一种小卫星自组织网络时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种小卫星自组织网络时间同步方法，小卫星自组织网络时间同步方法流程主要分为小卫星初始化及周围信息收集、时间基准节点选取、本节点的同步时隙获取、本节点同步时隙处理、与上级节点的同步维护、对下级节点的同步管理等。本方法中时间基准小卫星节点通过自组织选举产生，各小卫星节点与时间基准小卫星节点同步，小卫星节点入退编队或星簇编队构型变化下小卫星自组织网络时间同步自组织合并分离，同时使用同步维护容忍设计和广播帧的随机间歇性设计，能有效解决星簇编队通信距离远、拓扑结构准动态变化等状态的星簇编队高可靠性时间同步问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自组织无线通信领域，涉及小卫星自组织网络的一种时间同步方法，可用于拓扑构型准动态变化和层级拓扑构型环境中。
技术介绍
星簇编队协同飞行，依据功能角色搭载相应载荷，星间网络互联互通，提升网络的服务能力，扩充网络的服务范围，有效地弥补单星在轨运行存在的各种不足，从而构建一个功能完善、性能稳定的空间服务系统。星簇编队没有固定的拓扑构型。面对复杂空间任务时，如对地某重点目标的多信息识别与确认，要求大量空间资源同时被调用，此时卫星编队拓扑构型比较集中，星间距离较近；面对分散的小型空间任务时，比如高频次的对地侦察侦察任务时，卫星编队拓扑构型相应的分散，星间距离拉的很远。星载组网设备需提供卫星编队在不同拓扑构型下的稳定组网和可靠传输的功能。在卫星编队协同飞行过程中，各卫星节点的时间同步是星载组网设备协议运行的基础，特别是TDMA多址方式实现等。在卫星星簇时间同步方式，现有的方式一般是采用外部设备(GPS/北斗/GNSS)注入标准时间完成同步。由于北斗的授时服务目前仅为区域服务，军事目的组网载荷采用GPS/GNSS设备注入式时间，不能保证需求的高可靠性。专利“一种卫星时间同步系统”(申请号：201210390636.2，公开号：CN102882586A)采用接收GNSS导航信号，获取精确的UTC时间和秒脉冲完成时间同步。专利“一种小卫星高精度时间同步方法”(申请号：201210390636.2，公开号：CN102882586A)使用互为备份的2台GPS接收机输出的秒脉冲信号完成时间同步。专利“一种卫星星上高精度时间同步方法”(申请号：201110268351.7，公开号：CN102291163A)设计卫星星上时间同步方法GPS接收授时同步和星载计算机内部计时相结合的时间同步模式。为了提到星载计算机的内部计时准确度，采用GPS授时校准星载计算机内部计时方法。该方法克服了GPS不能定位时的无法工作的特点，降低了飞行风险概率，但是要求每个卫星均需要配置GPS接收机，若GPS接收机不能授时，仅采用内部计时进行同步，将不能解决时间漂移的问题，从而不能正常工作，不能满足高稳定性。同时，GPS等外部授时易受军事利益干扰，系统在军事方面的应用将打折扣。现有地面自组织网络时间同步方法已提出多种实现形式，但均是针对地面自组网网络各自特点所设计，通信距离均小于1Km。星簇编队应用模式通信距离最近距离大于10Km，远距离可达上百公里，地面自组网时间同步方法与卫星星簇应用背景不完全相同。专利“一种适用于无线传感器网络的时间同步方法”(申请号：201110048982.8，公开号：CN102118849A)采用的时间同步方法是：时间源设备生成星标帧，周期性广播信标帧，非时间源设备在信标帧的收发过程中获得时间戳，多次获取时间戳并计算本地设备时钟频偏和时偏后补偿本地计时，后在进行逐级进行时间同步。专利“一种智能的无线传感器网络时间同步方法”(申请号：201310421213.7，公开号：CN103458498A)采用的时间同步方法是:时间基准源周期性广播同步报文，待同步节点监听同步报文选择父节点并记录时间戳，多次获得父节点同步报文后，获得时间偏出和误差漂移，完成同父节点的时间同步，同时通过检测父节点的同步报文，更新时间偏出和误差漂移。专利“基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法”(申请号：201410182073.7，公开号：CN103945525A)采用预设网关节点和汇聚节点，网络建设初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包，通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点接收数据包后，按照时间戳修改本地时钟，提取层级信息并修改自己的层级数加1，在网络层级完成后，网关节点作为全局时间，定时轮询向汇聚节点发送时间同步数据包，完成全局时间的同步。