CN115981130A - 一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，涉及海洋工程领域。本发明是为了为水下航行器提供统一的时间基准，并且保持长期的时间稳定。本发明所述的一种基于多普勒补偿的水下运动目标授时方法。该方法包通过对目标运动状态的估计实现运动过程中多普勒测量值的修正，补偿因多普勒测量误差带来的时间同步误差，并给出基本的授时结果评估标准。本发明对任意状态目标，通过对其运动状态的估计完成多普勒测量值的补偿，实现任意状态目标的高精度授时。

Description

一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法

技术领域

本发明属于海洋工程领域，尤其涉及海洋大地时间基准技术领域。

背景技术

在综合PNT体系(综合定位导航授时体系)里，水下PNT是综合PNT的重要组成部分。目前水下导航定位的技术与装备研究多种多样，然而授时只停留在理论层面。授时是未来重点发展的方向之一，是PNT服务的核心要素，通过授时，水下航行器才有统一的时间基准，并且保持长期的时间稳定。

现有算时间同步算法中如TSHL算法，仅适用于静态网络。MU-Sync算法，考虑节点移动性，但在节点快速移动或待同步节点响应时间过长时，都会造成较大的误差。DE-Sync算法利用多普勒估计传播延迟，并考虑节点频率偏差，精度较高。但要目标为径向匀速运动，实践中应用困难。

发明内容

本发明是为了为水下航行器提供统一的时间基准，并且保持长期的时间稳定，现提供一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法。

一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，包括以下步骤：

步骤一：待同步节点从同步消息中采集m组时间戳，以及每组时间戳下待同步节点与参考节点间的多普勒尺度因子，同时，待同步节点还实时采集自身速度v和环境声速c；

步骤二：根据下式分别计算每一组时间戳下待同步节点与参考节点间的多普勒尺度因子进行一次修正和二次修正：

其中，i＝1,2,...,m，a_[j]为待同步节点第j次迭代的时钟倾斜且a_[1]＝1，α_AB[i,j]为第j次迭代时第i组时间戳下参考节点至待同步节点的多普勒尺度因子，α_BA[i,j]为第j次迭代时第i组时间戳下待同步节点至参考节点的多普勒尺度因子，α′_AB[i,j]和α′_BA[i,j]分别为α_AB[i,j]和α_BA[i,j]的一次修正结果，α″_AB[i,j]和α″_BA[i,j]分别为α_AB[i,j]和α_BA[i,j]的二次修正结果，T_AB[i]为第i组时间戳下参考节点发射信号长度，T_BA[i]为第i组时间戳下待同步节点接收信号长度，中间变量

T_1[i]和T_4[i]分别为第i组时间戳下参考节点发出和接收消息的本地时刻；

步骤三：根据下式分别求解每一组时间戳下参考节点向待同步节点发送消息的传播时延τ_1[i]和待同步节点向参考节点发送消息的传播时延τ_2[i]：

其中，中间变量

v′和v″分别为待同步节点与参考节点单次交互信息时的起始瞬时速度和结束瞬时速度，T_2[i]和T_3[i]分别为第i组时间戳下待同步节点接收和发出消息的本地时刻；

步骤四：将步骤三的τ_1[i]和τ_2[i]代入下式：

并将T_1[i]和T_4[i]相加获得解算方程：

T_1[i](1+μ_[i,j])+T_4[i](1-μ_[i,j])＝a_[j](T_2[i]+T_3[i])+2b_[j]，

其中，b_[j]为待同步节点第j次迭代的时钟漂移；

步骤五：基于步骤四的解算方程估计第j+1次迭代的时钟倾斜a_[j+1]和时钟漂移b_[j+1]：

[a_[j+1],b_[j+1]]^T＝(H^TH)^-1H^TY_[j]，

其中，Y_[j]为m组时间戳的解算方程矩阵，且表达式为：

H为系数矩阵且表达式为

步骤六：判断下式是否成立，是则执行步骤七，否则使j＝j+1，然后返回步骤二，

a_[j+1]-a_[j]＜10^-6；

步骤七：参考节点向待同步节点广播a_[j+1]和b_[j+1]，由待同步节点自行更新始终参数，实现水下目标授时。

进一步的，待同步节点采集的第i组时间戳中包含的本地时刻为：

其中，t_1[i]和t_4[i]分别为第i组时间戳下参考节点发出和接收消息的实际时刻，t_2[i]和t_3[i]分别为第i组时间戳下待同步节点接收和发出消息的实际时刻，

