CN114745041A - 分布式卫星网络智能时钟同步方法 - Google Patents

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CN114745041A
CN114745041A CN202210253421.XA CN202210253421A CN114745041A CN 114745041 A CN114745041 A CN 114745041A CN 202210253421 A CN202210253421 A CN 202210253421A CN 114745041 A CN114745041 A CN 114745041A
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clock
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synchronization
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瞿智
杨俊�
陈建云
冯旭哲
胡梅
马超
佘金照
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Abstract

本发明涉及卫星时钟同步领域，公开了一种分布式卫星网络智能时钟同步方法，本发明根据获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；根据相对时钟速率估计目标节点的时钟速率补偿量以对目标节点的时钟速率进行补偿；在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功，每个节点根据本地时钟周期向邻居节点广播当前的本地时钟读数，并周期性地获得邻居节点传来的时钟读数，通过时钟读数补偿算法完成时钟读数补偿，所有节点的时钟同步到虚拟时钟，从而实现整个网络的同步。

Description

分布式卫星网络智能时钟同步方法
技术领域
本申请涉及卫星时钟同步领域，特别是涉及一种分布式卫星网络智能时钟同步方法。
背景技术
卫星网络时钟同步方式主要有GNSS授时、基于结构式网络拓扑的时间传递和分布式时钟同步。目前，卫星网络时钟同步系统主要还是依靠当前的GNSS，每颗卫星与GNSS保持时间同步，从而实现整网的时间同步，然而GNSS信号微弱易受干扰，并且要实现优于纳秒级的用户授时精度，系统将变得很复杂，成本也将急剧增加。基于结构式网络拓扑的时间传递，是通过主次节点间两两比对进行的，机理简单且收敛速度快，但在网络拓扑发生变化或节点失效时，需要重新规划时间传递路径，使得系统维护成本较高，鲁棒性和可扩展性相对不足，只适用于卫星数量较少且网络拓扑变化较小的情况。
因此，如何建立一种时钟同步方法以满足探索高动态卫星网络拓扑场景下大规模DSS的应用需求成为了一个亟待解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种分布式卫星网络智能时钟同步方法，旨在解决现有技术无法实现满足探索高动态卫星网络拓扑场景下大规模DSS的应用需求的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种分布式卫星网络智能时钟同步方法，所述方法包括：
获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；
根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿；
在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；
在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功。
可选地，所述获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率的步骤，包括：
获取目标节点i与所述目标节点的邻居节点j；
在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，根据考虑时延的相对速率估计算法输入τi(ti(m)),τi(ti(m-1)),
Figure BDA0003547849060000021
以获得相对时钟速率
Figure BDA0003547849060000022
可选地，所述在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，根据考虑时延的相对速率估计算法输入τi(ti(m)),τi(ti(m-1)),
Figure BDA0003547849060000023
Figure BDA0003547849060000024
以获得相对时钟速率的步骤，包括
在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，估计节
Figure BDA0003547849060000025
其中，T是两节点间多次测量的周期间隔；tm-1，tm分别表示第m-1和m次测量的参考时间；Δτi,2(tm)表示利用星历对两个卫星在时刻tm-1到时刻tm相对运动导致的时差补偿量；
ρm∈(0,1)是IIR滤波器系数。
可选地，所述根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿的步骤，包括：
