CN112954788A - 无线授时方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用授时技术领域，提供了一种无线授时方法及装置、系统，该方法包括：获取外部时钟源发送的绝对时间信息；根据绝对时间信息进行主站系统时间的校正；向从站广播路径信息；接收从站针对路径信息的反馈，计算主站与从站之间的传输路径延时，并将传输路径延时存入时间信息中；向从站发送时间信息。由于本方法依靠无线传输，通过无需网络协议的自组网方式即实现无线授时，有效降低了实施成本，增加了系统的授时稳定度，又采用广播方式，不需要依赖回传握手信息，增加了授时的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于气体轴承技术，尤其涉及一种无线授时方法、装置及系统。
背景技术
对于地震勘探领域，其仪器自身需要获取绝对时间，现存的授时技术手段通常包括：1、采用GPS/北斗时间接收机，其可接收来自于GPS/北斗的无线信号，从而解析信号后对仪器进行时间授时；2、采用网络等有线等方式，根据不同的授时协议对设备进行授时；3、对于无线网络连接的设备，现在的授时算法都是以无线网络作为传输介质，采用传统的基于NTP，PTP或者其变种的方式进行授时。
以上三种方式都可进行授时，但对于第一种授时方式，如若应用环境在矿井等非开阔地带，其对空信号较差，此时将接受不到来自GPS/北斗的信号，授时将失效；对于第二种授时方式，在一个封闭的施工环境，其采集区域有各种障碍物时，其不便于布设电缆，且布设电缆对于施工会增加很大成本，此时将无法授时；对于第三种授时方式，其授时基于TCP/UDP等网络协议，极大的增加了硬件成本，且其授时建立在多层协议之上，仪器响应不确定，网络延时不能估计等缺点，造成授时精度很低，
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线授时方法、装置及系统，旨在解决现有技术中对无线授时效率不高的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种无线授时方法，应用于无线授时系统中的主站，包括：
获取外部时钟源发送的绝对时间信息；
根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正；
向从站广播路径信息；
接收从站针对所述路径信息的反馈，计算主站与从站之间的传输路径延时，并将所述传输路径延时存入时间信息中；
向从站发送所述时间信息。
可选的，所述根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正的步骤包括：
针对不同外部时钟源的输入信号精度，采用不同驯服周期进行原子钟驯服。
可选的，所述根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正的步骤包括：
通过所述主站中晶振的性能计算钟差评估周期；
在所述钟差评估周期内计算主站系统时间和标准时钟的差值；
根据下次信号与所述主站系统时间之间的误差与所述差值，对所述主站系统时间进行校正。
可选的，在不同的整数秒分别向从站广播路径信息和时间信息。
第二方面，本发明提供了一种无线授时方法，应用于无线授时系统中的从站，包括：
针对主站广播的路径信息向主站进行反馈；
接收主站发送的时间信息；
根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正。
可选的，所述根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正的步骤包括：
从所述时间信息中提取主站系统时间和传输路径延时；
根据所述主站系统时间、所述传输路径延时与所述从站系统时间计算时间差；
通过多次计算得到的所述时间差计算艾伦方差；
根据所述艾伦方差判断所述从站系统时间是否达到稳态；
在所述从站系统时间是否达到稳态后采用所述时间差对所述从站系统时间进行校正。
可选的，所述根据所述艾伦方差判断所述从站系统时间是否达到稳态的步骤包括：
将多次计算得到的所述艾伦方差进行曲线拟合；
根据所述曲线的斜率判断所述从站系统时间是否达到稳态。
第三方面，本发明还提供了一种无线授时装置，包括：
路径信息反馈模块，用于针对主站广播的路径信息向主站进行反馈；
时间信息接收模块，用于接收主站发送的时间信息；
时间校正模块，用于根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正。
第四方面，本发明还提供了一种无线授时系统，包括：
处理器；以及