和

分别为时钟倾斜真值和时钟漂移真值。

进一步的，

进一步的，授时精度η_b为：

其中，E(·)为期望函数，

为时钟漂移真值，b为时钟漂移估计值。

进一步的，守时精度η_a为：

其中，E(·)为期望函数，

为时钟倾斜真值，a为时钟倾斜估计值。

本发明公开了一种基于多普勒补偿的水下运动目标授时方法。该方法包通过对目标运动状态的估计实现运动过程中多普勒测量值的修正，补偿因多普勒测量误差带来的时间同步误差，并给出基本的授时结果评估标准。本发明对任意状态目标，通过对其运动状态的估计完成多普勒测量值的补偿，实现任意状态目标的高精度授时。

附图说明

图1为待同步节点与参考节点之间的交互示意图；

图2为线性时钟误差模型图，其中T_L为偏移时间轴，T_G为标准时间轴；

图3为具体实施方式所述一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法的流程图。

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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，水下信息节点中的待同步节点与参考节点之同步传递消息。待同步节点从同步消息中采集m组时间戳，以及每组时间戳下待同步节点与参考节点间的多普勒尺度因子，同时，待同步节点还实时采集自身速度v和环境声速c。每组时间戳中均包括参考节点发出消息的本地时刻T₁和接收消息的本地时刻T₄以及待同步节点接收消息的本地时刻T₂和发出消息的本地时刻T₃。多普勒尺度因子包括参考节点至待同步节点的多普勒尺度因子α_AB和待同步节点至参考节点的多普勒尺度因子α_BA。

假设当前迭代下，待同步节点采集的第i组时间戳中包含的本地时刻为：

其中，i＝1,2,...,m，t_1[i]和t_4[i]分别为第i组时间戳下参考节点发出和接收消息的实际时刻，t_2[i]和t_3[i]分别为第i组时间戳下待同步节点接收和发出消息的实际时刻，

和

分别为时钟倾斜真值和时钟漂移真值。此时

和

未知。

且有：

其中，τ_1[i]为第i组时间戳下参考节点向待同步节点发送消息的传播时延，τ_2[i]为第i组时间戳下待同步节点向参考节点发送消息的传播时延。

所以有

基于以上关系式，一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，具体为：

步骤一：假设当前迭代次数为j，根据下式分别计算每一组时间戳下待同步节点与参考节点间的多普勒尺度因子进行一次修正和二次修正：

其中，i＝1,2,...,m，a_[j]为待同步节点第j次迭代的时钟倾斜且a_[1]＝1，α_AB[i,j]为第j次迭代时第i组时间戳下参考节点至待同步节点的多普勒尺度因子，α_BA[i,j]为第j次迭代时第i组时间戳下待同步节点至参考节点的多普勒尺度因子，α′_AB[i,j]和α′_BA[i,j]分别为α_AB[i,j]和α_BA[i,j]的一次修正结果，α″_AB[i,j]和α″_BA[i,j]分别为α_AB[i,j]和α_BA[i,j]的二次修正结果，T_AB[i]为第i组时间戳下参考节点发射信号长度，T_BA[i]为第i组时间戳下待同步节点接收信号长度，中间变量

T_1[i]和T_4[i]分别为第i组时间戳下参考节点发出和接收消息的本地时刻。

步骤二：根据下式分别求解每一组时间戳下参考节点向待同步节点发送消息的传播时延τ_1[i]和待同步节点向参考节点发送消息的传播时延τ_2[i]：

其中，中间变量

v′和v″分别为待同步节点与参考节点单次交互信息时的起始瞬时速度和结束瞬时速度，T_2[i]和T_3[i]分别为第i组时间戳下待同步节点接收和发出消息的本地时刻。

