一種基于卡爾曼濾波器的tdma節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法
【專利摘要】一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，包括以下步驟：NTR節(jié)點廣播信標信息。非NTR接收到廣播信標后，確定自己發(fā)送詢問信息的時隙號及更新本地時鐘。非NTR通過與NRT交互RTT-I和RTT-R信息，并計算出測量時間。非NTR利用同步濾波器矯正其本地時鐘，其通過RTT詢問得到的測量時間校對本地預(yù)測時間進行修正，通過迭代估計非NTR時間的相位和溫漂頻率。這種迭代式的估計方法能使同步端機實現(xiàn)精準的時間同步。同步濾波器可在無測量時間更新的較長時間內(nèi)持續(xù)同步保持。本發(fā)明良好地解決了高動態(tài)快速移動環(huán)境下的TDMA節(jié)點時間同步問題，提高了網(wǎng)絡(luò)同步精度，協(xié)議處理簡單，占用資源量小，對設(shè)備要求低。
【專利說明】—種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點的開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，屬于通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，適用于基于時分多址接入的無線網(wǎng)絡(luò)。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)即時獲取、處理目標信息，攻擊目標實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)即摧毀”。武器系統(tǒng)通過多址接入?yún)f(xié)議適時有序接入無線信道。多址接入?yún)f(xié)議選擇及設(shè)計是否合理，對整個數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性作用。而TDMA傳輸可靠且時延抖動小，適用于傳輸大容量實時數(shù)據(jù)。但TDMA需要完成各節(jié)點間時隙同步，建立鏈路時間較長。
[0003]傳統(tǒng)方法在傳輸距離動態(tài)變化劇烈的環(huán)境下，待同步端機詢問路徑與應(yīng)答路徑差距較大(尤其是詢問幀和應(yīng)答幀不在同一時隙，且其相互間隔較大)，會導(dǎo)致來自往返時間RTT測量的時間誤差失準。不再適合作為時鐘校正的主要依據(jù)。反而本地同步濾波器受距離變化影響小，其時鐘預(yù)測值可作為時鐘校正的依據(jù)，并且其收斂穩(wěn)定后在較長時間內(nèi)(無外部測量更新)保持相對穩(wěn)定可靠。從而解決了 TDMA時間同步在高動態(tài)快速移動環(huán)境下的時間同步問題。本情況可以針對數(shù)據(jù)鏈路由于視距，或干擾形成的鏈路長時間中斷情況，并不影響TDMA網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步。論文《適于機動TDMA衛(wèi)通站的開環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法》、《基于最優(yōu)時鐘偏差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法》和《TDMA網(wǎng)絡(luò)精確同步的實現(xiàn)》在時鐘同步過程中均采用卡爾曼濾波器，但是論文《適于機動TDMA衛(wèi)通站的開環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法》針對衛(wèi)星通信站同步時引用卡爾曼濾波進行處理的狀態(tài)矢量分別為距離差，徑向速度和固定頻偏。且其時幀協(xié)議相對簡單，待同步端機無需發(fā)送詢問信息。論文《基于最優(yōu)時鐘偏差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法》采用應(yīng)答詢問信息，但其時鐘誤差模型相對簡單，只處理時鐘的相位矢量。論文《TDMA網(wǎng)絡(luò)精確同步的實現(xiàn)》提出采用卡爾曼濾波進行有源校時，但對時鐘建模過程和卡爾曼濾波執(zhí)行過程卻沒有詳細闡述，且其未引入同步保持功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，良好的解決了高動態(tài)快速移動環(huán)境下的TDMA節(jié)點時間同步問題，提高了網(wǎng)絡(luò)同步精度，協(xié)議處理簡單，占用資源量小，對設(shè)備要求低。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，所述卡爾曼濾波器包括:測量矩陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣；步驟如下:
[0006](I)建立非NTR節(jié)點的本地時鐘參數(shù)模型，具體形式為:t = θ+ωΤ，其中Θ為時間相位，ω為時鐘溫漂頻率，T為更新周期，在開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步過程中利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，t為非NTR節(jié)點的本地時鐘；進入步驟(2);
