一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法技术

本发明专利技术属于无线时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法；该方法包括：构建航天器内部无线网络，包括接入点AP和站点STA；作为主时钟的AP和作为从时钟的STA从时钟通过Beacon帧通信获取时间信息；从时钟根据时间信息进行漂移补偿，实现粗同步；主时钟和从时钟进行双向时间测量通信并计算第一链路传播时延；根据第一链路传播时延进行TDMA网络时隙分配，主时钟和从时钟采用IEEE802.1AS协议的时间测量报文进行通信并计算第二链路传播时延；主时钟和从时钟进行同步信息传递并完成时钟同步；本发明专利技术可保障同步测量报文在网络中的稳定传输，提高AP和STA的时钟同步精度。STA的时钟同步精度。STA的时钟同步精度。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法


[0001]本专利技术属于无线时间敏感网络通信
，具体涉及一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法。

技术介绍

[0002]随着空间科学以及载人航天技术的不断发展，航天任务的复杂性也在逐渐增加，因而对航天器的可靠性、智能化、模块化等方面提出了更高的要求。目前航天器高速数据传输通常采用三线制的LVDS线缆实现，由于数据信号、时钟信号、控制信号都采用差分信号对的形式进行传输，所以一路LVDS便包括六条线缆。并且LVDS属于单工通信，因此要实现两个节点的双向通信就需要12条线缆。这些信号线缆在航天器内部错综复杂，这不仅给航天器的设计、制造、装备和调试带来困难，而且占用了宝贵的负载和空间，客观上降低了运载能力，并且在进行设备的检查和维护工作时，线路检修、问题排查、线路改造也相当困难。
[0003]尽管无线通信具有提供移动性和降低部署成本的优点，但它仅用于非关键的非时间敏感的工业通信。将时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)应用于无线网络可满足传感器的实时通信和精确控制的需求。TSN是由IEEE 802.1工作组提出的一种能够为时敏业务提供低时延、低抖动和极低数据丢失能力的高质量网络。它基于传统以太网，凭借时间同步、流量调度、路径冗余等多种优化机制，来保证对时敏业务实时高效的传输。TSN既能够为时间敏感业务提供可靠的服务质量(Quality of Service，QoS)保证，同时也能够支持非时敏业务在网络中的传输。因此，现有TSN标准可以很好地利用在星内网络中。
[0004]IEEE 802.1AS时钟同步协议作为TSN技术实现的前提，工作在全双工以太网的数据链路层，通过时间戳传递的方式实现高精度的时钟同步。IEEE802.1AS协议结构简单，扩展性强，易于部署且同步精度可精确到纳秒级，为自动化工厂、汽车控制、音视频传输等众多领域提供高精度时钟同步服务。时间戳的精度决定了同步的精度，在以时间戳进行信息传输与计算的IEEE802.1AS协议中高精度的时间戳对同步精度的提升起着至关重要的作用。而目前国内对于IEEE 802.1AS协议的关注更多的是停留在有线网络侧时钟同步的研究和实现上，将IEEE 802.1AS协议应用到无线网络中仍处于理论研究阶段且文献较少。
[0005]综上所述，引入无线TSN技术来降低航天器线束重量占比的同时保障星内通信的时延确定性十分必要。然而现有的时钟同步技术方案多使用软件时间戳，只能达到几百us甚至ms级别的同步精度，无法达到航天器内网络通信所需的同步精度要求，同时IEEE802.1AS协议在无线网络上缺少实践。因此，亟需一种基于IEEE802.1AS协议在无线网络上实现高精度时钟同步的方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法，该方法包括：
[0007]S1：构建航天器内部无线网络，包括接入点AP和站点STA，AP作为主时钟，STA作为
从时钟；
[0008]S2：主时钟和从时钟通过Beacon帧通信获取时间信息；从时钟根据时间信息进行漂移补偿，实现粗同步；时间信息包括Beacon帧发送时间戳和Beacon帧到达时间戳；
[0009]S3：主时钟和从时钟进行双向时间测量通信，从时钟根据通信结果获取计算平均链路传播时延所需的时间戳并根据时间戳计算第一链路传播时延；
[0010]S4：根据第一链路传播时延进行TDMA网络时隙分配，主时钟和从时钟采用IEEE802.1AS协议的时间测量报文进行通信并计算第二链路传播时延；
[0011]S5：主时钟和从时钟进行同步信息传递并根据第二链路传播时延完成时钟同步。
[0012]优选的，主时钟和从时钟进行Beacon帧通信的过程包括：
[0013]S21：设计无线网卡驱动模块并初始化无线网卡驱动模块；
[0014]S22：基于无线网卡驱动模块，在WiFi网络下，主时钟周期性地广播携带有发送时间戳的Beacon帧；
[0015]S23：从时钟接收并解析Beacon帧，得到Beacon帧发送时间戳并记录Beacon帧到达时间戳。
[0016]进一步的，所述无线网卡驱动模块包括信道接入控制模块、链路调度模块、同步模块、定时器和消息队列；
[0017]所述信道接入控制模块用于管理接入AP的站点；
[0018]所述链路调度模块用于对接入的站点安排调度顺序；
[0019]所述同步模块用于实现时钟漂移补偿算法以校准本地时钟；
