[发明专利]一种基于卡尔曼滤波器的TDMA节点开环网络时间同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于卡尔曼滤波器的TDMA节点的开环网络时间同步方法，属于通信网络领域，适用于基于时分多址接入的无线网络。

背景技术

数据链系统通过数据链网络即时获取、处理目标信息，攻击目标实现“发现即摧毁”。武器系统通过多址接入协议适时有序接入无线信道。多址接入协议选择及设计是否合理，对整个数据链网络的性能起着决定性作用。而TDMA传输可靠且时延抖动小，适用于传输大容量实时数据。但TDMA需要完成各节点间时隙同步，建立链路时间较长。

传统方法在传输距离动态变化剧烈的环境下，待同步端机询问路径与应答路径差距较大(尤其是询问帧和应答帧不在同一时隙，且其相互间隔较大)，会导致来自往返时间RTT测量的时间误差失准。不再适合作为时钟校正的主要依据。反而本地同步滤波器受距离变化影响小，其时钟预测值可作为时钟校正的依据，并且其收敛稳定后在较长时间内(无外部测量更新)保持相对稳定可靠。从而解决了TDMA时间同步在高动态快速移动环境下的时间同步问题。本情况可以针对数据链路由于视距，或干扰形成的链路长时间中断情况，并不影响TDMA网络的时钟同步。论文《适于机动TDMA卫通站的开环网络同步方法》、《基于最优时钟偏差的无线传感器网络同步算法》和《TDMA网络精确同步的实现》在时钟同步过程中均采用卡尔曼滤波器，但是论文《适于机动TDMA卫通站的开环网络同步方法》针对卫星通信站同步时引用卡尔曼滤波进行处理的状态矢量分别为距离差，径向速度和固定频偏。且其时帧协议相对简单，待同步端机无需发送询问信息。论文《基于最优时钟偏差的无线传感器网络同步算法》采用应答询问信息，但其时钟误差模型相对简单，只处理时钟的相位矢量。论文《TDMA网络精确同步的实现》提出采用卡尔曼滤波进行有源校时，但对时钟建模过程和卡尔曼滤波执行过程却没有详细阐述，且其未引入同步保持功能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于卡尔曼滤波器的TDMA节点开环网络时间同步方法，良好的解决了高动态快速移动环境下的TDMA节点时间同步问题，提高了网络同步精度，协议处理简单，占用资源量小，对设备要求低。

本发明的技术解决方案是：一种基于卡尔曼滤波器的TDMA节点开环网络时间同步方法，所述卡尔曼滤波器包括：测量矩阵，状态转移矩阵和误差状态协方差矩阵；步骤如下：

(1)建立非NTR节点的本地时钟参数模型，具体形式为：t＝θ+ωT，其中θ为时间相位，ω为时钟温漂频率，T为更新周期，在开环网络时间同步过程中利用更新周期维护表对更新周期T进行更新，t为非NTR节点的本地时钟；进入步骤(2)；

(2)NTR节点广播信标信息，非NTR节点接收到广播信标信息后，利用广播信标信息中的时隙信息确定自身发送询问信息的时钟同步时隙，并利用广播信标信息中的时间信息更新非NTR节点的本地时钟t，所述NTR节点为高动态TDMA节点中的时间参考节点，非NTR节点为高动态TDMA节点中的除时间参考节点之外的其他所有参与节点；

(3)非NTR节点在步骤(2)中确定的发送询问信息的时钟同步时隙内向NTR节点发送询问信息RTT-I，NTR节点收到RTT-I后记录到达时间，并在预先设定的同一时钟同步时隙中的时刻T_a向非NTR节点发送反馈信息RTT-R；

(4)若非NTR节点收到步骤(3)中NTR节点发送的反馈信息RTT-R，则利用公式计算出测量时钟误差，并利用测量时钟误差ε和步骤(2)中更新的非NTR节点的本地时钟t计算非NTR节点的测量时间值Z(n)＝t+ε，式中TOA_I为RTT-I到达NTR节点时NTR节点记录的到达时间，T_a为NTR节点发送RTT-R的时刻，TOA_R为RTT-R到达非NTR节点时非NTR节点记录的到达时间；

若非NTR节点没有收到步骤(3)中NTR节点发送的反馈信息RTT-R，则将非NTR节点的本地时钟预测值作为非NTR节点的测量时间值，式中H(n)为卡尔曼滤波器的测量矩阵，为时间相位和时钟温漂频率的预测值；

(5)利用步骤(4)中计算得到的非NTR节点的测量时间值Z(n)和非NTR节点的本地时钟预测值计算新息将超出预设新息数值范围的新息剔除，得到有效新息α(n)；