将逻辑时钟速率
Figure BDA0003547849060000026
估计转换为时钟速率修正系数λ'i的估计：
Figure BDA0003547849060000031
Figure BDA0003547849060000032
其中，γ表示分布式控制器参数；Ki表示比例估计器的增益参数；Kp表示积分估计器的增益参数；Ni是与节点i建链测量的临接节点集合；ωi表示PI控制器状态参数。
可选地，所述根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿的步骤之后，还包括：
目标节点i的时钟速率同步误差为：
Figure BDA0003547849060000033
系统的时钟速率误差表示为：
Figure BDA0003547849060000034
根据所述系统的时钟速率误差对同步误差进行约束。
可选地，所述在对时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数的步骤，包括：
在对时钟速率补偿结束后，可以得到每个卫星节点时钟相位偏差的一致性估计，如下式。
Figure BDA0003547849060000035
结合时钟速率同步算法，可以更新每个节点的时钟相位
Figure BDA0003547849060000041
可选地，所述在对时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数的步骤之前，还包括：
建立误差模型，t时刻时钟读数同步误差为：
Figure BDA0003547849060000042
每个节点i的时钟同步误差为：
Figure BDA0003547849060000043
其中
Figure BDA0003547849060000044
为节点i的虚拟时钟，
Figure BDA0003547849060000045
为节点j的参考时钟读数；
则有：
Figure BDA0003547849060000046
可选地，所述获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率的步骤之前，还包括：
建立线性时钟模型可以表示时钟的真实时间特性，目标节点i在参考时间时刻t的物理时钟读数τi(t)可以描述为：
τi(t)＝λit+μi+o(t)
其中λi是时钟速率，μi是时钟初始偏差，o(t)表示时钟读数的高阶小量，对于高精度时钟，在较短测量周期内o(t)可以忽略；
对每个卫星节点i的时钟读数进行线性变换，得到修正的时钟读数，建立一个虚拟逻辑时钟，逻辑时钟与本地时钟之间呈线性关系，可得逻辑时钟的表达式如下：
Figure BDA0003547849060000047
其中，
Figure BDA0003547849060000048
是逻辑时钟读数；
Figure BDA0003547849060000049
是节点i逻辑时钟速率；
Figure BDA00035478490600000410
是节点i逻辑时钟初始偏差；λ'i是t时刻节点i的时钟速率修正系数；μ'i是t时刻节点i的时钟初始偏差修正量。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种分布式卫星网络智能时钟同步装置，所述装置包括：
相对时钟估计模块，用于获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；
速率补偿模块，用于根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿；
偏差补偿模块，用于在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；
时钟同步模块，用于在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种计算机设备，所述计算机设备包括：存储器，处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的分布式卫星网络智能时钟同步程序，所述分布式卫星网络智能时钟同步程序配置为实现如上文所述的分布式卫星网络智能时钟同步方法。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种介质，所述介质上存储有分布式卫星网络智能时钟同步程序，所述分布式卫星网络智能时钟同步程序被处理器执行时实现如上文所述的分布式卫星网络智能时钟同步方法的步骤。
本发明根据获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿；在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功，通过每个节点通过相对速率估计算法估计出和邻居节点间时钟速率的相对误差，作为时钟速率补偿算法的初始输入参与反馈。由于时钟速率是一个缓慢时变的变量，通过比例积分估计器动态地跟踪缓慢时变的速率参数，法能够提升时钟速率的同步精度。每个节点根据本地时钟周期向邻居节点广播当前的本地时钟读数，并周期性地获得邻居节点传来的时钟读数，通过时钟读数补偿算法完成时钟读数补偿，所有节点的时钟同步到虚拟时钟，从而实现整个网络的同步。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的分布式卫星网络智能时钟同步设备的结构示意图；