[0020]所述定时器用于触发链路调度模块进行链路调度；
[0021]所述消息队列用于与链路调度模块进行交互，实现消息处理与发送。
[0022]优选的，从时钟根据时间信息进行漂移补偿的过程包括：
[0023]根据时间信息计算第i次同步周期时钟漂移量ρ
i
，根据第i次同步周期时钟漂移量预测第i+1次同步周期时钟漂移量S
i+1
；
[0024]若Beacon帧发送时间戳大于Beacon帧到达时间戳，则每隔从时钟的TSF定时器增加1us，其中T为Beacon帧发送周期；
[0025]若Beacon帧发送时间戳等于Beacon帧到达时间戳，则不对从时钟的TSF定时器做调整；
[0026]若Beacon帧发送时间戳小于Beacon帧到达时间戳，则每隔从时钟的TSF定时器减少1us。
[0027]优选的，主时钟和从时钟进行双向时间测量通信的过程包括：
[0028]S31：每个时钟同步域中的从时钟向无线信道广播P
delay_req
链路传播时延测量请求帧，并记录发起时刻t1；其中，P
delay_req
链路传播时延测量请求帧中封装有当前节点的同步域号；
[0029]S32：主时钟在t2时刻接收并解析P
delay_req
帧，判断P
delay_req
帧中的同步域号是否与当前节点的域号相同，若不同则丢弃；若相同则记录时刻t2并保存P
delay_req
帧的源MAC地址；
[0030]S33：主时钟在t3时刻将时刻t2封装在P
delay_resp
链路传播时延测量响应帧中，以
P
delay_req
帧的源MAC地址为目的MAC地址向无线信道单播P
delay_resp
帧并记录t3时刻；
[0031]S34：从时钟在t4时刻接收并解析到P
delay_resp
帧，得到时刻t2并记录t2、t4时刻；
[0032]S35：主时钟发送包含t3时刻的P
delay_resp_follow_up
报文给从时钟，从时钟记录t3时刻。
[0033]优选的，计算第一链路传播时延的公式为：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法，其特征在于，包括：S1：构建航天器内部无线网络，包括接入点AP和站点STA，AP作为主时钟，STA作为从时钟；S2：主时钟和从时钟通过Beacon帧通信获取时间信息；从时钟根据时间信息进行漂移补偿，实现粗同步；时间信息包括Beacon帧发送时间戳和Beacon帧到达时间戳；S3：主时钟和从时钟进行双向时间测量通信，从时钟根据通信结果获取计算平均链路传播时延所需的时间戳并根据时间戳计算第一链路传播时延；S4：根据第一链路传播时延进行TDMA网络时隙分配，主时钟和从时钟采用IEEE802.1AS协议的时间测量报文进行通信并计算第二链路传播时延；S5：主时钟和从时钟进行同步信息传递并根据第二链路传播时延完成时钟同步。2.根据权利要求1所述的一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法，其特征在于，主时钟和从时钟进行Beacon帧通信的过程包括：S21：设计无线网卡驱动模块并初始化无线网卡驱动模块；S22：基于无线网卡驱动模块，在WiFi网络下，主时钟周期性地广播携带有发送时间戳的Beacon帧；S23：从时钟接收并解析Beacon帧，得到Beacon帧发送时间戳并记录Beacon帧到达时间戳。3.根据权利要求2所述的一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法，其特征在于，所述无线网卡驱动模块包括信道接入控制模块、链路调度模块、同步模块、定时器和消息队列；所述信道接入控制模块用于管理接入AP的站点；所述链路调度模块用于对接入的站点安排调度顺序；所述同步模块用于实现时钟漂移补偿算法以校准本地时钟；所述定时器用于触发链路调度模块进行链路调度；所述消息队列用于与链路调度模块进行交互，实现消息处理与发送。4.根据权利要求1所述的一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法，其特征在于，从时钟根据时间信息进行漂移补偿的过程包括：根据时间信息计算第i次同步周期时钟漂移量ρ
i
，根据第i次同步周期时钟漂移量预测第i+1次同步周期时钟漂移量S
i+1
；若Beacon帧发送时间戳大于Beacon帧到达时间戳，则每隔从时钟的TSF定时器增加1us，其中T为Beacon帧发送周期；若Beacon帧发送时间戳等于Beacon帧到达时间戳，则不对从时钟的TSF定时器做调整；若Beacon帧发送时间戳小于Beacon帧到达时间戳，则每隔从时钟的TSF定时器减少1us。5.根据权利要求1所述的一种航天器内部无线时间敏感网络时钟同步方法，其特征在于，主时钟和从时钟进行双向时间测量通信的过程包括：S31：每个时钟同步域中的从时钟向无线信道广播P
delay_req
链路传播时延测量请求帧，
并记录发起时刻t1；其中，P
delay_req
链路传播时延测量请求帧中封装有当前节点的同步域号；S32：主时钟在t2时刻接收并解析P
delay_req
帧，判断P
delay_req
帧中的同步域号是否与当前节点的域号相同，若不同则丢弃；若相同则记录时刻t2并保存P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国锋，杨艳军，徐川，邢媛，张小林，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：