与所述处理器通讯连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可读性指令，所述可读性指令被所述处理器执行时实现如第一、二方面所述的方法。
第五方面，本发明提供了一种计算机可读性存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时实现如第一、二方面的方法。
本发明提供的无线授时方法及装置、系统中，依靠无线传输，通过无需网络协议的自组网方式即实现无线授时，有效降低了实施成本，增加了系统的授时稳定度；并且由于采用广播方式，不需要依赖回传握手信息，增加了授时的可靠性；另外采用艾伦方差的方式对系统的传输路径延时等不确定性进行评估，可有效精确的估计网络延时，从而极大的增加了授时的精确性。
附图说明
图1是根据实施例一示出的一种无线授时方法的实现流程图。
图2是根据实施例二示出的一种无线授时方法的实现流程图。
图3是根据实施例三示出的一种无线授时装置的结构框图。
图4是根据实施例三示出的另一种无线授时装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1是实施例一示出的无线授时方法的实现流程图。实施例一示出的无线授时方法适用于无线授时系统的主站中，无线授时系统中设置处理器，以对仪器以无线方式进行授时。
需要说明的是，无线授时系统包括主站和从站，主站在获取绝对时间后对从站进行时标分发，从站在获取主站分发的时间信息后对自身系统进行授时校正。由于主站从站之间采用广播方式，不需要依赖回传握手信息，增加了授时的可靠性，并对系统的传输路径延时等不确定性进行评估，可有效精确的估计传输路径延时，从而极大的增加了授时的精确性。
步骤S110，获取外部时钟源发送的绝对时间信息。
步骤S120，根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正。
步骤S130，向从站广播路径信息。
步骤S140，接收从站针对所述路径信息的反馈，计算主站与从站之间的传输路径延时，并将所述传输路径延时存入时间信息中。
步骤S150，向从站发送所述时间信息。
通过如上步骤，主站维持自身绝对时间并向从站分发无线时间信标。
通常的，主站包含如下模块：1、外部时钟源接收模块，用于接收外部时钟源时间信息；2、内部时钟模块，例如原子钟、普通RC晶振等；3、无线传输模块，用于将时标信息无线传输给从站。
具体的，主站通过从外部时钟源获取绝对时间，并根据该绝对时间对主站系统时间进行校正。主站从外部时钟源获取到绝对时间后，通过自身时间授时筛选算法将时间信息授予到自身的主站时间系统。对于不同的内部守时模块，采用不同的授时方式。例如可采用原子钟驯服方式、外部可靠时钟校正方式等。
对于原子钟驯服方式，对于不同的信号源，输入不同的驯服参数，对于信号源为GPS等其信号输出稳态方差较差的信号源，设定驯服周期为5000秒，以抵消其信号源自身误差的影响，对于铷钟等高精度信号源，设定驯服周期为10秒，可实现快速驯服。
对于自身守时模块精度比较差时，可选用外部可靠时钟源对主节点时钟进行实时校正。首先，通过主站中晶振的性能计算钟差评估周期，然后在所述钟差评估周期内计算主站系统时间和标准时钟的差值，最后根据下次信号与所述主站系统时间之间的误差与所述差值，对所述主站系统时间进行校正。
具体的，其校正方式可采用如下步骤：1、通过自身晶振稳定度和评估精度计算钟差评估周期，其钟差评估周期等于评估精度除以自身晶振稳定度除以10；2、在钟差评估周期内评估其自身时钟和标准时钟的差值，并统计求取其平均值；3、在下次对时信号来临时进行筛选，筛选机制为计算下次对时信号与自身时钟的误差跟上述的统计平均值的误差是否在评估精度之内，如若是，则将其作为可信的最新对时信号进行赋值，如果否则再次计算下次对时信号与自身时钟的误差跟上述的统计平均值的误差是否在评估精度之内，如若是，则将其作为可信的最新对时信号进行赋值，如果否则继续筛选，当筛选次数达到10次还未满足时则降低评估精度重复上述最初步骤。
路径信息是指用于评估主站到从站之间进行无线传输网络路径延时的数据包，其采用定点发送的方式，其目的是评估主站到从站进行无线传输的网络路径延时，由于实施时不同的从站与主站之间的相对距离不同，而且其所处的无线网络环境也不尽相同，因此需要评估其进行无线传输的路径时延，以保证从站依此精确的得到时间信息。
由于主站需要评估网络路径延时，因此需要分别按照顺序依次对从站发送路径信息，每次只对应一个从站发送一条信息，比如有两个从站，则在第一个基数秒发送给第一个从站，在第二个基数秒发送给第二个从站。因此为了和发送路径信息的数据包区分，在向从站广播时间信息和路径信息时，在主站时间系统的整数秒向从站分别广播时间信息和路径信息，由此错开时间信息和路径信息的广播，使广播信息和路径信息互不干扰，达到高效传输的目的，进一步保证无线授时的准确性。
