CN113890667B - 反向积分滤波往返校时方法与系统 - Google Patents

反向积分滤波往返校时方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反向积分滤波往返校时方法与系统，包括入网终端向时间基准站发送时间校准服务请求，根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的回复，进行往返校时测量，根据往返校时测量结果对入网终端的本地时间进行校正；多次往返校时测量形成校时序列，对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；利用RTT校正值对入网终端的本地时间进行再次校正。通过测量样本点的反向积分来预估大范围的系统偏差做提前校正，然后再校正近似正态分布的系统随机误差，从而使往返校时系统可以容纳较大的系统累积偏差和随机误差，达到校正的目的。

Description

反向积分滤波往返校时方法与系统
技术领域
本发明涉及移动无线通信技术领域，尤其涉及一种反向积分滤波往返校时方法与系统。
背景技术
JIDS（Joint-tactical Information Distribution System）联合战术信息分发系统是一个基于同步跳频的网络系统，要求每个在网节点获取和保持精确的系统时间，主要由周期性的往返校时（RTT）来保持在网节点与时间基准节点之间的精同步。
时间质量维护要求每个JU定时或不定时进行精同步。JIDS终端相对于系统时间的准确度，称为它的时间质量（Qt），Qt值越大，时间质量越高。NTR时间质量为15，其标准时间偏差不大于50ns。
除了NTR，J链的每个JU都建立一个网络时间基准内部时钟模型，JU利用该时钟模型估计自身时间。在网运行过程中，由于JU时钟漂移，估计时间与系统时间的偏差将增大，增大到一定程度将超出时间质量偏差范围。
在往返校时过程中，RTT往返校时的测量值可能受到偶然误差、时钟漂移和其他系统偏差的影响，RTT的偏差校正值需要进行时域滤波，避免测量偏差偶然波动的影响。
现有的RTT往返校时方法包括以下几种：
1）当前值校正，按照当前的RTT测量值进行误差校正，无法避免受到系统偶然误差的影响，可能会产生较大的系统时间抖动；
2）均值滤波校正，将前k次RTT测量值进行均值滤波后，再进行测量值校正，这种方法虽然能平滑系统偶然误差的影响，但受到系统测量的时间间隔的影响较大，当测量的时间间隔大到测量值前后不相关时，系统无法进行准确的误差校正和跟踪；
3）卡尔曼滤波校正，利用JU终端内的时钟模型进行估计和RTT测量误差校正，能够很快地收敛，但是当内部时钟漂移速率估计不准时，会产生较大的系统偏差。
在RTT往返校时系统中，传统的时域滤波技术只能校正系统中的随机误差，对于大范围的系统偏差和时钟累积误差，校正效果均不佳。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种反向积分滤波往返校时方法与系统，解决往返校时过程中因相噪累积造成大范围偏差抖动的问题，通过测量样本点的积分来预估大范围的系统偏差做提前校正，然后再校正近似正态分布的系统随机误差，从而使往返校时系统可以容纳较大的系统累积偏差和随机误差，达到校正的目的。
为了实现上述目的，本发明的一种反向积分滤波往返校时方法，包括如下步骤：
S1、入网终端向时间基准站发送时间校准服务请求，根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的所述时间基准站的回复，进行往返校时测量，根据所述往返校时测量的RTT测量值，对入网终端的本地时间进行精同步校正；
S2、进行多次往返校时测量，对多次往返校时测量结果形成校时序列，利用反向积分滤波器对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正。
进一步优选的，还包括S0，入网终端进行网络搜索，当接收到时间基准站的入网消息后，利用入网消息中携带的网络时间对入网终端的本地时间进行首次粗同步校正。
进一步优选的，还包括S3，调整测量的时间间隔，对S2中得到的RTT校正值进行平滑处理。
进一步优选的，在S3中，所述调整测量的时间间隔采用的方法为：对测量的时间间隔进行插值。
进一步优选的，在S3中，将多次往返校时测量结果形成的校时序列，记为RTT实测值采用如下公式表示：
Figure 763930DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 80642DEST_PATH_IMAGE002
表示第k次RTT实测值，
Figure 442091DEST_PATH_IMAGE003
表示第k次往返校时测量结果，k为往 返校时测量次数，δ为原子钟的漂移速率，
Figure 604082DEST_PATH_IMAGE004
为第k次RTT测量的时间间隔。
进一步优选的，在S2中，采用如下公式所示的反向积分滤波器对校时序列进行反向积分；
Figure 196737DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure 622034DEST_PATH_IMAGE006
为反向积分后得到的RTT校正值，
Figure 565719DEST_PATH_IMAGE007
为反向积分滤波器，