图2为本发明分布式卫星网络智能时钟同步方法第一实施例的流程示意图；
图3为本发明分布式卫星网络智能时钟同步方法第一实施例卫星网络智能时钟同步的系统模型框架图；
图4为本发明分布式卫星网络智能时钟同步方法第一实施例分布式时钟同步算法的示意图；
图5为本发明分布式卫星网络智能时钟同步方法第一实施例的分布式卫星网络节点间双单向测量过程图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的分布式卫星网络智能时钟同步设备结构示意图。
如图1所示，该分布式卫星网络智能时钟同步设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(Wireless-Fidelity，WI-FI)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对分布式卫星网络智能时钟同步设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及分布式卫星网络智能时钟同步程序。
在图1所示的分布式卫星网络智能时钟同步设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明分布式卫星网络智能时钟同步设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在分布式卫星网络智能时钟同步设备中，所述分布式卫星网络智能时钟同步设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的分布式卫星网络智能时钟同步程序，并执行本发明实施例提供的分布式卫星网络智能时钟同步方法。
本发明实施例提供了一种分布式卫星网络智能时钟同步方法，参照图2，图2为本发明分布式卫星网络智能时钟同步方法第一实施例的流程示意图。
本实施例中，所述分布式卫星网络智能时钟同步方法包括以下步骤：
步骤S10：获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率。
需要说明的是，在分布式卫星网络中，每个卫星节点均配备一个高稳晶振或原子钟，建立线性时钟模型可以表示时钟的真实时间特性，目标节点i在参考时间时刻t的物理时钟读数τi(t)可以描述为：
τi(t)＝λit+μi+o(t)
其中λi是时钟速率，μi是时钟初始偏差，o(t)表示时钟读数的高阶小量，对于高精度时钟，在较短测量周期内o(t)可以忽略。
对每个卫星节点i的时钟读数进行线性变换，得到修正的时钟读数，建立一个虚拟逻辑时钟，逻辑时钟与本地时钟之间呈线性关系，可得逻辑时钟的表达式如下：
Figure BDA0003547849060000071
其中，
Figure BDA0003547849060000081
是逻辑时钟读数；
Figure BDA0003547849060000082
是节点i逻辑时钟速率；
Figure BDA0003547849060000083
是节点i逻辑时钟初始偏差；
λ'i是t时刻节点i的时钟速率修正系数；
μ'i是t时刻节点i的时钟初始偏差修正量。
分布式卫星网络智能时钟同步算法的目标是通过某种方式修正卫星网络中所有节点的物理时钟速率和时钟初始偏差，最终实现每个节点的逻辑时钟速率和读数渐近收敛到同一个虚拟参考时钟
Figure BDA0003547849060000084
Figure BDA0003547849060000085
其中，
Figure BDA0003547849060000086
是参考时钟速率，
Figure BDA0003547849060000087
是参考时钟初始偏差。
因此，分布式卫星网络智能时钟同步需要设计一种算法，使得每个节点的逻辑时钟速率和读数渐近收敛，即：
Figure BDA0003547849060000088
Figure BDA0003547849060000089
需要说明的是，天基智能网联系统是一个高速动态、快速响应的智能敏捷系统，需要实现高速数据传输、动态资源共享、分布式计算与分布式信号级协同等，离不开智能弹性的高精度时钟基准。高精度智能时钟基准建立技术，支持分布式相干探测、多源协同探测、分布式敏捷波形生成等应用。在弹性分散化星座编队协作互联系统中，星座编队之间相互组成虚拟MIMO系统，由于发射天线相互分散形成分布式MIMO系统。不同于传统MIMO技术中发送天线和接收天线都属于同一终端，分布式星间链路的多收发器属于不同节点且相互独立，协作传输需要多节点信号时钟同步来完成。各个节点上的时钟和频率不智能和时变性都可以建模为相对于理想信道的时变信道特性。实现分布式波束形成的基本挑战是，独立的时钟漂移以及独立的发射机运动会产生高度非平稳的信道，如果来自接收器的反馈延迟比动态信道保持恒定的周期长，那么分布式波束形成性能就会急剧下降。因此为实施多收发器协同波束形成，首先需要进行星间链路多收发器节点的高精度分布式时钟预同步与预测。
可以理解的是，传统星间链路的时钟同步协议主要是结构式算法，一般分为两步：首先在两个星间邻居节点之间建立同步；然后构造一个多跳拓扑结构使得此种同步可以一层一层地传递到所有星间链路节点。然而结构性的时钟同步协议在构建和维持树形或簇形结构上负载过重，另外根节点或网关节点的故障会导致大量与之连接的节点发散故障，协议的可扩展性和鲁棒性有所欠缺。基于多智能体协同智能控制理论的分布式时钟同步算法是完全分布式的，不需要依赖于既定的拓扑结构，也不依赖于根节点或者参考节点，具有较强的鲁棒性和可扩展性。智能问题是多智能体系统协调控制的一个基本问题，所谓智能是指随着时间的演化，多个智能体通过相互作用、相互协调使得感兴趣的状态或者输出达到相同。智能问题有三个基本要素，即智能体、智能体间用于信息交换的通信网络以及智能体的作用规则(或称为智能协议)。
