CN219347694U - 一种动态场景下的双向时间同步系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态场景下的双向时间同步系统，包括进行时间同步信号双向传递的第一移动目标和第二移动目标，第一移动目标和第二移动目标之间无线通信连接，所述时间同步信号包括第一信号和第二信号，第一信号早于第二信号；第一移动目标包括解码模块、编码模块、时间间隔测量模块、钟差计算模块、距离计算模块和位置传感器。本实用新型通过位置传感器和距离计算模块的设置使得两个移动目标之间的双向路径传输延迟可计算得出，从而克服了双向时间传递过程中的路径非对称性问题，同时结合移动目标之间的无线通信连接，实现了精度高、灵活性强以及便捷性高的动态场景下近距离移动目标之间的双向时间同步系统。

Description

一种动态场景下的双向时间同步系统

技术领域

本实用新型属于时间同步技术领域，具体涉及一种动态场景下的双向时间同步系统。

背景技术

高精度的时间同步技术在导航定位、信息传输与交换、科学研究等方面具有重大应用价值。两个目标之间的时间同步是指通过一定的软硬件处理，使得两站之间的时间差逼近于零，主要有单向和双向两大类技术方案。单向时间同步，即主站将参考脉冲传递给从站，将扣除路径延迟后的时间作为从站的同步时间，此种技术方案精度较低，并且受环境因素影响较大。双向时间同步则在一定程度上克服了路径延迟误差，达到了很高的同步精度。常见的双向时间同步包括基于导航卫星的双向时间同步、光纤双向时间同步、自由空间激光或微波双向时间同步等。双向时间同步技术主要实现方式为：通过硬件编码的方式将目标A的参考脉冲编码后，目标A的参考脉冲将以硬件时间戳的形式标记在待传输至目标B的时间同步信号上，目标B同样基于硬件时间戳技术对该时间戳进行解码，然后根据时延值及相应的路径延迟参数获取两个目标之间的钟差，目标A根据该钟差调整其本地时钟至与目标B的本地时钟同步，和/或，目标B根据该钟差调整其本地时钟至与目标A的本地时钟同步。在多节点的通信网络中，硬件时间戳技术还需要结合特定的时间同步协议，如IEEE 1588协议、白兔时间协议等，才能完成相应的功能。

基于导航卫星的双向时间同步技术的研究和应用主要集中在针对地面大型的静止目标，例如某些观测站、实验室和大科学装置等，且能够达到纳秒级的同步精度、灵活方便以及作用距离长，但是该技术存在一定的系统误差，包括卫星运动引起的到达时间误差、地球运动引起的传输路径不对称误差以及环境因素引起的延迟漂移等，这些因素会造成高达十几纳秒的误差，对于可靠性要求较高的场合此方案存在安全隐患，并且对于动态场景，两个需进行时间同步的移动目标之间存在复杂的相对运动，上行链路和下行链路的不对称性限制了该技术的应用。

基于自由空间的激光或微波双向时间同步技术的灵活性较高，但是时间同步的距离有限。同时，采用红外激光作为介质，两个目标之间需严格的进行实时准直，若准直失败，那么光路就会发生偏斜，从而导致无法获取信号，最终时间同步失败，可见，在动态场景下基于红外激光的自由空间双向时间同步技术受到了限制；采用微波信号作为介质，两个目标之间均无法感知对方的位置信息，在动态场景下，两个目标之间的相对运动造成的传输路径不对称性无法消除，可见，在动态场景下现有基于微波信号的自由空间双向时间同步技术也受到了限制。

光纤双向时间同步技术大多应用于长距离和超长距离的目标间的时间同步，例如在城域、洲际间进行科学实验、长基线干涉应用等，而且目标基本为静态目标，该技术整体成本较高，不适合作为一般目标的应用解决方案，且灵活性较差。可见，在动态场景下光纤双向时间同步技术也受到了限制。