Figure 242DEST_PATH_IMAGE008
为k-i次校时序列，m为反向积分滤波器的阶数，i为自变量。
进一步优选的，在S2中，采用如下公式，利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正；
Figure 883623DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 604454DEST_PATH_IMAGE010
表示对入网终端的当前本地时间再次校正值，
Figure 910801DEST_PATH_IMAGE011
为第k次RTT校 正值；
Figure 742491DEST_PATH_IMAGE012
第k次RTT实测值。
本发明还提供一种反向积分滤波往返校时系统，包括入网终端和时间基准站；所述入网终端还包括初始精同步模块、反向积分校正模块；
所述入网终端用于向时间基准站发送时间校准服务请求；
所述时间基准站，用于对时间校准服务请求进行回复；
所述初始精同步模块，用于根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的所述时间基准站的回复，进行往返校时测量，根据所述往返校时测量结果的RTT测量值对入网终端的本地时间进行精同步校正；
所述反向积分校正模块，用于进行多次往返校时测量，对多次往返校时测量结果形成校时序列，利用反向积分滤波器对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正。
进一步优选的，还包括粗同步校正模块，所述粗同步校正模块用于在入网终端进行网络搜索，当接收到时间基准站的入网消息后，利用入网消息中携带的网络时间对入网终端的本地时间进行首次粗同步校正。
进一步优选的，还包括插值预测校正模块，所述插值预测校正模块用于对测量的时间间隔进行插值，对得到的RTT校正值进行平滑处理。
本申请公开的反向积分滤波往返校时方法与系统，相比于现有技术至少具有以下有益效果：
1、本申请提供的反向积分滤波往返校时方法与系统，将多次往返校时测量结果加上固有误差形成校时序列进行积分和反向校正，可以实现系统累积偏差的校正回调；解决了当原子钟误差和其他系统误差不可忽略时，直接用RTT测量值进行校正，产生较大的相位抖动的问题。
2、本申请提供的反向积分滤波往返校时方法与系统，采用插值预测校正方法，进行微调，可以使相噪带来的系统时间扰动修正尽量平缓。
附图说明
图1为本发明的反向积分滤波往返校时方法的流程示意图。
图2为本发明的反向积分滤波往返校时系统的工作流程示意图。
图3为本发明的反向积分滤波往返校时方法与系统的RTT校时计算过程示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一方面实施例提供的反向积分滤波往返校时方法，包括按照如下步骤依次对入网终端的本地时间进行校正：
S0、在入网终端进行网络搜索，当接收到时间基准站的入网消息后，将入网消息中携带的网络时间对入网终端的本地时间进行粗同步校正。
由于时间基准站和入网终端之间通过入网消息、往返校时消息和本地守时功能进行跳频网络的同步管理，因此，常规的校正方法一般都采用粗同步实现本地时间的校正，粗同步指的是，入网终端（JU）根据时间基准站（NTR）的入网消息校正本地时钟的过程。入网消息中包含网络时间修正初始字，包含NTR的当前网络时间。如果入网终端接收到入网消息，就用该网络时间校正终端的系统时间。
Figure 450684DEST_PATH_IMAGE013
（公式1）
式中，T0为时间基准站的当前系统时间，TR为入网终端接收到入网消息的本地时 间，
Figure 607996DEST_PATH_IMAGE014
为粗同步校时偏差。
粗同步校正是单向校时，未计入传播延迟，在传播距离较远时，粗同步误差较大，需要精同步进行精细调整。
S1、入网终端向时间基准站发送时间校准服务请求，根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的回复，进行往返校时测量，根据往返校时测量的RTT测量值，对入网终端的本地时间进行精同步校正。
需要说明的是，本步骤可以直接实施，更优选的是在步骤S0进行粗同步校正的基础上在进行实施。步骤S1可以理解为对校正时间的进一步精调，简称精同步，如图3所示，精同步是通过往返校时消息，及其接收时刻测量进行校时计算。当给定询问JU的询问到达时间TOAI、NTR应答的应答到达时间TOAR和应答消息的固定发送时刻td时，需要校正的时间偏差由下式给出：
Figure 401640DEST_PATH_IMAGE015
（公式1）
根据上式，询问终端利用往返计时应答消息中报告的询问到达时间（TOAI）、询问终端直接测量的应答到达时间（TOAR）、应答消息的固定发送时刻td，就可以得出询问终端系统时钟的修正量ɛ，图中tp为传播时延，如果前向链路和反向链路对称时，传播时延相等。此时入网终端的本地时间被校正为往返校时测量结果即RTT测量值。
S2、进行多次往返校时测量，对多次往返校时测量结果形成校时序列，利用反向积分滤波器对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正。
按照JIDS系统规定，在系统时间偏差校正到几十纳秒范围内，入网终端内部的原子钟误差和其他系统偏差便不可忽略，使得RTT测量中包含了时间漂移误差δ：
