CN116506802A - 面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法 - Google Patents

面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法。本发明方法首先进行参数初始化，信标节点的时间同步消息广播，普通节点进行时钟偏移率估计和时钟偏移估计，普通节点根据时钟偏移率估计值和时钟偏移估计值对本地时间进行校正。本发明方法考虑到常见的水下节点时间同步算法中假设双向交换时间同步消息的往返传播时延相同，在分布式海洋流场声学测量场景中时间同步估计性能会因海洋流速带来的误差而降低，对流速误差项进行了分析与补偿；并结合水下节点时间同步与海洋流场测量过程，在得到节点时间同步估计结果后计算并修正节点间的海洋流速，实现海洋流速与节点时间同步参数的联合估计，时间同步精度得到有效提升。

Description

面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法
技术领域
本发明属于水下节点时间同步技术领域，涉及一种面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法，具体是将海洋流场测量与节点时间同步过程有机结合，进行海洋流速与时间同步参数的联合估计。
背景技术
声学测量方法是大范围海洋环境观测的主要方法之一。声波是进行水下中远距离通信的最佳信息载体，是当前水下环境中参数测量与传输数据的主要手段。同样地，分布式水声传感系统是海洋流场测量的新颖手段。
基于声学的海洋流场测量方法是根据节点间声波的传播时间差反演流速，对水下节点时钟与节点间的时间同步有着较高要求。因硬件资源限制，普通节点的本地时间难以与参考时钟保持同步，长时间运行会导致本地时间的误差累计。若不对时间进行同步校正，将会影响数据采集与测量的时间准确性，导致流速计算出现错误，因此时间同步对流场测量有着至关重要的作用。由于水下声波传播时延大、水下设备能源受限等因素，现有的较为成熟的时间同步方法，如网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)和洪泛时间同步协议(Flooding Time Synchronization Protocol，FTSP)等，并不适用于水声传感系统。
为了解决水声传感网络中大传播时延问题，大部分水下时间同步算法都采用双向消息交换方式，例如大延迟网络时间同步(Time Synchronization for High LatencyNetworks，TSHL)算法，完成时钟频率偏移和相位偏移的补偿。上述方法需要水下节点相互通信以比较和校准时钟，实现节点时钟同步；同时，通过多次信息交互，对传播时延进行计算并进行补偿，从而更好地估计时钟偏移。与单向水下节点时间同步协议相比，双向交互水下节点时间同步协议可以更准确地估计时延，同时也具有更高的可靠性和稳定性。
专利号201910491113.9的发明专利公开了一种基于伪距进行水下节点时间同步和定位的联合估计方法。基准节点定时广播带有时间戳和位置信息的数据包，待定位节点可以根据数据包信息进行时间同步和定位，不需要发送任何数据包。其局限在于水下节点至少需要三个基准节点进行辅助定位与同步，并且需位于基准节点包围区间内以确保定位精度，由于水下声波通信距离限制，对基准节点的数量有一定要求。申请号202010906496.4的发明专利申请公开了一种基于双向时间比对的水下时间同步方法，在两个时间同步节点之间将原子钟的时间进行编码并调制到激光信号上双向传递。利用双向解码出来的时间信号计算得到两个节点之间的时延，进而调整各自的时延。此方法采用激光进行水下通信，有效通信距离短，对工作环境要求较高，且设备中携带的原子钟成本高昂，不利于大规模的水下通信网络应用。专利号202210938343.7的发明专利公布了一种基于多普勒辅助的时间同步方法，利用分簇模型分阶段分组实现节点间时间同步，同时在估计多普勒尺度因子时考虑时钟频率偏斜的影响，通过多次单向交互求解时钟频偏和一次双向交互得到时钟相偏，完成时间同步过程。该方法需进行多次交互过程计算均值以获得多普勒因子与时钟频率偏移的估计值，且当簇首节点出现时间同步误差后，会将该误差传播至该分簇内的所有节点。此外，上述专利中所公开的方法都存在共同问题，即在进行双向消息交互时，假设往返传播时间相同，与实际情况不符。