有鉴于此，在动态场景下的移动目标间的双向时间同步方案亟待提出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种动态场景下的双向时间同步系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种动态场景下的双向时间同步系统，包括进行时间同步信号双向传递的第一移动目标和第二移动目标，第一移动目标和第二移动目标之间无线通信连接，所述时间同步信号包括第一信号和第二信号，第一信号早于第二信号；第一移动目标包括解码模块、编码模块、时间间隔测量模块、钟差计算模块、距离计算模块和位置传感器；

解码模块用于接收第二移动目标发送的第一信号和第二信号，第二移动目标发送的第一信号包含有第一位置戳和第二移动目标的时间戳，第二移动目标发送的第二信号包含有第二位置戳和第一时延值，解码模块对第一位置戳进行解码后得到第一坐标、对第二位置戳进行解码后得到第二坐标、对第二移动目标的时间戳进行解码后得到第二参考脉冲以及对第一时延值进行解码，并将第一坐标和第二坐标发送至距离计算模块、将第二参考脉冲发送至时间间隔测量模块以及将解码后的第一时延值发送至钟差计算模块；

其中，第一坐标为第二移动目标发送第一信号时的位置坐标，第二坐标为第二移动目标接收到第一移动目标发送的第一信号时的位置坐标，第一时延值为第一移动目标的时间戳到达第二移动目标时发生的延迟，第一移动目标的时间戳由编码模块根据第一移动目标的参考脉冲生成；

时间间隔测量模块用于测量第一移动目标的参考脉冲与第二参考脉冲之间的时间间隔后得到第二时延值，并将第二时延值发送至钟差计算模块；

位置传感器用于测量第三坐标和第四坐标，并将第三坐标和第四坐标发送至距离计算模块，所述第三坐标为第一移动目标发送第一信号时的位置坐标，第四坐标为第一移动目标接收到第二移动目标发送的第一信号时的位置坐标；

距离计算模块用于根据第三坐标和第二坐标计算得到第一距离值，以及根据第一坐标和第四坐标计算得到第二距离值，并将第一距离值和第二距离值发送至钟差计算模块，第一距离值为第一移动目标发送的第一信号传输至第二移动目标的路径距离值，第二距离值为第二移动目标发送的第一信号传输至第一移动目标的路径距离值；

钟差计算模块用于根据第一时延值、第二时延值、第一距离值和第二距离值计算得到第一移动目标与第二移动目标之间的钟差。

优选地，所述第一移动目标还包括本地时钟模块、调制模块、解调模块和无线通信模块；

所述本地时钟模块用于输出第一移动目标的参考脉冲，并将该参考脉冲发送至编码模块；所述时间间隔测量模块还用于将所述第二时延值发送至编码模块；

所述编码模块用于根据第一移动目标的参考脉冲生成第一移动目标的时间戳，并将第一

移动目标的时间戳发送至调制模块；

所述编码模块还用于接收位置传感器发送的第三坐标和第四坐标，并对所述第三坐标进

行编码，编码后得到第三位置戳，以及对所述第四坐标进行编码，编码后得到第四位置戳，然后将第三位置戳和第四位置戳发送至调制模块；

所述编码模块还用于接收第二时延值，并对所述第二时延值进行编码，然后将编码后的第二时延值发送至调制模块；

所述调制模块用于接收第一移动目标的时间戳、编码后的第二时延值、第三位置戳和第四位置戳，并对第一移动目标的时间戳和第三位置戳进行载波调制，调制后生成第一移动目标的第一信号，以及对编码后的第二时延值和第四位置戳进行载波调制，调制后生成第一移动目标的第二信号，并将该第一信号和该第二信号发送至无线通信模块；

所述无线通信模块用于将第一移动目标的第一信号和第二信号发送至第二移动目标，以及接收第二移动目标发送的第一信号和第二信号，并将第二移动目标发送的第一信号和第二信号发送至所述解调模块；