Figure 302600DEST_PATH_IMAGE016
（公式3）
式中，
Figure 121693DEST_PATH_IMAGE002
为第k次RTT实测值，k∈{1,2,...,N}N为RTT测量总数，
Figure 653168DEST_PATH_IMAGE003
为第k 次往返校时测量结果，δ为原子钟的漂移速率，T（k）为第k次RTT测量的时间间隔。
在S2中，当原子钟误差和其他系统误差不可忽略时，直接用RTT测量值进行校正，可能会产生较大的相位抖动。通过对多次RTT测量值进行积分和反向校正，可以实现系统累积偏差的校正。利用反向积分滤波器对校时序列进行反向积分计算，参见通过下式：
其中，积分滤波器的标准公式为：
Figure 793162DEST_PATH_IMAGE017
；
对于离散信号：
Figure 373179DEST_PATH_IMAGE018
；表示对信号
Figure 118282DEST_PATH_IMAGE019
从0时刻到T时刻进行正向积分；因 此，反向积分滤波器可以表示为：
Figure 492762DEST_PATH_IMAGE020
；表示对信号
Figure 323315DEST_PATH_IMAGE021
从t时刻到0时刻进行 反向向积分。
在本申请中对多次往返校时测量结果形成校时序列，利用反向积分滤波器进行反向积分可以采用如下公式：
Figure 566077DEST_PATH_IMAGE022
（公式4）
式中，
Figure 336325DEST_PATH_IMAGE023
为反向积分后得到的RTT校正值，
Figure 271920DEST_PATH_IMAGE024
为反向积分滤波器， m为反向积分滤波器的阶数且取为偶数，i为自变量。由于信号是离散信号，因此对该校时序 列求积分等同于对积分区间内每次RTT测量值的累加，由于i
Figure 261873DEST_PATH_IMAGE025
因此，在积分区间第k-i 次到第k-m次对校时序列积分，相当于计算对第k-i次RTT测量值到第k-m次RTT测量值的累 加和，在反向积分的基础上求取平均值实现反向均值滤波。
Figure 42747DEST_PATH_IMAGE026
为原子钟漂移引起的相位抖动均值，当系统稳定时，
Figure 700124DEST_PATH_IMAGE027
在0值附近扰 动，
Figure 416408DEST_PATH_IMAGE028
，反向积分滤波的校正值为原子钟的平均相位抖动
Figure 283870DEST_PATH_IMAGE026
均值。
考虑原子钟相位随机抖动后，RTT测量校正需要经过反向积分滤波和预测校正，第k次RTT校正值校正后为：
Figure 242336DEST_PATH_IMAGE029
Figure 754220DEST_PATH_IMAGE030
（公式5）
式中，
Figure 31618DEST_PATH_IMAGE031
表示对入网终端的当前本地时间再次校正值，
Figure 730583DEST_PATH_IMAGE006
为第k次 RTT的反向积分后得到的RTT校正值，
Figure 118839DEST_PATH_IMAGE002
为第k次RTT实测值。当原子钟的平均相位抖动 与当前的相位抖动相近时，RTT校正值接近于RTT测量的真实值即往返校时测量结果。
还包括S3、调整测量的时间间隔，对S2中得到的RTT校正值进行平滑处理。S3中，所述调整测量的时间间隔采用的方法为：对测量的时间间隔进行插值，采用插值预测校正方法，对RTT校正值进行小范围调整。
可选地，由于RTT的测量的时间间隔远大于终端的秒脉冲调整间隔，为了平滑原子钟漂移带来的系统时间扰动，还可以采用插值预测校正方法，每秒进行1次小范围的微调。
Figure 219650DEST_PATH_IMAGE032
Figure 605632DEST_PATH_IMAGE033
（6）
式中，
Figure 182107DEST_PATH_IMAGE034
为第k次RTT预测校正后的第i次微调。插值预测校正可以使相噪 带来的系统时间扰动修正尽量平缓。
如图2所示，本发明还提供一种反向积分滤波往返校时系统，用于实施上述方法，包括入网终端JU和时间基准站NTR；所述入网终端一侧包括初始精同步模块、反向积分校正模块；
所述入网终端用于向时间基准站发送时间校准服务请求；
所述时间基准站，用于对时间校准服务请求进行回复；
所述初始精同步模块，用于入网终端向时间基准站发送RTT请求后，根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的所述时间基准站的RTT回复，进行往返校时测量，根据所述往返校时测量结果的RTT测量值对入网终端的本地时间进行精同步校正；
所述反向积分校正模块，用于进行多次往返校时测量，对多次往返校时测量结果形成校时序列，利用反向积分滤波器对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正形成校时序列。具体反向积分校正过程如上述方法实施例中所示，在此不再陈述。
还包括粗同步校正模块，所述粗同步校正模块用于在入网终端进行网络搜索，当接收到时间基准站的入网消息后，将入网消息中携带的网络时间作为入网终端的本地时间，进行粗同步校正，具体粗同步过程如上述方法实施例中所示，在此不再陈述。