步骤三：将步骤二的τ_1[i]和τ_2[i]代入下式：

并将T_1[i]和T_4[i]相加获得第j次迭代时的解算方程：

T_1[i](1+μ_[i,j])+T_4[i](1-μ_[i,j])＝a_[j](T_2[i]+T_3[i])+2b_[j]，

其中，b_[j]为待同步节点第j次迭代的时钟漂移。

步骤四：基于步骤三的解算方程估计第j+1次迭代的时钟倾斜a_[j+1]和时钟漂移b_[j+1]：

[a_[j+1],b_[j+1]]^T＝(H^TH)^-1H^TY_[j]，

其中，Y_[j]为m组时间戳的解算方程矩阵，且表达式为：

H为系数矩阵且表达式为

步骤五：判断下式是否成立，是则执行步骤六，否则使j＝j+1，然后返回步骤二，

a_[j+1]-a_[j]＜10^-6。

步骤六：参考节点向待同步节点广播a_[j+1]和b_[j+1]，由待同步节点自行更新始终参数，实现水下目标授时。

试验时，授时精度η_b为：

守时精度η_a为：

其中，E(·)为期望函数，b为时钟漂移估计值，a为时钟倾斜估计值。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：待同步节点从同步消息中采集m组时间戳，以及每组时间戳下待同步节点与参考节点间的多普勒尺度因子，同时，待同步节点还实时采集自身速度v和环境声速c；

步骤二：根据下式分别计算每一组时间戳下待同步节点与参考节点间的多普勒尺度因子进行一次修正和二次修正：

其中，i＝1,2,...,m，a_[j]为待同步节点第j次迭代的时钟倾斜且a_[1]＝1，α_AB[i,j]为第j次迭代时第i组时间戳下参考节点至待同步节点的多普勒尺度因子，α_BA[i,j]为第j次迭代时第i组时间戳下待同步节点至参考节点的多普勒尺度因子，α′_AB[i,j]和α′_BA[i,j]分别为α_AB[i,j]和α_BA[i,j]的一次修正结果，α″_AB[i,j]和α″_BA[i,j]分别为α_AB[i,j]和α_BA[i,j]的二次修正结果，T_AB[i]为第i组时间戳下参考节点发射信号长度，T_BA[i]为第i组时间戳下待同步节点接收信号长度，中间变量

T_1[i]和T_4[i]分别为第i组时间戳下参考节点发出和接收消息的本地时刻；

步骤三：根据下式分别求解每一组时间戳下参考节点向待同步节点发送消息的传播时延τ_1[i]和待同步节点向参考节点发送消息的传播时延τ_2[i]：

其中，中间变量

v′和v″分别为待同步节点与参考节点单次交互信息时的起始瞬时速度和结束瞬时速度，T_2[i]和T_3[i]分别为第i组时间戳下待同步节点接收和发出消息的本地时刻；

步骤四：将步骤三的τ_1[i]和τ_2[i]代入下式：

并将T_1[i]和T_4[i]相加获得解算方程：

T_1[i](1+μ_[i,j])+T_4[i](1-μ_[i,j])＝a_[j](T_2[i]+T_3[i])+2b_[j]，

其中，b_[j]为待同步节点第j次迭代的时钟漂移；

步骤五：基于步骤四的解算方程估计第j+1次迭代的时钟倾斜a_[j+1]和时钟漂移b_[j+1]：

[a_[j+1],b_[j+1]]^T＝(H^TH)^-1H^TY_[j]，

其中，Y_[j]为m组时间戳的解算方程矩阵，且表达式为：

H为系数矩阵且表达式为

步骤六：判断下式是否成立，是则执行步骤七，否则使j＝j+1，然后返回步骤二，

a_[j+1]-a_[j]＜10^-6；

步骤七：参考节点向待同步节点广播a_[j+1]和b_[j+1]，由待同步节点自行更新始终参数，实现水下目标授时。

2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，其特征在于，待同步节点采集的第i组时间戳中包含的本地时刻为：

其中，t_1[i]和t_4[i]分别为第i组时间戳下参考节点发出和接收消息的实际时刻，t_2[i]和t_3[i]分别为第i组时间戳下待同步节点接收和发出消息的实际时刻，

和

分别为时钟倾斜真值和时钟漂移真值。

3.根据权利要求2所述的一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，其特征在于，

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，其特征在于，授时精度η_b为：

其中，E(·)为期望函数，

为时钟漂移真值，b为时钟漂移估计值。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于多普勒补偿的水下目标授时方法，其特征在于，守时精度η_a为：

其中，E(·)为期望函数，

为时钟倾斜真值，a为时钟倾斜估计值。

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