[0007]⑵NTR節(jié)點廣播信標信息，非NTR節(jié)點接收到廣播信標信息后，利用廣播信標信息中的時隙信息確定自身發(fā)送詢問信息的時鐘同步時隙，并利用廣播信標信息中的時間信息更新非NTR節(jié)點的本地時鐘t，所述NTR節(jié)點為高動態(tài)TDMA節(jié)點中的時間參考節(jié)點，非NTR節(jié)點為高動態(tài)TDMA節(jié)點中的除時間參考節(jié)點之外的其他所有參與節(jié)點；
[0008](3)非NTR節(jié)點在步驟⑵中確定的發(fā)送詢問信息的時鐘同步時隙內(nèi)向NTR節(jié)點發(fā)送詢問信息RTT-1，NTR節(jié)點收到RTT-1后記錄到達時間，并在預(yù)先設(shè)定的同一時鐘同步時隙中的時刻Ta向非NTR節(jié)點發(fā)送反饋信息RTT-R ；
[0009](4)若非NTR節(jié)點收到步驟(3)中NTR節(jié)點發(fā)送的反饋信息RTT-R，則利用公式

【權(quán)利要求】
1.一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，所述卡爾曼濾波器包括:測量矩陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣；其特征在于步驟如下: (1)建立非NTR節(jié)點的本地時鐘參數(shù)模型，具體形式為:t= θ+ωΤ，其中Θ為時間相位，ω為時鐘溫漂頻率，T為更新周期，在開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步過程中利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，t為非NTR節(jié)點的本地時鐘；進入步驟(2); (2)NTR節(jié)點廣播信標信息，非NTR節(jié)點接收到廣播信標信息后，利用廣播信標信息中的時隙信息確定自身發(fā)送詢問信息的時鐘同步時隙，并利用廣播信標信息中的時間信息更新非NTR節(jié)點的本地時鐘t，所述NTR節(jié)點為高動態(tài)TDMA節(jié)點中的時間參考節(jié)點，非NTR節(jié)點為高動態(tài)TDMA節(jié)點中的除時間參考節(jié)點之外的其他所有參與節(jié)點； (3)非NTR節(jié)點在步驟⑵中確定的發(fā)送詢問信息的時鐘同步時隙內(nèi)向NTR節(jié)點發(fā)送詢問信息RTT-1，NTR節(jié)點收到RTT-1后記錄到達時間，并在預(yù)先設(shè)定的同一時鐘同步時隙中的時刻Ta向非NTR節(jié)點發(fā)送反饋信息RTT-R ；
計算出測量時鐘誤差，并利用測量時鐘誤差ε和步驟(2)中更新的非NTR節(jié)點的本地時鐘t計算非NTR節(jié)點的測量時間值Z (n) = t+ ε，式中TOA1為RTT-1到達NTR節(jié)點時NTR節(jié)點記錄的到達時間，Ta為NTR節(jié)點發(fā)送RTT-R的時刻，TOAk為RTT-R到達非NTR節(jié)點時非NTR節(jié)點記錄的到達時間； 若非NTR節(jié)點沒有收到步驟(3)中NTR節(jié)點發(fā)送的反饋信息RTT-R，則將非NTR節(jié)點的本地時鐘預(yù)測值
作為非NTR節(jié)點的測量時間值，式中H (η)為卡爾曼濾波器的測量矩陣，
為時間相位和時鐘溫漂頻率的預(yù)測值； (5)利用步驟⑷中計算得到的非NTR節(jié)點的測量時間值Ζ(η)和非NTR節(jié)點的本地時鐘預(yù)測值之(η,η-1)計算新息
,將超出預(yù)設(shè)新息數(shù)值范圍的新息剔除，得到有效新息α (η)； (6)利用卡爾曼濾波器的誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣Ρ(η，η-1)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ (η+1，η)和測量矩陣H (η)計算卡爾曼增益K (η)，具體為:
K (η) = Φ (η+1, η) P (η, η-1) Ht (η) Ra (η);其中 Ra (η) = H (η) P (η, η_1) Ht (η)+Q2 為新息相關(guān)陣，Q2為測量過程噪聲； (7)將步驟(5)中的有效新息a(η)和步驟(6)中的卡爾曼增益K (η)相乘得到測量時間的時間相位修正值和時鐘溫漂頻率修正值K (η) a (η)； (8)將當(dāng)前更新周期的非NTR節(jié)點的本地時鐘預(yù)測值
與卡爾曼濾波器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(η+1，η)相乘，再與步驟(7)中測量時間的時間相位修正值和時鐘溫漂頻率修正值相加，相加后的結(jié)果與卡爾曼濾波器的測量矩陣相乘得到下一更新周期非NT R節(jié)點的本地時鐘預(yù)測值；下一更新周期非NT R節(jié)點本地時鐘預(yù)測值具體為:
