[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

摘要

一种基于卡尔曼滤波器的TDMA节点开环网络时间同步方法，包括以下步骤：NTR节点广播信标信息。非NTR接收到广播信标后，确定自己发送询问信息的时隙号及更新本地时钟。非NTR通过与NRT交互RTT‑I和RTT‑R信息，并计算出测量时间。非NTR利用同步滤波器矫正其本地时钟，其通过RTT询问得到的测量时间校对本地预测时间进行修正，通过迭代估计非NTR时间的相位和温漂频率。这种迭代式的估计方法能使同步端机实现精准的时间同步。同步滤波器可在无测量时间更新的较长时间内持续同步保持。本发明良好地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。

主权项

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；其特征在于步骤如下：(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Ta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TOAI为RTT‑I到达NTR节点时NTR节点记录的到达时间，Ta为NTR节点发送RTT‑R的时刻，TOAR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)；(6)利用卡尔曼滤波器的误差状态协方差推移矩阵P(n,n‑1)、状态转移矩阵φ(n+1,n)和测量矩阵H(n)计算卡尔曼增益K(n)，具体为：K(n)＝φ(n+1,n)P(n,n‑1)HT(n)Rα‑1(n)；其中Rα(n)＝H(n)P(n,n‑1)HT(n)+Q2为新息相关阵，Q2为测量过程噪声；(7)将步骤(5)中的有效新息α(n)和步骤(6)中的卡尔曼增益K(n)相乘得到测量时间的时间相位修正值和时钟温漂频率修正值K(n)α(n)；(8)将当前更新周期的非NTR节点的本地时钟预测值与卡尔曼滤波器的状态转移矩阵φ(n+1,n)相乘，再与步骤(7)中测量时间的时间相位修正值和时钟温漂频率修正值相加，相加后的结果与卡尔曼滤波器的测量矩阵相乘得到下一更新周期非NTR节点的本地时钟预测值；下一更新周期非NTR节点本地时钟预测值具体为：(9)利用步骤(6)中计算的卡尔曼增益K(n)、卡尔曼滤波器的测量矩阵H(n)和状态转移矩阵φ(n+1,n)更新误差状态协方差矩阵P(n)，然后利用更新后的误差状态协方差矩阵更新误差状态协方差推移矩阵P(n,n‑1)；(10)重复步骤(2)‑步骤(9)，直到步骤(9)中计算得到的误差状态协方差矩阵P(n)中的时间相位误差值均小于预设的收敛门限，时间同步过程结束，非NTR节点的测量时间值不再更新；进入步骤(11)；(11)TDMA开环网络进入时间同步保持状态，利用更新周期维护表对更新周期T进行更新，进行时间品质等级评定，重复步骤(5)‑步骤(9)，若步骤(9)中计算得到的误差状态协方差矩阵中的时间相位误差值有一个大于预设的收敛门限，则重复步骤(1)‑步骤(11)。