在水下声波大传播时延条件下，设计节点时间同步算法，基本工作机理是通过节点与基准节点交换时间同步消息估计本地的时钟偏差。但是，考虑到水下节点能源受限，为延长节点的工作时间，需尽量少参与消息收发过程；在水下节点存储资源和计算资源有限的情况下，时间同步算法也不宜过于复杂。同时，在现有基于双向消息交换的水下节点时间同步算法中，均以水声信道互易性为前提，忽略了流速导致正反向传播时延之间的差异性。结合分布式海洋流场声学测量场景，进行海洋流速与节点时钟参数的联合估计，是一个非常有应用价值的问题。
发明内容
本发明的目的是在分布式海洋流场声学测量场景中，针对水下节点能量受限、水声信号传播时延大，以及流速对信号传播时间的影响等问题，结合海洋流速声学测量与水下节点时间同步过程，提供一种面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法，实现节点间海洋流速和节点时钟偏移的准确估计。
本发明所应用的场景：分布式水声传感系统中具有标准参考时钟(如系统中包含GPS模块或高精度原子钟等)的节点为信标节点B，需进行时间同步的节点构成普通节点集合Nk表示第k个普通节点，k＝1,2,…,K，K为普通节点数量；每个普通节点与信标节点进行时间同步的原理与过程均相同。
在分布式水声传感系统中，水下声学感知节点需要使用相同的时钟单位，并且由每个普通节点内部的晶振确定各自的时间。由于制造工艺、阈值设计等因素的差异，晶振实际产生的频率和所设计的频率并不一致；且在运行过程中晶振也不是恒定地输出相同频率的信号，会因温湿度等外界条件或者自身老化等内部原因而改变。
由晶振频率误差引起的偏差用时钟偏移率描述，第k个普通节点在t时刻的时钟偏移率ak(t)＝fk(t)/f0，fk(t)表示实际工作频率，f0表示标称频率；将参考时间t＝0时每个普通节点本地时间与标准时间的差值称作时钟偏移，第k个普通节点的时钟偏移bk＝τk(0)，τk表示第k个普通节点的本地时间。
如果水下节点在温湿度等条件相对稳定的环境中工作，可以假设其时钟频率偏移在一段时间里不会变化，即ak(t)＝ak。节点的内部硬件时间跟标准参考时间呈线性相关，采用线性时钟模型描述水下节点的时钟偏移情况，τk(t)＝akt+bk。
每个普通节点Nk的时间同步方法具体如下：
步骤(1)参数初始化：
初始化信标节点与普通节点之间的海洋流速v，设置节点间的空间距离d、水下等效声速c、信标节点广播时间同步消息的发送间隔T和发送数量N、信标节点的时间同步消息处理时间Δtb,p和普通节点的时间同步消息处理时间Δtn,p。
步骤(2)信标节点的时间同步消息广播：
信标节点以发送间隔T向普通节点发送N条时间同步消息，每条时间同步消息中携带消息发送时的信标节点本地时间戳i为发送时间同步消息次数，1≤i≤N，下标b表示信标节点。
步骤(3)普通节点的时钟偏移率估计：
(3-1)普通节点接收到信标节点广播的时间同步消息后，分别记录每条消息到达时的普通节点本地时间戳下标n表示普通节点，并从时间同步消息中解析出信标节点发送时间同步消息时的信标节点本地时间戳/>
(3-2)根据时钟模型τk(t)＝akt+bk，接收时间戳与发送时间戳/>之间的关系为Δtd-为信标节点到普通节点间的消息传播时延，/>为普通节点的接收时间同步消息时间抖动误差；
(3-3)选取接收到的第条时间同步消息作为主消息，/>表示向下取整；将其它(N-1)条时间同步消息与主消息比较，得到第i次时钟偏移率a的估计值由于/>为了避免单次估计过程中出现偶然误差，对(N-1)次估计结果做平均，得到最终的时钟偏移率估计值
步骤(4)普通节点的时钟偏移估计：
(4-1)普通节点向信标节点发送同步请求消息，记录消息发送时的普通节点本地时间戳
(4-2)经过传播时延Δtd+后，信标节点接收到普通节点发送的同步请求消息，记录消息接收时的信标节点本地时间戳并回复同步应答消息，同步应答消息中同时携带有信标节点接收到同步请求消息时的信标节点本地时间戳/>与应答消息发送时的信标节点本地时间戳/>