在具体实施中，本实施例采用图论作为星间测量网络拓扑的描述工具，构建测量网络拓扑模型
Figure BDA0003547849060000091
其中V、ε和
Figure BDA0003547849060000092
分别表示卫星节点、测量链路及其权重的集合。研究星间双向测量中的建链机制，构建无向测量链路和无向测量网络拓扑图。同时，针对星簇、同轨面星座、异轨面星座、大规模星群等典型分布式卫星应用系统的构型，定量描述卫星测量网络拓扑图的特征及规律。
在具体实施中，分布式卫星网络智能时钟同步方法利用星间时钟时钟测量与分布式控制构建卫星网络智能时钟同步的系统模型框架，如图3所示，将各个卫星与邻近卫星时钟的相对时差测量值Δτij和相对频率测量值Δfij等作为系统输入，利用智能同步协议进行分布式计算，估计自身时钟的时间偏差
Figure BDA0003547849060000093
和频率偏差
Figure BDA0003547849060000094
等参数，并基于这些估计参数对星上逻辑时钟进行时钟补偿，通过多次迭代测量控制达到卫星网络逻辑时钟一致。基于多智能体智能控制理论，将卫星网络时钟作为多智能体系统，根据卫星时钟特性，构建并优化智能体动力学模型及其参数，设计适用于卫星网络时钟同步的智能协议。
在具体实施中，分布式时钟同步算法考虑了时钟速率参数缓慢时变，采用一阶时钟模型，即考虑到每个时钟晶振频率受到自身老化以及环境因素的影响，是一个随时间缓慢变化的变量，分布式时钟同步算法的示意图如图4所示。由于本地时钟速率是一个缓慢时变的参数，而静态协同控制算法只能对静态(时不变)状态实现智能趋同。因此这里考虑动态智能协同控制算法。在动态智能算法中，每个节点时变的参考输入通过驱动比例积分估计器，动态地跟踪时变输入量的平均值。算法主要包括下面三个部分：相对速率估计算法、时钟速率补偿算法以及时钟读数补偿算法。算法的核心思想是每个节点通过相对速率估计算法估计出和邻居节点间时钟速率的相对误差，作为时钟速率补偿算法的初始输入参与反馈。由于时钟速率是一个缓慢时变的变量，通过比例积分估计器动态地跟踪缓慢时变的速率参数，法能够提升时钟速率的同步精度。最后，每个节点根据本地时钟周期向邻居节点广播当前的本地时钟读数，并周期性地获得邻居节点传来的时钟读数，通过时钟读数补偿算法完成时钟读数补偿。
进一步地，所述所述获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率的步骤，包括：获取目标节点i与所述目标节点的邻居节点j；在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，根据考虑时延的相对速率估计算法输入τi(ti(m)),τi(ti(m-1)),
Figure BDA0003547849060000101
以获得相对时钟速率
Figure BDA0003547849060000102
进一步地，所述所述在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，根据考虑时延的相对速率估计算法输入τi(ti(m)),τi(ti(m-1)),
Figure BDA0003547849060000103
以获得相对时钟速率的步骤，包括
在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，估计节
Figure BDA0003547849060000104
其中，T是两节点间多次测量的周期间隔；tm-1，tm分别表示第m-1和m次测量的参考时间；Δτi,2(tm)表示利用星历对两个卫星在时刻tm-1到时刻tm相对运动导致的时差补偿量；
∈(0,1)是IIR滤波器系数。
步骤S20：根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿。
进一步地，所述根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿的步骤，包括：
将逻辑时钟速率
Figure BDA0003547849060000111
估计转换为时钟速率修正系数λ'i的估计：
Figure BDA0003547849060000112
Figure BDA0003547849060000113
其中，γ表示分布式控制器参数；Ki表示比例估计器的增益参数；Kp表示积分估计器的增益参数；Ni是与节点i建链测量的临接节点集合；ωi表示PI控制器状态参数。
进一步地，所述根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿的步骤之后，还包括：
目标节点i的时钟速率同步误差为：
Figure BDA0003547849060000114
系统的时钟速率误差表示为：
Figure BDA0003547849060000115
根据所述系统的时钟速率误差对同步误差进行约束。
步骤S30：在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数。