还包括插值预测校正模块，所述插值预测校正模块用于对测量的时间间隔进行插值，对得到的RTT校正值进行平滑处理。具体插值预测校正过程如上述方法实施例中所示，在此不再陈述。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种反向积分滤波往返校时方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、入网终端向时间基准站发送时间校准服务请求，根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的所述时间基准站的回复，进行往返校时测量，根据所述往返校时测量的RTT测量值对入网终端的本地时间进行精同步校正；
S2、进行多次往返校时测量，将多次往返校时测量结果形成的校时序列，记为RTT实测值，按照如下公式所示的反向积分滤波器，对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；
Figure 577629DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 868933DEST_PATH_IMAGE002
为反向积分后得到的RTT校正值，
Figure 870387DEST_PATH_IMAGE003
为反向积分滤波器，
Figure 538128DEST_PATH_IMAGE004
为第k-i次RTT实测值，m为反向积分滤波器的阶数，i为自变量；
利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正。
2.根据权利要求1所述的反向积分滤波往返校时方法，其特征在于，还包括S0，入网终端进行网络搜索，当接收到时间基准站的入网消息后，利用入网消息中携带的网络时间对入网终端的本地时间进行首次粗同步校正。
3.根据权利要求1所述的反向积分滤波往返校时方法，其特征在于，还包括S3，调整测量的时间间隔，对S2中得到的RTT校正值进行平滑处理。
4.根据权利要求3所述的反向积分滤波往返校时方法，其特征在于，在S3中，所述调整测量的时间间隔采用的方法为：对测量的时间间隔进行插值。
5.根据权利要求1所述的反向积分滤波往返校时方法，其特征在于，在S2中，将多次往返校时测量结果形成的校时序列，记为RTT实测值，并采用如下公式表示：
Figure 675849DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，
Figure 891716DEST_PATH_IMAGE006
表示第k次RTT实测值，
Figure 380466DEST_PATH_IMAGE007
表示第k次往返校时测量结果，k为往返校时 测量次数，δ为原子钟的漂移速率，
Figure 586320DEST_PATH_IMAGE008
为第k次RTT测量的时间间隔。
6.根据权利要求5所述的反向积分滤波往返校时方法，其特征在于，在S2中，采用如下公式，利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正；
Figure 844126DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 742812DEST_PATH_IMAGE010
表示对入网终端的当前本地时间再次校正值，
Figure 968125DEST_PATH_IMAGE011
为第k次RTT校正值。
7.一种反向积分滤波往返校时系统，其特征在于，包括入网终端和时间基准站；所述入网终端还包括初始精同步模块、反向积分校正模块；
所述入网终端用于向时间基准站发送时间校准服务请求；
所述时间基准站，用于对时间校准服务请求进行回复；
所述初始精同步模块，用于根据请求到达时间以及在规定时间内接收到的所述时间基准站的回复，进行往返校时测量，根据所述往返校时测量结果的RTT测量值对入网终端的本地时间进行精同步校正；
所述反向积分校正模块，用于进行多次往返校时测量，对多次往返校时测量结果形成校时序列,并记为实测值，按照如下公式所示的反向积分滤波器，对校时序列进行反向积分，得到RTT校正值；
Figure 712090DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 89982DEST_PATH_IMAGE002
为反向积分后得到的RTT校正值，
Figure 893990DEST_PATH_IMAGE003
为反向积分滤波器，
Figure 357333DEST_PATH_IMAGE004
为k-i次RTT实测值，m为反向积分滤波器的阶数，i为自变量；进行反向积分，得到 RTT校正值；利用RTT校正值对入网终端的当前本地时间再次校正。
8.根据权利要求7所述的一种反向积分滤波往返校时系统，其特征在于，还包括粗同步校正模块，所述粗同步校正模块用于在入网终端进行网络搜索，当接收到时间基准站的入网消息后，利用入网消息中携带的网络时间对入网终端的本地时间进行首次粗同步校正。
9.根据权利要求8所述的一种反向积分滤波往返校时系统，其特征在于，还包括插值预测校正模块，所述插值预测校正模块用于对测量的时间间隔进行插值，对得到的RTT校正值进行平滑处理。
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