该专利需要预置关节点和汇聚节点。采用周期性广播信标帧，没有逐级测量上级节点的传输时延，不适用于远距离和多级节点的自组织网时间同步。同时，没有同步时隙资源的管理。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种小卫星自组织网络时间同步方法，本专利技术有效地解决了星簇编队通信距离远、拓扑结构准动态变化、星簇编队高可靠性时间同步问题，对于自组织小卫星系统的特殊应用场景及特点具有较强的针对性与适应性。本专利技术的技术方案是：一种小卫星自组织网络时间同步方法，涉及的小卫星系统采用TDMA通信体制，复帧由M个时隙组成，其中M为大于3的整数，每个复帧头部起始的3个时隙用于时间同步，第1个时隙收发同步帧，第2个时隙收发请求帧，第3个时隙收发应答帧，后续时隙用于业务通信；编队节点设计容量Z为大于1的整数，Z个复帧组成超帧，超帧中的复帧编号为同步时隙号，同步时隙号取值为0,1，…，Z-1，步骤如下：1)小卫星节点初始化及周围信息收集小卫星时间同步与组网单机开机后，进行初始化操作，同时设置工作状态为非同步状态；侦听周围邻居小卫星节点信息，侦听时间长度为2个超帧周期，根据是否收到同步帧判断周围有无同步网络；若收到同步帧，即周围存在时间同步网络，则收集邻居节点信息，选取本节点的上级节点，进入步骤31)；若没有同步网络，进入步骤21)；在判断是否存在时间同步网络后，若长时间没有收到上级节点广播的同步帧，则重新进行初始化操作；2)时间基准节点选取21)退避S个超帧周期，其中S为范围在1～4的随机整数，在退避时间内，若侦听信道收到同步帧，设置同步帧发送节点为本节点的上级节点，进入步骤31)，否则进入步骤22)；22)启动时间基准计时器进行计时，并发送同步帧；若侦听信道收到请求帧，标记本节点为时间基准节点，设置本节点的同步时隙号为0，本节点复帧计数器F为0，为请求帧的发送节点分配同步时隙号为1，向请求帧的发送节点回传包含其获得同步时隙号和本节点同步时隙号的应答帧，进入步骤51)；若没有收到请求帧，进入步骤23)；23)时间基准节点选取退避次数计数器W值加1；若W<5，返回步骤21)；若W≥5，判断为周围只有本节点工作，标记本节点为时间基准节点，超帧计数器清零，进入步骤51)；3)本节点同步时隙获取31)接收到上级节点广播的同步帧后，标识本节点为非时钟基准节点，启动时间基准计时器进行计时，并立即向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，提取分配的同步时隙号和上级节点同步时隙号，设置本节点复帧计数器F为上级节点同步时隙号，标记本节点工作状态为同步状态，利用t2-t1差值的1/2作为估计链路延迟值，将时间基准计时器值减去估计链路延迟值，完成对时间基准计时器的同步处理，超帧计数器清零，进入步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，进入步骤32)；32)退避T个超帧周期，其中T为范围在1～6的随机整数，退避结束后，若接收到上级节点广播的同步帧，返回步骤31)，若未接收到上级节点广播的同步帧，节点入网退避次数计数器N值加1，进入步骤33)；33)判断N的值，当N≥5时，返回步骤1)，否则返回步骤32)；4)本节点同步时隙处理本节点同步时隙处理分为时间基准节点处理流程和非时钟基准节点处理流程；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小卫星自组织网络时间同步方法，涉及的小卫星系统采用TDMA通信体制，复帧由M个时隙组成，其中M为大于3的整数，每个复帧头部起始的3个时隙用于时间同步，第1个时隙收发同步帧，第2个时隙收发请求帧，第3个时隙收发应答帧，后续时隙用于业务通信；编队节点设计容量Z为大于1的整数，Z个复帧组成超帧，超帧中的复帧编号为同步时隙号，同步时隙号取值为0,1，…，Z‑1，其特征在于步骤如下：1)小卫星节点初始化及周围信息收集小卫星时间同步与组网单机开机后，进行初始化操作，同时设置工作状态为非同步状态；侦听周围邻居小卫星节点信息，侦听时间长度为2个超帧周期，根据是否收到同步帧判断周围