进一步地，所述所述在对时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数的步骤，包括：
在对时钟速率补偿结束后，可以得到每个卫星节点时钟相位偏差的一致性估计，如下式。
Figure BDA0003547849060000121
结合时钟速率同步算法，可以更新每个节点的时钟相位
Figure BDA0003547849060000122
进一步地，所述在对时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数的步骤之前，还包括：
建立误差模型，t时刻时钟读数同步误差为：
Figure BDA0003547849060000123
每个节点i的时钟同步误差为：
Figure BDA0003547849060000124
其中
Figure BDA0003547849060000125
为节点i的虚拟时钟，
Figure BDA0003547849060000126
为节点j的参考时钟读数；
则有：
Figure BDA0003547849060000127
步骤S40：在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功。
需要说明的是，基于多智能体智能的分布式星间网络时间同步理论与协议，使得各个卫星节点能够更新自身的时钟信息，从而实现星间网络分布式智能时钟同步。该方法具有很强的适用性，能够覆盖几十公里到几万公里的距离范围，以及ns-ps级精度需求，适合天基动态多任务时空频分集利用场景的分布式时钟同步。
进一步地，所述所述获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率的步骤之前，还包括：建立线性时钟模型可以表示时钟的真实时间特性，目标节点i在参考时间时刻t的物理时钟读数τi(t)可以描述为：
τi(t)＝λit+μi+o(t)
其中λi是时钟速率，μi是时钟初始偏差，o(t)表示时钟读数的高阶小量，对于高精度时钟，在较短测量周期内o(t)可以忽略；对每个卫星节点i的时钟读数进行线性变换，得到修正的时钟读数，建立一个虚拟逻辑时钟，逻辑时钟与本地时钟之间呈线性关系，可得逻辑时钟的表达式如下：
Figure BDA0003547849060000131
其中，
Figure BDA0003547849060000132
是逻辑时钟读数；
Figure BDA0003547849060000133
是节点i逻辑时钟速率；
Figure BDA0003547849060000134
是节点i逻辑时钟初始偏差；λ'i是t时刻节点i的时钟速率修正系数；μ'i是t时刻节点i的时钟初始偏差修正量。
在具体实施中，获取星历信息及星间网络拓扑，在此基础上建立星间双向测量链路。通过星间链路周期性地进行分布式卫星网络星间时频测量。
每条星间链路每次通过双向测量获取4个时戳值，即时间测量值τij包含了{τi,1，τj,2，τj,1，τi,2}，分别表示节点i的发送时间、节点j的接收时间、节点j的发送时间和节点i的接收时间。每两个卫星节点间的一次建链可以获取多组测量值。星间双向测量原理如下：星间双向测量可以通过微波和激光，目前微波技术相对成熟，并且在BDS等系统中已得到应用。这里利用微波扩频技术，两个卫星节点基于双单向测量构建时频同步系统，节点间双单向测量过程如图5所示。节点A在t1时刻发出信号，该信号是经过伪码调制的扩频信号，其伪码相位携带了发送时刻t1的信息(发送时戳)。发射系统的电路延迟为tA，无线电的空间延迟为τA，该信号经过节点B的电路处理延迟rB，在t2时刻被检测到(接收时戳)。由于信号在t1时刻发出，在t2被检测到，考虑到卫星存在相对运动，其相对距离是时间的函数，因此测量到的延迟τA是这t1和t2两个时刻的函数τA(t1,t2)，该延迟包括了所有空间路径上的延迟。节点B基于自身的时钟测量这两个时刻的差值为TB。节点B也在时刻t3时刻发出测距信号，从而提供双单向的时间和距离测量。设发射系统的电路延迟为tB，无线电的空间延迟为τB，该信号经过节点A的电路处理延迟rA，在t4时刻被检测到。和节点A同样的道理，空间延迟为τB在卫星存在运动的情况下，其延迟是时间函数τB(t3,t4)。节点A测量出节点B发出信号到节点A接收到信号的时刻差值为TA。假设两个节点之间钟差是Δt，根据上图中的时间关系可以得出，
TA＝Δt+tB+τB(t3,t4)+rA
TB＝-Δt+tA+τA(t1,t2)+rB
得到：
Figure BDA0003547849060000141
其中，第一项是两次单向测量值的差值，是星间时差结果组成的主要部分；第二项反应了收发系统电路延迟的差异，与设备零值有关。对于两个同样的设备，该值将是一个确定的小量，可以通过标定的方法减小或消除，得到优于亚纳秒级精度的校正；第三项包含了双单向路径传输延迟的信息，当双向传播路径一致时(处于同一轨道或相对静止)，其差值为零，抵消了传播路径延迟的影响，可以得到较高的时间同步精度。当星间存在相对运动时，两个单向测量的传播路径延迟不等，即τA(t1,t2)≠τB(t3,t4)，该项是不能忽略的。
进行历元归算，消除星间远距离传输、高速运动等因素导致的误差。