所述解调模块用于对第二移动目标发送的第一信号和第二信号进行解调，并将解调后的第二移动目标发送的第一信号和第二信号发送至解码模块。

优选地，所述无线通信模块为微波通信模块。

优选地，所述微波通信模块包括双工器和微波天线，所述双工器分别与调制模块、解调模块和微波天线连接。

优选地，所述第一移动目标还包括时延调整模块，所述时延调整模块用于接收钟差计算模块输出的所述钟差，并根据所述钟差校正本地时钟模块内的本地时钟源。

本实用新型的有益效果是：

（1）、通过位置传感器的设置，获取到两个进行双向时间同步的近距离移动目标的位置坐标，上述位置坐标包括第一坐标、第二坐标、第三坐标和第四坐标，其中第一坐标为第二移动目标发送第一信号时刻的位置坐标，第二坐标为第二移动目标接收到第一移动目标发送的第一信号时，第二移动目标的位置传感器即刻获取的第二移动目标的实时位置坐标，第三坐标为第一移动目标发送第一信号时刻的位置坐标，第四坐标为第一移动目标接收到第二移动目标发送的第一信号时，第一移动目标的位置传感器即刻获取的第一移动目标的实时位置坐标，然后计算出两个移动目标之间的双向路径传输延迟，从而克服了双向时间传递过程中的路径非对称性问题，同时结合移动目标之间的无线通信连接，实现了精度高、灵活性强以及便捷性高的动态场景下近距离移动目标之间的双向时间同步系统。

（2）、通过微波通信实现移动目标之间时间同步信号的无线传输，相较于现有技术中的基于导航卫星的双向时间同步技术和自由空间红外激光双向时间同步技术而言，更加适用于对时间同步可靠性要求高的场景，因此本实用新型实现的双向时间同步系统也兼顾了较高的可靠性。

附图说明

图1为动态场景下的双向时间同步系统的一种组成框图；

图2为图1中第一移动目标A的放大示意图；

图3为图1中第二移动目标B的放大示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1至图3，本实施例提供了一种动态场景下的双向时间同步系统，用于动态场景下的近距离移动目标之间的双向时间同步。

具体的，一种动态场景下的双向时间同步系统包括进行双向时间同步的第一移动目标A和第二移动目标B，第一移动目标A和第二移动目标B的内部结构相同，并且第一移动目标A和第二移动目标B之间的双向时间同步信号的传递基于无线通信传输，本实施例中，无线通信传输方式为微波通信。其中，时间同步信号包括第一信号和第二信号，且第一信号早于第二信号。

第一移动目标A包括解码模块、编码模块、时间间隔测量模块、钟差计算模块、距离计算模块、位置传感器、调制模块、解调模块、时延调整模块、本地时钟模块和无线通信模块。

本地时钟模块用于输出第一移动目标A的参考脉冲，并将该参考脉冲发送至编码模块。

无线通信模块用于接收第二移动目标B发送的第一信号和第二信号，并将第二移动目标B发送的第一信号和第二信号发送至解调模块。

解调模块用于对第二移动目标B发送的第一信号和第二信号进行解调，然后将解调后的第二移动目标B发送的第一信号和第二信号传输至解码模块。

解码模块用于接收第二移动目标B发送的第一信号和第二信号，第二移动目标B发送的第一信号中包含有第一位置戳和第二移动目标B的时间戳，第二移动目标B发送的第二信号包含有第二位置戳和第一时延值，解码模块对第一位置戳进行解码后得到第一坐标、对第二位置戳进行解码后得到第二坐标、对第二移动目标B的时间戳进行解码后得到第二参考脉冲以及对第一时延值进行解码，并将第一坐标和第二坐标发送至距离计算模块、将第二参考脉冲发送至时间间隔测量模块以及将解码后的第一时延值发送至钟差计算模块。其中，第一坐标为第二移动目标B发送第一信号时的位置坐标，第二坐标为第二移动目标B接收到第一移动目标A发送的第一信号时的位置坐标，第一时延值为第一移动目标A的参考脉冲到达第二移动目标B时发生的延迟，第二移动目标B的时间戳由第二移动目标B内的编码模块根据第二移动目标B的参考脉冲生成。