并且，由于均采用主站系统时间的整数秒广播，因此只需要广播年月日时分秒信息，不需要广播秒内的小数信息(小数信息根据精度可到毫秒微秒甚至纳秒)，因此可以做到：1、主站极大的节省广播数据量；2、由于主站采用广播，不需要重复播报，可以极大的减少主站发送负载；3、采用同一广播只发送一次因此可以极大提高授时精准度；4、对于从站收到信息后由于是主站整数秒广播的，因此只需要减去数据包中的网络路径延时就可以得到精确的整秒时间，不需要阶段秒内的小数信息，因此运算更加快捷高效。
当主站广播整数秒时间信息和路径信息时，其作用是统计各个从站的传输路径延时，当其广播后随即在中断程序中处理各个从站的反馈，后计算各个从站的传输路径延时，其各个从站的传输路径延时等于从广播时刻到接收到时刻的时间差的二分之一。在计算出各从站的传输路径延时后，将该传输路径延时写入时间信息中并向发送给从站。
可选的，对于整数秒广播时间信息和路径信息，在主站中采用基于中断的方式进行，如若其内部时钟进位后，随即触发优先级仅次于内部时钟进位的中断程序，在此中断程序中广播其时间信息，从而可保证发送时间星系的精度又可进一步降低后续从站对钟的算法复杂度。
实施例二：
图2是实施例二示出的无线授时方法的实现流程图。实施例二示出的无线授时方法适用于无线授时系统的从站中，无线授时系统中设置处理器，以对仪器以无线方式进行授时。
需要说明的是，无线授时系统包括主站和从站，主站在获取绝对时间后对从站进行时标分发，从站在获取主站分发的时间信息后对自身系统进行授时校正。由于主站从站之间采用广播方式，不需要依赖回传握手信息，增加了授时的可靠性，并对系统的传输路径延时等不确定性进行评估，可有效精确的估计传输路径延时，从而极大的增加了授时的精确性。
为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
步骤S210，针对主站广播的路径信息向主站进行反馈。
步骤S220，接收主站发送的时间信息。
步骤S230，根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正。
如实施例一所述，在进行无线授时时，主站将向从站广播路径信息。从站在接收主站广播的路径信息后，将针对路径信息向主站进行反馈，以使主站计算相互之间的传输路径延时。
由于主站发送的时间信息中包含有主站的时间信息以及到各从站之间的传输路径延时，因此，在接收主站发送的时间信息后，从站可以据此进行时间校正。
具体的，在根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正时，从所述时间信息中提取主站系统时间和传输路径延时，然后根据所述主站系统时间、所述传输路径延时与所述从站系统时间计算时间差，通过多次计算得到的所述时间差计算艾伦方差，最后根据所述艾伦方差判断所述从站系统时间是否达到稳态，在所述从站系统时间是否达到稳态后采用所述时间差对所述从站系统时间进行校正。
艾伦方差是一种特殊的方差计算方法，其计算方式如下所示：
其中
和
分别对应于t时刻的相邻的第n+1项和第n项的Δt值，<*>表示总体的平均值，其代表在此时刻中数组中所有数值的相邻的两个值的差的平方的总体的平均值，后除以2。
通过上述计算可以分析噪声中不同成分，以及早点回随时间的变化情况，从而对噪声进行有效估计，由于网络延时在数值上受各种环境干扰，其本质也是固有延时加上随机噪声，因此需要用采用计算艾伦方差的方式评估出真实的传输路径延时。
艾伦方差是随着时间变化的曲线，其随着时间的增加必然经历以下阶段：
量化噪声阶段：此时数据组成的曲线为一次曲线，其斜率为-1，此时表示采集的数据样本不够，数据样本不能满足评定出真正的网络延时的状态，误差的主要来自于其采集的量化误差，需要继续增加样本量。
角度随机游走阶段：此时随着样本数据的增加，其逐渐反映出样本的去除噪声的真实值，但其样本数据还不够，处于比上一个阶段更加趋于稳定，此时的误差来源主要来自于真实值的相位变化，也就是角度变化状态，即为角度随机游走阶段，此时还需要继续增加样本。
正弦噪声阶段：此时样本已经基本足够，经历了上述两个状态，样本基本可以满足观测条件，其艾伦方差组成的曲线此时没有固定的斜率，处于来回震荡阶段，因此此时的状态命名为正弦噪声阶段。
稳态：经过几个正选噪声阶段，此时的样本数已经可以完全足够反应内部的真实值，因此定义此时的状态为稳态，可以通过统计此时内部样本的数值计算出真实的网络延时值。