分布式卫星网络与地面无线传感器网络不同，节点间距离非常远且相对运动速度很大。尤其是不同轨道面上卫星的高速运动会导致星间双向测量的传输路径存在严重的不对称，并且星间双向测量并不是同时进行的。针对此问题，可以进行历元归算，即利用星历中的位置与速度信息将两次测量数据计算归化到同一时刻，以便于对两次不同时刻的单向测量值进行比对和综合处理，消除远距离测量和高速运动导致的星间测量存在的较大误差。历元归算算法大致分为基于星历数据的逐项补偿法和基于星间伪距观测数据的拟合/插值法。伪距观测直接拟合法需要积累足够的观测数据才能进行，具有一定的滞后性。逐项补偿法在算法的灵活性和适应性上优于多项式拟合法。对于低轨星群，卫星时钟频率偏差一般小于1e-10，同步周期为秒级时归算精度优于0.1ns，若定轨精度在m级，归算误差在0.01ns以内。因此，通过历元归算将星间测量时戳归算到基于参考时钟的约定发送时刻，可以保证0.1ns的精度。基于星间双向测量机制的时间同步精度，主要依赖于星间伪距测量的精度(即时戳生成精度)。由于星间伪码扩频测距的精度可达亚纳秒甚至更高，那么经过设备零值标校和历元归算后，可以实现星间动态运动场景下的高精度时间同步。
基于修正后的星间测量值，利用低通滤波器估计两个节点间的时钟相对速率
Figure BDA0003547849060000151
因为绝对参考时间t不可知，所以卫星时钟速率的绝对值是无法获得的，只能通过星间测量获得卫星时钟之间的相对速率。利用连续两次星间测量的时戳值，估计节点j相对于节点i的相对时钟速率
Figure BDA0003547849060000152
如下：
Figure BDA0003547849060000153
其中，T是两节点间多次测量的周期间隔；
tm-1，tm分别表示第m-1和m次测量的参考时间；
Δτi,2(tm)表示利用星历对两个卫星在时刻tm-1到时刻tm相对运动导致的时差补偿量；
ρm∈(0,1)是IIR滤波器系数。
结合分布式卫星网络拓扑，每个卫星节点时钟利用所有相邻卫星节点的时钟相对速率，通过动态一致性估计器，估计时钟速率
Figure BDA0003547849060000154
由于每个卫星节点时钟的真实时钟速率并不能直接获得，并且一致性时钟同步控制的目标是实现星群网络节点逻辑时钟的一致，可以将逻辑时钟速率
Figure BDA0003547849060000155
Figure BDA0003547849060000156
估计转换为时钟速率修正系数λ'i的估计。
分布式卫星网络的分布式一致性时钟速率同步算法如下：
Figure BDA0003547849060000161
Figure BDA0003547849060000162
其中，γ表示分布式控制器参数；
Ki表示比例估计器的增益参数；
Kp表示积分估计器的增益参数；
Ni是与节点i建链测量的临接节点集合；
ωi表示PI控制器状态参数。
利用时钟速率更新时钟读数，再通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数。
经过时钟速率估计与修正后，各个节点的逻辑时钟频率达到同步，进一步利用星间链路测量值历元归算后得到的相对时差Δτij(tm)，可以得到每个卫星节点时钟相位偏差的一致性估计，如下式。
Figure BDA0003547849060000163
结合时钟速率同步算法，可以更新每个节点的时钟相位
Figure BDA0003547849060000164
至此，分布式卫星网络中每个节点利用与临接节点的相对测量，完成了一次时钟频率和相位同步的更新。
判断同步算法是否收敛，重复进行上述步骤迭代更新时钟参数
通过判断时钟读数同步误差是否超过阈值，判断同步算法是否收敛，若误差较大重复进行上述步骤迭代更新时钟参数，若误差在一定范围内表明同步算法收敛，可以输出时钟同步结果。
通过多次迭代收敛，可以实现分布式卫星网络时钟的频率同步与相位同步
本实施例根据获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿；在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功，通过每个节点通过相对速率估计算法估计出和邻居节点间时钟速率的相对误差，作为时钟速率补偿算法的初始输入参与反馈。由于时钟速率是一个缓慢时变的变量，通过比例积分估计器动态地跟踪缓慢时变的速率参数，法能够提升时钟速率的同步精度。每个节点根据本地时钟周期向邻居节点广播当前的本地时钟读数，并周期性地获得邻居节点传来的时钟读数，通过时钟读数补偿算法完成时钟读数补偿，所有节点的时钟同步到虚拟时钟，从而实现整个网络的同步。
此外，本发明实施例还提出一种介质，所述介质上存储有分布式卫星网络智能时钟同步程序，所述分布式卫星网络智能时钟同步程序被处理器执行时实现如上文所述的分布式卫星网络智能时钟同步方法的步骤。
本发明分布式卫星网络智能时钟同步装置的实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种分布式卫星网络智能时钟同步方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；
根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿；
在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；
在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率的步骤，包括：
获取目标节点i与所述目标节点的邻居节点j；
在所述目标节点i与所述目标节点的邻居节点j进行双向通信之后，估计节点j相对于节点i的相对时钟速率
