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专利号: 2021100855438
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测时学
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,具体包括以下步骤:S1、根据小卫星群星间链路拓扑情况、卫星的位置信息、运行速度信息和运行状态信息,选取最佳主时钟卫星,GPS/北斗授时卫星为最佳主时钟卫星提供授时服务,为低轨小卫星群提供高精度参考时钟源,并以最佳主时钟卫星为根节点,生成时钟同步生成树;

S2、从时钟卫星和主时钟卫星通过双向时间测量的方式,在从时钟端获知测量所需时间戳,计算星间链路的传播时延,其中从时钟卫星包括中继卫星和普通从时钟卫星,主时钟卫星包括最佳主时钟和中继卫星;中继卫星在链路传播时延测量阶段作为从时钟卫星,在同步信息时作为主时钟卫星;

S3、进行同步信息,最佳主时钟卫星向无线信道广播同步信息,从时钟卫星接收同步信息并根据时钟修正算法修正当前节点的时钟,如果从时钟节点是中继卫星,则中继卫星在修正当前节点的时钟后向下一时钟同步域传递时钟信息。

2.根据权利要求1所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,选取最佳主时钟卫星的过程包括:在信标帧阶段扩展信标帧结构,扩展部分包括自身ID、卫星状态信息Role、最佳主时钟权值系数Weight,最佳主时钟权值系数越大成为最佳主时钟卫星的可能性越高,最佳主时钟权值系数通过卫星位置信息、速度信息和运行状态信息进行量化。

3.根据权利要求2所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,通过量化卫星位置信息、速度信息和运行状态信息获取最佳主时钟权值系数的过程包括:计算当前卫星最大传输距离范围内的邻居卫星节点与当前卫星之间的平均距离;

计算当前卫星最大传输距离范围内的邻居卫星节点与当前卫星之间的平均速度;

将当前卫星运行状态分为工作状态、故障状态、响应状态和失败状态,所有状态构成一个有限的集合,采用马尔科夫过程对其建模;

根据当前卫星的平均距离、平均速度以及状态模型进行加权融合获取最佳主时钟权值系数,表示为:

其中,α为位置信息的量化的权值, 为当前卫星最大传输距离范围内的邻居卫星节点与当前卫星之间的平均距离,σd为当前卫星最大传输距离范围内的邻居卫星节点与当前卫星之间的标准偏差;β为卫星速度信息的量化的权值,ni为当前卫星最大传输距离范围内的邻居卫星节点数量,vk表示当前卫星最大传输距离范围内的第k个邻居卫星节点的相对速度,vmax当前卫星最大传输距离范围内的邻居节点的最大相对速度;λ为卫星运行状态信息的量化的权值,Πh表示采用马尔科夫过程对当前卫星运行状态建模。

4.根据权利要求3所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,当前卫星最大传输距离表示为:

其中,Smax为当前卫星最大传输距离;λ为载波波长,PTX为发射功率,GTX和GRX分别为发射天线增益和接收天线增益,k为玻尔兹曼常量,SPS为噪声带宽,M为每个发射符号数量。

5.根据权利要求3所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,采用马尔科夫过程对当前卫星运行状态建模Πh表示为:其中,Ve表示卫星从工作状态变为故障状态的速率,Vr表示卫星故障状态时的响应速率,Vf表示卫星失效速率, 表示卫星从故障状态到失败状态的速率,λr表示卫星自愈速率,λf表示卫星从失效状态到重新开始正常工作的速率。

6.根据权利要求1所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,以最佳主时钟卫星为根节点,生成时钟同步生成树具体包括以下步骤:以最佳主时钟为根节点,同步域号为0,广播层级发现数据包,其中层级发现数据包中包括数据包的标识符和自己的同步域号;

根节点的邻居节点接收层级发现数据包,首先判断自己是否有同步域号,没有则标记层级数据包中的同步域;

在标记自己的同步域号后,当前卫星节点重新封装并广播层级发现数据包,其中新层级发现数据包中的同步域号为当前节点的同步域号加一;

根据先到先标记的原则,一个卫星标记标记同步域号后不再接受其它卫星的标记信息。

7.根据权利要求1所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,步骤S2中在从时钟端获知测量所需时间戳时,基于IEEE 802.1AS的时钟同步协议工作在数据链路层;通过IEEE 802.11的MAC层的物理层媒体访问控制状态机所在的管理实体MLME来获取高精度硬件时间戳。

8.根据权利要求1所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,计算星间链路的传播时延包括ClockMaster实体和ClockSlave实体,用于完成链路传播时延测量和同步信息传递过程中数据的发起和接收处理。

9.根据权利要求8所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,在星间链路传播时延测量阶段,每个时钟同步域中从时钟卫星的ClockSlave实体发起链路传播时延测量请求,具体包括以下步骤:

每个时钟同步域中的从时钟向无线信道广播Pdelay_request链路传播时延测量请求帧,其中在该帧中封装当前卫星的同步域号,并在发起端记录发起时刻t1;

主时钟卫星的ClockMaster实体收到并解析Pdelay_request广播帧,首先判断Pdelay_request帧中的同步域号是否与当前节点的域号相同,如果不同则丢弃,相同则在接收端记录接收时刻t2,保存Pdelay_request帧的源MAC地址;

主时钟完成Pdelay_request帧的处理后,主时钟卫星在t3时刻封装时刻t2和t3在Pdelay_response链路传播时延测量响应帧中,以步骤2中记录的源MAC地址为目的MAC地址向无线信道单播Pdelay_response帧;

从时钟卫星接收并处理Pdelay_response帧,获得时刻t2和t3,并记录接收时刻t4;

从时钟卫星计算链路传播时延,即:

其中,r为主从卫星节点的时钟频率偏移比率。

10.根据权利要求8所述的一种低轨小卫星之间的分级时钟同步方法,其特征在于,最佳主时钟卫星的ClockMaster实体向无线信道广播同步信息,时钟信息传递过程包括:最佳主时钟卫星的ClockMaster实体在Sync同步信息传递帧中封装当前卫星的原始时间戳,同步域号,时钟频率偏移比率和当前卫星的时钟矫正信息correctionField,最佳主时钟卫星的correctionField为0,时钟频率偏移比率为1,向无线信道广播Sync帧;

从时钟卫星的ClockSlave实体接收并解析Sync帧,首先判断帧中同步域号是否与当前节点的同步域号相同,不同则丢弃,相同则记录Sync帧中的时钟信息;

从时钟卫星根据Sync帧中的同步信息修正当前节点的时钟,即:Tsync=Torigin+Pdelay+correctionField(N)+Tsend+Tproce;

如果从时钟卫星是中继卫星,中继卫星在时钟同步后,更新当前卫星的矫正信息,当前卫星的矫正信息等于上一卫星节点的矫正信息加上与上一卫星节点的链路传播时延加上数据包的发送时延加上数据包的等待时延;

中继卫星向下一时钟同步域广播Sync帧,传递同步信息;

其中,Torigin为Sync帧中的原始时间戳,Pdelay为链路的传播时延,correctionField(N)为帧中的矫正信息,Tsend为数据包的发送时延,Tproce为数据包的处理时延。