由于上述所述的几个阶段是计算艾伦方差所产生的曲线的必经阶段，其在量化噪声阶段的表现即为斜率为-1的一次曲线，在角度随机游走阶段表现即为斜率为-0.5的一次曲线，在正弦噪声阶段变现为来回震荡的曲线，因此可以通过曲线斜率来快速判定艾伦方差曲线所处的状态，进而做出快速判定。即通过将多次计算得到的所述艾伦方差进行曲线拟合，并根据所述曲线的斜率可判断所述从站系统时间是否达到稳态。
例如，取从此时刻的Δt以及向前的最近的四个样点数值作为一次曲线的拟合样本，如若此时拟合出来的一次曲线斜率K为-1附近，则说明此时处于量化噪声阶段，如果此时拟合出来的仪器曲线斜率K在-0.5附件，则说明此时处于角度随机游走阶段，当拟合出来的曲线斜率K在正负值之间徘徊时，处于正弦噪声阶段，当拟合出来的曲线斜率K连续几次出现斜率为0的情况或者出现斜率为0的概率大于百分之五十，则判定此时曲线达到稳态。
可选的，从站在进行无线授时时，具体步骤如下：
(1)当从站的无线模块收到来自主站发送的路径信息后，无线模块会通过串口将数据发送给从节点的主站，主站通过中断的方式接收到此信息后马上在此中断中返回路径信息，由于此路径信息应用在主节点测算路径延时使用，因此不需要附带其他信息，增加了发送的及时性和简洁有效性。
(2)当无线模块收到时间信息后，以串口的方式发送给主站，主站在中断中处理此时间信息，此时记录此时的本地时间LocT1，解析数据包中包含的时间信息RotT1，传输路径延时信息RotDelay，而后计算此时的时间差，计算公式为：
Δt＝LocT1-(RotT1+RotDelay)
后将Δt赋值给每次的钟差值ErrT。
(3)创建动态数组ErrTArr，此数组用于存放每次的钟差值ErrT，定义变量ErrTArrN记录动态数组个数，当执行完步骤2后，将此钟差值ErrT存放于动态数组中，数据个数NΔt随之增加，进而ErrTArrN随之增加，再次计算此时数组中所有变量的艾伦方差εt。此艾伦方差εt的计算公式为：
其中
和
分别对应于t时刻的相邻的第n+1项和第n项的Δt值，<*>表示总体的平均值，其代表在此时刻中数组中所有数值的相邻的两个值的差的平方的总体的平均值，后除以2。
具体到此实施为：分别计算此动态数组ErrTArr中所有变量的相邻两项的差值，后将此差值平方后存放在新的动态数组ErrTDelArr中，后再次求此动态数组ErrTDelArr中所有项的总体平均值，后将此平均值除以2赋值给艾伦方差εt。
(4)新建动态数组ErrTArrAllan，将上述步骤的中计算得到的艾伦方差εt存入到动态数组中，后评估拟合此动态数组ErrTArrAllan中所有变量组成的曲线是否达到驻点，其判定算法的实施如如下：首先判定此次的动态数组中样点个数ErrTArrAllanLen，如若此时ErrTArrAllanLen小于4则返回执行步骤2，如若此时ErrTArrAllanLen大于等于4则从动态数组的尾端向前依次取四个相邻的变量组成新的待拟合样本，后对此待拟合样本进行一次项拟合，后判定此次拟合的一次项的斜率K,如若此时拟合出来的一次曲线斜率K为-1附近，则说明此时处于量化噪声阶段，如果此时拟合出来的仪器曲线斜率K在-0.5附件，则说明此时处于角度随机游走阶段，当拟合出来的曲线斜率K在正负值之间徘徊时，处于正弦噪声阶段，当拟合出来的曲线斜率K连续几次出现斜率为0的情况或者出现斜率为0的概率大于百分之五十，则判定此时曲线达到稳态。算法进入到下一步。
(5)此时计算动态数组ErrTArr中的变量个数为ErrTArrN的所有的变量的平均值，计算得到平均值MΔt，将此赋值给变量ErrTMean。
(6)将此ErrTMean值赋值给调节钟差值ErrTMeanAdj，后将相关变量复位，涉及到的相关变量有ErrT，ErrTArr，ErrTDelArr，ErrTArrAllan。调节从站自身时钟，其从站调节自身时钟的方式可根据自身时钟运行方式调节，在此实例中通过计算出的钟差值，首先调节大于1秒的秒外钟差值ErrTMeanAdjSec，在自身时钟秒位进位时通过ErrTMeanAdjSec调节到最新秒位，后调节秒内钟差值ErrTMeanAdjSecPre，调节方式为在自身时钟秒位进位时调节控制秒内时钟是内部计时器计数值实现。调节完成后可使从站内部时钟同步到最新水平。
实施例三：
如图3所示，本发明实施例三提供了一种无线授时装置，应用于无线授时系统中的主站，该装置可执行上述任一所示的无线授时方法的全部或者部分步骤。该装置包括：
绝对时间信息获取模块1，用于获取外部时钟源发送的绝对时间信息；
时间校正模块2，用于根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正；