Figure RE-FDA0003575009250000011
如下：
Figure RE-FDA0003575009250000012
其中，T是两节点间多次测量的周期间隔，tm-1，tm分别表示第m-1和m次测量的参考时间，Δτi,2(tm)表示利用星历对两个卫星在时刻tm-1到时刻tm相对运动导致的时差补偿量，ρm∈(0,1)是IIR滤波器系数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿的步骤，包括：
将逻辑时钟速率
Figure RE-FDA0003575009250000013
估计转换为时钟速率修正系数λ'i的估计：
λ'i(tm)＝λ'i(tm-1)+Tγ(1-λ'i(tm-1))+TKi
Figure RE-FDA0003575009250000021
Figure RE-FDA0003575009250000022
其中，γ表示分布式控制器参数；Ki表示比例估计器的增益参数；Kp表示积分估计器的增益参数；Ni是与节点i建链测量的临接节点集合；ωi表示PI控制器状态参数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿的步骤之后，还包括：
目标节点i的时钟速率同步误差为：
Figure RE-FDA0003575009250000023
系统的时钟速率误差表示为：
Figure RE-FDA0003575009250000024
根据所述系统的时钟速率误差对同步误差进行约束。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在对时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数的步骤，包括：
在对时钟速率补偿结束后，可以得到每个卫星节点时钟相位偏差的一致性估计，如下式。
Figure RE-FDA0003575009250000025
结合时钟速率同步算法，可以更新每个节点的时钟相位
Figure RE-FDA0003575009250000031
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在对时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数的步骤之前，还包括：
建立误差模型，t时刻时钟读数同步误差为：
Figure RE-FDA0003575009250000032
每个节点i的时钟同步误差为：
Figure RE-FDA0003575009250000033
其中
Figure RE-FDA0003575009250000034
为节点i的虚拟时钟，
Figure RE-FDA0003575009250000035
为节点j的参考时钟读数；
则有：
Figure RE-FDA0003575009250000036
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率的步骤之前，还包括：
建立线性时钟模型可以表示时钟的真实时间特性，目标节点i在参考时间时刻t的物理时钟读数τi(t)可以描述为：
τi(t)＝λit+μi+o(t)
其中λi是时钟速率，μi是时钟初始偏差，o(t)表示时钟读数的高阶小量，对于高精度时钟，在较短测量周期内o(t)可以忽略；
对每个卫星节点i的时钟读数进行线性变换，得到修正的时钟读数，建立一个虚拟逻辑时钟，逻辑时钟与本地时钟之间呈线性关系，可得逻辑时钟的表达式如下：
Figure RE-FDA0003575009250000037
其中，
Figure RE-FDA0003575009250000041
是逻辑时钟读数；
Figure RE-FDA0003575009250000042
是节点i逻辑时钟速率；
Figure RE-FDA0003575009250000043
是节点i逻辑时钟初始偏差；λ'i是t时刻节点i的时钟速率修正系数；μ'i是t时刻节点i的时钟初始偏差修正量。
8.一种分布式卫星网络智能时钟同步装置，其特征在于，所述装置包括：
相对时钟估计模块，用于获取目标节点与所述目标节点的邻居节点，在所述目标节点与邻居节点进行双向通信后，通过相对速率估计算法获得所述目标节点与邻居节点的相对时钟速率；
速率补偿模块，用于根据所述相对时钟速率估计所述目标节点的时钟速率补偿量以对所述目标节点的时钟速率进行补偿；
偏差补偿模块，用于在对所述时钟速率补偿结束后，通过相邻节点时钟读数的加权平均补偿修正本节点时钟读数；
时钟同步模块，用于在所述时钟读数同步误差小于预设阈值时，判定同步成功。
9.一种分布式卫星网络智能时钟同步设备，其特征在于，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的分布式卫星网络智能时钟同步程序，所述分布式卫星网络智能时钟同步程序配置为实现如权利要求1至7中任一项所述的分布式卫星网络智能时钟同步方法的步骤。
10.一种介质，其特征在于，所述介质上存储有分布式卫星网络智能时钟同步程序，所述分布式卫星网络智能时钟同步程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的分布式卫星网络智能时钟同步方法的步骤。
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