有无同步网络；若收到同步帧，即周围存在时间同步网络，则收集邻居节点信息，选取本节点的上级节点，进入步骤31)；若没有同步网络，进入步骤21)；在判断是否存在时间同步网络后，若长时间没有收到上级节点广播的同步帧，则重新进行初始化操作；2)时间基准节点选取21)退避S个超帧周期，其中S为范围在1～4的随机整数，在退避时间内，若侦听信道收到同步帧，设置同步帧发送节点为本节点的上级节点，进入步骤31)，否则进入步骤22)；22)启动时间基准计时器进行计时，并发送同步帧；若侦听信道收到请求帧，标记本节点为时间基准节点，设置本节点的同步时隙号为0，本节点复帧计数器F为0，为请求帧的发送节点分配同步时隙号为1，向请求帧的发送节点回传包含其获得同步时隙号和本节点同步时隙号的应答帧，进入步骤51)；若没有收到请求帧，进入步骤23)；23)时间基准节点选取退避次数计数器W值加1；若W<5，返回步骤21)；若W≥5，判断为周围只有本节点工作，标记本节点为时间基准节点，超帧计数器清零，进入步骤51)；3)本节点同步时隙获取31)接收到上级节点广播的同步帧后，标识本节点为非时钟基准节点，启动时间基准计时器进行计时，并立即向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，提取分配的同步时隙号和上级节点同步时隙号，设置本节点复帧计数器F为上级节点同步时隙号，标记本节点工作状态为同步状态，利用t2‑t1差值的1/2作为估计链路延迟值，将时间基准计时器值减去估计链路延迟值，完成对时间基准计时器的同步处理，超帧计数器清零，进入步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，进入步骤32)；32)退避T个超帧周期，其中T为范围在1～6的随机整数，退避结束后，若接收到上级节点广播的同步帧，返回步骤31)，若未接收到上级节点广播的同步帧，节点入网退避次数计数器N值加1，进入步骤33)；33)判断N的值，当N≥5时，返回步骤1)，否则返回步骤32)；4)本节点同步时隙处理本节点同步时隙处理分为时间基准节点处理流程和非时钟基准节点处理流程；非时间基准节点处理具体流程如下：4A1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为上级节点同步时隙号，进入步骤61)；若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4A2)；若复帧计数器F既不为上级节点同步时隙号，也不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；4A2)若超帧计数器值为0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，若入退网信息发送退避计数器L大于0，L值减1，复帧计数器F加1，进入步骤4A3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4A4)；4A3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，返回步骤1)，否则进入步骤4A4)；4A4)链路延时每4个超帧周期更新一次，当超帧计数器的值不为4的倍数时，进入步骤4A5)；当超帧计数器的值为4的倍数时，向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，利用t2‑t1差值的1/2作为新估计链路延迟值，用本次的新估计链路延迟值减去上次的估计链路延迟值，得到的差值加上时间基准计时器值，完成对时间基准计时器的修正，然后返回步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，返回步骤4A1)；4A5)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4A6)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4A7)；若若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；，返回步骤4A1)；若在2个时隙内，没有收到与本节点相关的发数据帧，返回步骤4A1)；4A6)查找是否已获得该入网节点的同步时隙号，若获得该入网节点的同步时隙号，向请求帧发...