(4-3)经过传播时延Δtd-后，普通节点接收到信标节点回复的同步应答消息，记录消息接收时的普通节点本地时间戳并从同步应答消息中解析出信标节点处所记录的两个时间戳/>和/>
(4-4)上述四个时间戳之间的对应关系为 为信标节点的接收同步请求消息时间抖动误差，/>为普通节点的接收同步应答消息时间抖动误差，Δtd+为普通节点到信标节点间的消息传播时延，得到时钟偏移b的估计值 为海洋流速引起的误差，且/>则时钟偏移的估计值由于时钟偏移估计值
(4-5)消息交换过程的时间戳相应的标准时间为根据校正后的时间戳数据计算节点间的海洋流速/>
(4-6)重新计算普通节点的时钟偏移估计值，得到最终的时钟偏移估计值
步骤(5)输出节点时间同步的时钟偏移率估计值和时钟偏移估计值/>
步骤(6)普通节点Nk根据估计值和/>对本地时间进行校正。
本发明方法考虑到常见的水下节点时间同步算法中假设双向交换时间同步消息的往返传播时延相同，在分布式海洋流场声学测量场景中时间同步估计性能会因海洋流速带来的误差而降低，对流速误差项进行了分析与补偿；并结合水下节点时间同步与海洋流场测量过程，在得到节点时间同步估计结果后计算并修正节点间的海洋流速，实现海洋流速与节点时间同步参数的联合估计，时间同步精度得到有效提升。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为时钟模型示意图；
图3为联合估计方法中时钟频率偏移估计过程时间同步消息发送时序图；
图4为联合估计方法中时钟相位偏移估计过程时间同步消息发送时序图。
具体实施方式
以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细说明。
面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法，其流程如图1所示，所采用的时钟模型如图2所示。具体通过以下步骤实现：
步骤(1)参数初始化：
初始化信标节点与普通节点之间的海洋流速v＝0.6m/s，设置节点间的空间距离d＝1km，水下等效声速c＝1496m/s，信标节点广播时间同步消息的发送间隔T＝1s和发送数量N＝10，信标节点的时间同步消息处理时间Δtb,p＝80ms，普通节点的时间同步消息处理时间Δtn,p＝80ms。
步骤(2)信标节点的时间同步消息广播：
信标节点以1s的发送间隔向普通节点发送10条时间同步消息，每条时间同步消息中携带消息发送时的信标节点本地时间戳i为发送时间同步消息次数，1≤i≤10，下标b表示信标节点，如图3所示。
步骤(3)普通节点的时钟偏移率估计：
(3-1)普通节点接收到信标节点广播的时间同步消息后，分别记录每条消息到达时的普通节点本地时间戳下标n表示普通节点，并从时间同步消息中解析出信标节点发送时间同步消息时的信标节点本地时间戳/>
(3-2)根据时钟模型τk(t)＝akt+bk，接收时间戳与发送时间戳/>之间的关系为Δtd-为信标节点到普通节点间的消息传播时延，/>为普通节点的接收时间同步消息时间抖动误差；
(3-3)选取接收到的第5条时间同步消息作为主消息，将其它9条时间同步消息与主消息比较，得到第i次时钟偏移率a的估计值由于为了避免单次估计过程中出现偶然误差，对9次估计结果做平均，得到最终的时钟偏移率估计值/>
步骤(4)普通节点的时钟偏移估计：
(4-1)普通节点向信标节点发送同步请求消息，记录消息发送时的普通节点本地时间戳
(4-2)经过传播时延Δtd+后，信标节点接收到普通节点发送的同步请求消息，记录消息接收时的信标节点本地时间戳并回复同步应答消息，同步应答消息中同时携带有信标节点接收到同步请求消息时的信标节点本地时间戳/>与应答消息发送时的信标节点本地时间戳/>
(4-3)经过传播时延Δtd-后，普通节点接收到信标节点回复的同步应答消息，记录消息接收时的普通节点本地时间戳并从同步应答消息中解析出信标节点处所记录的两个时间戳/>与/>
(4-4)如图4所示，上述四个时间戳之间的对应关系为 为信标节点的接收同步请求消息时间抖动误差，/>为普通节点的接收同步应答消息时间抖动误差，Δtd+为普通节点到信标节点间的消息传播时延，得到时钟偏移b的估计值 为海洋流速引起的误差，且/>则时钟偏移b的估计值由于时钟偏移估计值