路径信息广播模块3，用于向从站广播路径信息；
传输路径延时计算模块4，用于接收从站针对所述路径信息的反馈，计算主站与从站之间的传输路径延时，并将所述传输路径延时存入时间信息中；
时间信息发送模块5，用于向从站发送所述时间信息。
如图4所示，本发明实施例三提供了另一种无线授时装置，应用于无线授时系统中的从站，该装置可执行上述任一所示的无线授时方法的全部或者部分步骤。该装置包括：
路径信息反馈模块6，用于针对主站广播的路径信息向主站进行反馈；
时间信息接收模块7，用于接收主站发送的时间信息；
时间校正模块8，用于根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正。
实施例四：
本发明实施例四提供了一种无线授时系统，该无线授时系统可执行上述任一所示的无线授时方法的全部或者部分步骤。该无线授时系统包括：
处理器；以及
与处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述任一示例性实施例所述的方法，此处将不做详细阐述说明。
在本实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，例如可以为包括指令的临时性和非临时性计算机可读存储介质。该存储介质例如包括指令的存储器，上述指令可由服务器系统的处理器执行以完成上述无线授时方法。
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 (10)
1.一种无线授时方法，应用于无线授时系统中的主站，其特征在于，所述方法包括：
获取外部时钟源发送的绝对时间信息；
根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正；
向从站广播路径信息；
接收从站针对所述路径信息的反馈，计算主站与从站之间的传输路径延时，并将所述传输路径延时存入时间信息中；
向从站发送所述时间信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正的步骤包括：
针对不同外部时钟源的输入信号精度，采用不同驯服周期进行原子钟驯服。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述绝对时间信息进行主站系统时间的校正的步骤包括：
通过所述主站中晶振的性能计算钟差评估周期；
在所述钟差评估周期内计算主站系统时间和标准时钟的差值；
根据下次信号与所述主站系统时间之间的误差与所述差值，对所述主站系统时间进行校正。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在不同的整数秒分别向从站广播路径信息和时间信息。
5.一种无线授时方法，应用于无线授时系统中的从站，其特征在于，所述方法包括：
针对主站广播的路径信息向主站进行反馈；
接收主站发送的时间信息；
根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正的步骤包括：
从所述时间信息中提取主站系统时间和传输路径延时；
根据所述主站系统时间、所述传输路径延时与所述从站系统时间计算时间差；
通过多次计算得到的所述时间差计算艾伦方差；
根据所述艾伦方差判断所述从站系统时间是否达到稳态；
在所述从站系统时间是否达到稳态后采用所述时间差对所述从站系统时间进行校正。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述艾伦方差判断所述从站系统时间是否达到稳态的步骤包括：
将多次计算得到的所述艾伦方差进行曲线拟合；
根据所述曲线的斜率判断所述从站系统时间是否达到稳态。
8.一种无线授时装置，其特征在于，所述装置包括：
路径信息反馈模块，用于针对主站广播的路径信息向主站进行反馈；
时间信息接收模块，用于接收主站发送的时间信息；
时间校正模块，用于根据所述时间信息与从站系统时间之间的差值对所述从站系统时间进行校正。
9.一种无线授时系统，其特征在于，所述系统包括：
处理器；以及
与所述处理器通讯连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可读性指令，所述可读性指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读性存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
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