时间间隔测量模块用于测量第一移动目标A的参考脉冲与第二参考脉冲之间的时间间隔后得到第二时延值，并将第二时延值发送至钟差计算模块，且还将第二时延值发送至编码模块。本实施例中，时间间隔测量模块为时间间隔计数器。

位置传感器用于测量第三坐标和第四坐标，并将第三坐标和第四坐标发送至距离计算模块，且还将第三坐标和第四坐标发送至编码模块。第三坐标为第一移动目标A发送第一信号时的位置坐标，第四坐标为第一移动目标A接收到第二移动目标B发送的第一信号时的位置坐标。

距离计算模块用于根据第三坐标和第二坐标计算得到第一距离值，以及根据第一坐标和第四坐标计算得到第二距离值，并将第一距离值和第二距离值发送至钟差计算模块，第一距离值为第一移动目标A发送的第一信号传输至第二移动目标B的路径距离值，第二距离值为第二移动目标B发送的第一信号传输至第一移动目标A的路径距离值。

钟差计算模块用于根据第一时延值、第二时延值、第一距离值和第二距离值计算得到第一移动目标A与第二移动目标B之间的钟差。

时延调整模块用于接收钟差计算模块输出的钟差，并根据钟差校正本地时钟模块内的本地时钟源。

编码模块用于根据第一移动目标A的参考脉冲生成第一移动目标A的时间戳，并将第一移动目标的时间戳发送至调制模块。编码模块还用于对第三坐标进行编码，编码后得到第三位置戳，以及对第四坐标进行编码，编码后得到第四位置戳，然后将第三位置戳和第四位置戳发送至调制模块。编码模块还用于对第二时延值进行编码，然后将编码后的第二时延值发送至调制模块。

调制模块用于接收第一移动目标A的时间戳、编码后的第二时延值、第三位置戳和第四位置戳，并对第一移动目标A的时间戳和第三位置戳进行载波调制，调制后生成第一移动目标A的第一信号，以及对编码后的第二时延值和第四位置戳进行载波调制，调制后生成第一移动目标A的第二信号，并将该第一信号和该第二信号发送至无线通信模块。

无线通信模块还用于将第一移动目标A的第一信号和第二信号发送至第二移动目标B。

具体地，无线通信模块为微波通信模块。微波通信模块包括双工器和微波天线，双工器分别与调制模块、解调模块和微波天线连接。

本实施例中的各个位置戳均基于经位置传感器获取的位置坐标生成，并且编码模块基于普通实施例中的编码生成方式。类似于将参考脉冲加载到后续可进行微波传输的信号中，然后将包含了参考脉冲信息的编码后信号称之为加了“时间戳”，将位置坐标信息加载到后续可进行微波传输的信号中，同理可得，将包含了位置坐标信息的编码后信号称之为还加上了“位置戳”，因此位置戳仅仅采用普通实施例中的编码生成方式，本实施例并未对位置戳的编码实现过程进行改进。

本实用新型的工作原理如下：

第一移动目标A内的本地时钟模块提供第一移动目标A的参考脉冲，上述参考脉冲可以为1PPS秒脉冲等，第一移动目标A内的位置传感器提供第一移动目标A发出时间同步信号时的初始位置坐标

（第三坐标），然后通过第一移动目标A内的编码模块生成该参考脉冲对应的时间戳（第一移动目标A的时间戳）以及生成该初始位置坐标对应的位置戳（第三位置戳），再通过调制模块将该时间戳和位置戳加载到载波上，得到自身的第一信号，然后将该第一信号经第一移动目标A内的双工器和微波天线发送至第二移动目标B。