(4-5)消息交换过程的时间戳相应的标准时间为根据校正后的时间戳数据计算节点间的海洋流速/>
(4-6)重新计算普通节点的时钟偏移估计值，得到最终的时钟偏移估计值
步骤(5)输出节点时间同步的时钟偏移率估计值和时钟偏移估计值
步骤(6)普通节点Nk根据估计值和/>对本地时间进行校正。
上述对实施例的描述仅仅是对本发明实现形式的列举，本发明的保护范围不应限于实施例所述的具体形式，本领域技术人员根据本发明的揭示对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.面向分布式海洋流场声学测量的水下节点时间同步方法，分布式水声传感系统中具有标准参考时钟(如系统中包含GPS模块或高精度原子钟等)的节点为信标节点B，需进行时间同步的节点构成普通节点集合Nk表示第k个普通节点，k＝1,2,…,K，K为普通节点数量；
在分布式水声传感系统中，水下声学感知节点使用相同的时钟单位，并且由每个普通节点内部的晶振确定各自的时间；由晶振频率误差引起的偏差用时钟偏移率描述，第k个普通节点在t时刻的时钟偏移率ak(t)＝fk(t)/f0，fk(t)表示实际工作频率，f0表示标称频率；时钟偏移为参考时间t＝0时每个普通节点本地时间与标准时间的差值，第k个普通节点的时钟偏移bk＝τk(0)，τk表示第k个普通节点的本地时间；设定时钟模型τk(t)＝akt+bk；
其特征在于，每个普通节点Nk的时间同步方法具体如下：
步骤(1)参数初始化：
初始化信标节点与普通节点之间的海洋流速v，设置节点间的空间距离d、水下等效声速c、信标节点广播时间同步消息的发送间隔T和发送数量N、信标节点的时间同步消息处理时间Δtb,p和普通节点的时间同步消息处理时间Δtn,p；
步骤(2)信标节点的时间同步消息广播：
信标节点以发送间隔T向普通节点发送N条时间同步消息，每条时间同步消息中携带消息发送时的信标节点本地时间戳i为发送时间同步消息次数，1≤i≤N，下标b表示信标节点；
步骤(3)普通节点的时钟偏移率估计：
(3-1)普通节点接收到信标节点广播的时间同步消息后，分别记录每条消息到达时的普通节点本地时间戳下标n表示普通节点，并从时间同步消息中解析出信标节点发送时间同步消息时的信标节点本地时间戳/>
(3-2)根据时钟模型τk(t)＝akt+bk，接收时间戳与发送时间戳/>之间的关系为Δtd-为信标节点到普通节点间的消息传播时延，/>为普通节点的接收时间同步消息时间抖动误差；
(3-3)选取接收到的第条时间同步消息作为主消息，/>表示向下取整；将其它(N-1)条时间同步消息与主消息比较，得到第i次时钟偏移率a的估计值对(N-1)次估计结果做平均，得到最终的时钟偏移率估计值/>
步骤(4)普通节点的时钟偏移估计：
(4-1)普通节点向信标节点发送同步请求消息，记录消息发送时的普通节点本地时间戳
(4-2)经过传播时延Δtd+后，信标节点接收到普通节点发送的同步请求消息，记录消息接收时的信标节点本地时间戳并回复同步应答消息，同步应答消息中同时携带有信标节点接收到同步请求消息时的信标节点本地时间戳/>与应答消息发送时的信标节点本地时间戳/>
(4-3)经过传播时延Δtd-后，普通节点接收到信标节点回复的同步应答消息，记录消息接收时的普通节点本地时间戳并从同步应答消息中解析出信标节点处所记录的两个时间戳/>和/>
(4-4)四个时间戳之间的对应关系为 为信标节点的接收同步请求消息时间抖动误差，/>为普通节点的接收同步应答消息时间抖动误差，Δtd+为普通节点到信标节点间的消息传播时延；
得到时钟偏移的估计值：
海洋流速引起的误差/>
(4-5)消息交换过程的时间戳相应的标准时间为根据校正后的时间戳数据计算节点间的海洋流速/>
(4-6)重新计算普通节点的时钟偏移估计值，得到最终输出的时钟偏移估计值
步骤(5)输出节点时间同步的时钟偏移率估计值和时钟偏移估计值/>
步骤(6)普通节点Nk根据估计值和/>对本地时间进行校正。
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