设备和从节点设备的位置信息，主节点的设备和从节点的设备所处平面似为平面，其简化距离公式为：
东西距离Lx为：
Figure FDA0003753227890000011
南北距离Ly为：
Figure FDA0003753227890000012
海拔差Lz为：Lz＝|hM-hS|，
主从节点物理距离d为：
Figure FDA0003753227890000013
飞行时间TF为：
Figure FDA0003753227890000014
其中R为地球半径，c为光速；
步骤4，主节点等待一个固定时长后发送同步消息包Follow_up，Follow_up消息包携带Sync消息包发送完成时的时刻TM的时间UTCTM；
步骤5，从节点接收同步消息包Follow_up，从节点中的MCU处理得到时延Ds，计算得到从节点接收完成时刻TS的时间UTCTS，完成一次授时；
其关系表达式如下：UTCTS＝UTCTM+TF+Ds。
2.根据权利要求1所述的应用于节点站的辅助授时方法，其特征在于：飞行时间TF计算方法如下：对于未能获取主节点设备和从节点设备的位置信息，通过主节点设备和从节点设备的布置的GPS位置和从设备接收的信号强度，可获得其距离，从而计算得到飞行时间。
3.根据权利要求1所述的应用于节点站的辅助授时方法，其特征在于：飞行时间TF计算方法如下：飞行时间TF计算方法如下：已知主节点地理位置(lonM,latM,hM)，从节点地理位置(lonS,latS,hS)，获取主节点设备和从节点设备的位置信息，主节点的设备和从节点的设备所处平面似为平面，其简化距离公式为：
东西距离Lx为：
Figure FDA0003753227890000021
南北距离Ly为：
Figure FDA0003753227890000022
海拔差Lz为：Lz＝|hM-hS|，
主从节点物理距离d为：
Figure FDA0003753227890000023
飞行时间TF为：
Figure FDA0003753227890000024
其中R为地球半径，c为光速；
对于主节点设备和从节点设备的位置信息，通过判断，是否为异常值，如果异常，则通过主节点设备和从节点设备的布置的GPS位置和从设备接收的信号强度，可获得其距离，从而计算得到飞行时间。
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