第二移动目标B内的本地时钟模块提供第二移动目标B的参考脉冲，第二移动目标B内的位置传感器提供第二移动目标B发出时间同步信号时的初始位置坐标

（第一坐标），然后通过第二移动目标B内的编码模块生成该参考脉冲对应的时间戳（第二移动目标B的时间戳）以及生成该初始位置坐标对应的位置戳（第一位置戳），再通过调制模块将该时间戳和位置戳加载到载波上，得到自身的第一信号，然后将该第一信号经第二移动目标B内的双工器和微波天线发送至第一移动目标A。

第一移动目标A在接收到第二移动目标B的第一信号的时候，立即通过内部的位置传感器获取此时自身的位置坐标

（第四坐标），并对第一位置戳进行解码后获得第一坐标/>

，以及对第二移动目标B的时间戳进行解码后得到已发生延迟的第二移动目标B的参考脉冲，第一移动目标A内的时间间隔测量模块测量自身的参考脉冲与已发生延迟的第二移动目标B的参考脉冲之间的时间间隔，根据该时间间隔生成第二时延值T_AB。

第二移动目标B在接收到第一移动目标A的第一信号的时候，立即通过内部的位置传感器获取此时自身的位置坐标

（第二坐标），并对第三位置戳进行解码后获得第三坐标/>

，以及对第一移动目标A的时间戳进行解码后得到已发生延迟的第一移动目标A的参考脉冲，第二移动目标B内的时间间隔测量模块测量自身的参考脉冲与已发生延迟的第一移动目标A的参考脉冲之间的时间间隔，根据该时间间隔生成第一时延值T_BA。

为实现双向的时间同步，第一移动目标A还将第二时延值T_AB和第四坐标通过编码模块编码，调制模块进行载波调制后生成自身的第二信号，并经内部的双工器和微波天线发送至第二移动目标B。其中第四坐标编码后得到第四位置戳。第二移动目标B对第四位置戳和编码后的第二时延值T_AB进行解码后获得第四坐标和第二时延值T_AB。

为实现双向的时间同步，第二移动目标B也还将第一时延值T_BA和第二坐标

通过编码模块编码，调制模块进行载波调制后生成自身的第二信号，并经内部的双工器和微波天线发送至第一移动目标A。其中第二坐标编码后得到第二位置戳。第一移动目标A对第二位置戳和编码后的第一时延值T_BA进行解码后获得第二坐标和第一时延值T_BA。

第一移动目标A或第二移动目标B根据普通实施例中的双向时间同步传输钟差计算公式计算出钟差，计算公式如下：

钟差

；

；

；

其中，

为第一移动目标A的硬件接收延迟；/>

为第一移动目标A的硬件发送延迟；/>

为第二移动目标B的硬件接收延迟；/>

为第二移动目标B的硬件发送延迟；/>

为第一移动目标A的第一信号发送至第二移动目标B的路径延迟；/>

为第二移动目标B的第一信号发送至第一移动目标A的路径延迟；c为光速。

第一移动目标A或第二移动目标B内部的时延调整模块根据计算出的钟差校正自身的本地时钟源。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种动态场景下的双向时间同步系统，其特征在于，包括进行时间同步信号双向传递的第一移动目标和第二移动目标，第一移动目标和第二移动目标之间无线通信连接，所述时间同步信号包括第一信号和第二信号，第一信号早于第二信号；第一移动目标包括解码模块、编码模块、时间间隔测量模块、钟差计算模块、距离计算模块和位置传感器；