(9)利用步驟(6)中計算的卡爾曼增益Κ(η)、卡爾曼濾波器的測量矩陣Η(η)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(η+1，η)更新誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣P (η)，然后利用更新后的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣更新誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣P (η, η-1)； (10)重復(fù)步驟(2)-步驟(9)，直到步驟(9)中計算得到的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣Ρ(η)中的時間相位誤差值均小于預(yù)設(shè)的收斂門限，時間同步過程結(jié)束，非NTR節(jié)點的測量時間值不再更新；進入步驟(11); (11)TDMA開環(huán)網(wǎng)絡(luò)進入時間同步保持狀態(tài)，利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，進行時間品質(zhì)等級評定，重復(fù)步驟(5)-步驟(9)，若步驟(9)中計算得到的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣中的時間相位誤差值有一個大于預(yù)設(shè)的收斂門限，則重復(fù)步驟(1)-步驟(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動態(tài)TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法，其特征在于:所述步驟(1)中在開環(huán)網(wǎng)絡(luò)時間同步過程中利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，具體為: 非NTR節(jié)點中卡爾曼濾波器在未收斂前其均為精同步狀態(tài)，收斂后處于同步保持狀態(tài)，根據(jù)表1所示的更新周期維護表確定卡爾曼濾波系統(tǒng)的更新周期Τ，其中精同步狀態(tài)Α、精同步狀態(tài)B和精同步狀態(tài)C均為初始設(shè)置；根據(jù)初始設(shè)置的精同步狀態(tài)的不同，在精通步狀態(tài)時選擇不同的更新周期； 在同步保持階段增大更新周期，同步保持狀態(tài)Α、同步保持狀態(tài)B、同步保持狀態(tài)C和同步保持狀態(tài)D也為初始設(shè)置，根據(jù)初始設(shè)置的同步保持狀態(tài)的不同，在同步保持狀態(tài)時選擇不同的更新周期； 表1中時隙為TDMA網(wǎng)絡(luò)的基本時間單兀,若干時隙組成一個時幀，若干時幀組成一個時元； 表1

同步保持狀態(tài)和精同步狀態(tài)對應(yīng)的更新周期在一次時間同步過程中不再改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動態(tài)TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法，其特征在于:所述步驟(9)中利用步驟(6)中計算的卡爾曼增益K(n)、卡爾曼濾波器的測量矩陣H(n)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ (η+1, η)更新誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣P (η)，然后利用更新后的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣更新誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣P (η，n-Ι);具體為: 利用公式P (n) =P (η, η-1)-φ (η, η+1) K (η) H (η) P (η, η-1)對預(yù)測誤差相關(guān)矩陣進行更新，其中Φ (η, η+1) = Φ η (η+1, η),更新后的誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣具體為:Ρ(η+1，η)=Φ (η+1, η) P (η) Φτ (η+1，η)+Q1，其中Q1為零均值過程系統(tǒng)噪聲向量，由公式
給出，其中^為相位噪聲的自相關(guān)值，&為頻率噪聲的自相關(guān)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動態(tài)TDMA節(jié)點開環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法，其特征在于:所述步驟(11)中進行時間品質(zhì)等級評定，具體為:利用表2所示的時間品質(zhì)等級評定表，將預(yù)測誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣Ρ(η，η-1)中第一行第一列的時間相位預(yù)測誤差自相關(guān)值與各個時間品質(zhì)等級相對應(yīng)的時間同步精度相比較，判定時間品質(zhì)等級，若誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣中的時間相位誤差值大于低一級時間品質(zhì)對應(yīng)的同步精度值，且小于高一級時間品質(zhì)對應(yīng)的同步精度值，則判定當(dāng)前時間品質(zhì)等級為低一級時間品質(zhì)，若誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣中的時間相位誤差值小于時間品質(zhì)等級I的對應(yīng)時間精度值，則將其判定為時間品質(zhì)等級1， 表2
【文檔編號】H04J3/06GK104135333SQ201410355572
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】王賞, 金世超, 趙媛, 李爽 申請人:航天恒星科技有限公司