【技术特征摘要】
1.一种小卫星自组织网络时间同步方法，涉及的小卫星系统采用TDMA通信体制，复帧由M个时隙组成，其中M为大于3的整数，每个复帧头部起始的3个时隙用于时间同步，第1个时隙收发同步帧，第2个时隙收发请求帧，第3个时隙收发应答帧，后续时隙用于业务通信；编队节点设计容量Z为大于1的整数，Z个复帧组成超帧，超帧中的复帧编号为同步时隙号，同步时隙号取值为0,1，…，Z-1，其特征在于步骤如下：1)小卫星节点初始化及周围信息收集小卫星时间同步与组网单机开机后，进行初始化操作，同时设置工作状态为非同步状态；侦听周围邻居小卫星节点信息，侦听时间长度为2个超帧周期，根据是否收到同步帧判断周围有无同步网络；若收到同步帧，即周围存在时间同步网络，则收集邻居节点信息，选取本节点的上级节点，进入步骤31)；若没有同步网络，进入步骤21)；在判断是否存在时间同步网络后，若长时间没有收到上级节点广播的同步帧，则重新进行初始化操作；2)时间基准节点选取21)退避S个超帧周期，其中S为范围在1～4的随机整数，在退避时间内，若侦听信道收到同步帧，设置同步帧发送节点为本节点的上级节点，进入步骤31)，否则进入步骤22)；22)启动时间基准计时器进行计时，并发送同步帧；若侦听信道收到请求帧，标记本节点为时间基准节点，设置本节点的同步时隙号为0，本节点复帧计数器F为0，为请求帧的发送节点分配同步时隙号为1，向请求帧的发送节点回传包含其获得同步时隙号和本节点同步时隙号的应答帧，进入步骤51)；若没有收到请求帧，进入步骤23)；23)时间基准节点选取退避次数计数器W值加1；若W<5，返回步骤21)；若W≥5，判断为周围只有本节点工作，标记本节点为时间基准节点，超帧计数器清零，进入步骤51)；3)本节点同步时隙获取31)接收到上级节点广播的同步帧后，标识本节点为非时钟基准节点，启动时间基准计时器进行计时，并立即向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，提取分配的同步时隙号和上级节点同步时隙号，设置本节点复帧计数器F为上级节点同步时隙号，标记本节点工作状态为同步状态，利用t2-t1差值的1/2作为估计链路延迟值，将时间基准计时器值减去估计链路延迟值，完成对时间基准计时器的同步处理，超帧计数器清零，进入步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，进入步骤32)；32)退避T个超帧周期，其中T为范围在1～6的随机整数，退避结束后，若接收到上级节点广播的同步帧，返回步骤31)，若未接收到上级节点广播的同步帧，节点入网退避次数计数器N值加1，进入步骤33)；33)判断N的值，当N≥5时，返回步骤1)，否则返回步骤32)；4)本节点同步时隙处理本节点同步时隙处理分为时间基准节点处理流程和非时钟基准节点处理流程；非时间基准节点处理具体流程如下：4A1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为上级节点同步时隙号，进入步骤61)；若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4A2)；若复帧计数器F既不为上级节点同步时隙号，也不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；4A2)若超帧计数器值为0～15的随机数整数C时，更新随机数C并将超帧计数器值加1，若入退网信息发送退避计数器L大于0，L值减1，复帧计数器F加1，进入步骤4A3)；否则，将超帧计数器值加1，复帧计数器F加1，并广播本节点同步帧，进入步骤4A4)；4A3)若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计数器G值加1；若G大于5，返回步骤1)，否则进入步骤4A4)；4A4)链路延时每4个超帧周期更新一次，当超帧计数器的值不为4的倍数时，进入步骤4A5)；当超帧计数器的值为4的倍数时，向上级节点发送请求帧，记录请求帧发送时刻时间基准计时器值t1；若在一个时隙周期内收到上级节点回传的应答帧，记录应答帧接收时刻时间基准计时器值t2，利用t2-t1差值的1/2作为新估计链路延迟值，用本次的新估计链路延迟值减去上次的估计链路延迟值，得到的差值加上时间基准计时器值，完成对时间基准计时器的修正，然后返回步骤4A1)；若在一个时隙周期内没有收到上级节点回传的应答帧帧，返回步骤4A1)；4A5)侦听信道，若接收到下级节点含入网信息的请求帧，进入步骤4A6)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4A7)；若若收到同步帧，提取同步帧中时间基准节点标识值小于本节点时间基准标识值的同步帧，节点更换时间基准计...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜长刚，徐伟琳，宋桃桃，毋丹芳，惠蕾放，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61