解码模块用于接收第二移动目标发送的第一信号和第二信号，第二移动目标发送的第一信号包含有第一位置戳和第二移动目标的时间戳，第二移动目标发送的第二信号包含有第二位置戳和第一时延值，解码模块对第一位置戳进行解码后得到第一坐标、对第二位置戳进行解码后得到第二坐标、对第二移动目标的时间戳进行解码后得到第二参考脉冲以及对第一时延值进行解码，并将第一坐标和第二坐标发送至距离计算模块、将第二参考脉冲发送至时间间隔测量模块以及将解码后的第一时延值发送至钟差计算模块；其中，第一坐标为第二移动目标发送第一信号时的位置坐标，第二坐标为第二移动目标接收到第一移动目标发送的第一信号时的位置坐标，第一时延值为第一移动目标的参考脉冲到达第二移动目标时发生的延迟，第二移动目标的时间戳由第二移动目标内的编码模块根据第二移动目标的参考脉冲生成；

时间间隔测量模块用于测量第一移动目标的参考脉冲与第二参考脉冲之间的时间间隔后得到第二时延值，并将第二时延值发送至钟差计算模块；

位置传感器用于测量第三坐标和第四坐标，并将第三坐标和第四坐标发送至距离计算模块，所述第三坐标为第一移动目标发送第一信号时的位置坐标，第四坐标为第一移动目标接收到第二移动目标发送的第一信号时的位置坐标；

距离计算模块用于根据第三坐标和第二坐标计算得到第一距离值，以及根据第一坐标和第四坐标计算得到第二距离值，并将第一距离值和第二距离值发送至钟差计算模块，第一距离值为第一移动目标发送的第一信号传输至第二移动目标的路径距离值，第二距离值为第二移动目标发送的第一信号传输至第一移动目标的路径距离值；

钟差计算模块用于根据第一时延值、第二时延值、第一距离值和第二距离值计算得到第一移动目标与第二移动目标之间的钟差。

2.根据权利要求1所述的一种动态场景下的双向时间同步系统，其特征在于，所述第一移动目标还包括本地时钟模块、调制模块、解调模块和无线通信模块；

本地时钟模块用于输出第一移动目标的参考脉冲，并将该参考脉冲发送至编码模块；

时间间隔测量模块还用于将第二时延值发送至编码模块；

编码模块用于根据第一移动目标的参考脉冲生成第一移动目标的时间戳，并将第一移动目标的时间戳发送至调制模块；

编码模块还用于接收位置传感器发送的第三坐标和第四坐标，并对第三坐标进行编码，编码后得到第三位置戳，以及对第四坐标进行编码，编码后得到第四位置戳，然后将第三位置戳和第四位置戳发送至调制模块；

编码模块还用于接收第二时延值，并对第二时延值进行编码，然后将编码后的第二时延值发送至调制模块；

调制模块用于接收第一移动目标的时间戳、编码后的第二时延值、第三位置戳和第四位置戳，并对第一移动目标的时间戳和第三位置戳进行载波调制，调制后生成第一移动目标的第一信号，以及对编码后的第二时延值和第四位置戳进行载波调制，调制后生成第一移动目标的第二信号，并将该第一信号和该第二信号发送至无线通信模块；

无线通信模块用于将第一移动目标的第一信号和第二信号发送至第二移动目标，以及接收第二移动目标发送的第一信号和第二信号，并将第二移动目标发送的第一信号和第二信号发送至解调模块；

解调模块用于对第二移动目标发送的第一信号和第二信号进行解调，并将解调后的第二移动目标发送的第一信号和第二信号发送至解码模块。

3.根据权利要求2所述的一种动态场景下的双向时间同步系统，其特征在于，所述无线通信模块为微波通信模块。

4.根据权利要求3所述的一种动态场景下的双向时间同步系统，其特征在于，所述微波通信模块包括双工器和微波天线，所述双工器分别与调制模块、解调模块和微波天线连接。

5.根据权利要求2所述的一种动态场景下的双向时间同步系统，其特征在于，所述第一移动目标还包括时延调整模块，所述时延调整模块用于接收钟差计算模块输出的所述钟差，并根据所述钟差校正本地时钟模块内的本地时钟源。

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