[发明专利]一种小卫星自组织网络时间同步方法

摘要

本发明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。

主权项

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t11；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t12，利用t12–t11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，向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，清除待入网标识值记录，返回步骤4A1)；否则记录该入网节点标识值为待入网节点，不回传应答帧，返回步骤4A1)；4A7)记录该退网节点标识值为待退网节点，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4A1)；时间基准节点处理具体流程如下：4B1)等待当前复帧时间结束，若复帧计数器F为本节点同步时隙号，进入步骤4B2)；若复帧计数器F不为本节点同步时隙号，进入步骤51)；4B2)若超帧计数器值为在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，复帧计数器F加1，进入步骤4B3)；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4B4)；4B3)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，进入步骤1，否则进入步骤4B4)；4B4)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4B5)；若接收到下级节点含退网信息的请求帧，进入步骤4B6)；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，进入步骤4B1)；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4B1)；4B5)向该入网节点分配同步时隙号，若向请求帧发送节点回传该入网节点同步时隙号的应答帧，返回步骤4B1)；4B6)记录该退网节点对应的同步时隙号标记为未分配同步时隙号，向请求帧发送节点回传应答帧，返回步骤4B1)；5)对下级节点同步管理51)判断复帧计数器F对应的同步时隙号节点是否为本节点相邻的下级节点，若是本节点相邻的下级节点，进入步骤52)；若不是本节点相邻的下级节点，复帧计数器F加1，进入步骤55)；52)复帧计数器F加1，若接收到该下级节点发送的同步帧，进入步骤53)；若收到其他节点发送的同步帧，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，进入步骤54)；若没有收到数据帧，直接进入步骤54)；53)设置该下级节点对应的同步丢失计数器为零，若接收到该下级节点发送的请求帧，立即回传应答帧后进入步骤55)；54)没有接收到该下级节点发送的同步帧，该下级节点对应的同步丢失计数器值加1，若该下级节点对应的同步丢失计数器大于3，标记为待退网节点，进入步骤55)；55)非时间基准节点进入步骤4A1)，时间基准节点进入步骤4B1)；6)与上级节点的同步维护61)若没有收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；若收到上级节点发送的同步帧，上级节点同步丢失计数器K值为0，进入步骤63)；若收到其他节点发送的同步帧，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，上级节点同步丢失计数器K值加1，进入步骤62)；62)若上级节点同步丢失计数器K值大于4，判断为上级节点异常，返回步骤1)，若K不大于4，进入步骤63)；63)若待入网节点标识值记录非空，入退网信息发送退避计数器L值为0，进入步骤64)；若待退网节点标识值记录非空，且入退网信息发送退避计数器L为0，进入步骤65)；其他情况，直接进入步骤4A1)；64)向上级节点发送含入网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，提取并记录分配的同步时隙号，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)；65)向上级节点发送含退网节点标识值记录的请求帧，若在一个时隙内收到上级节点回传的应答帧，清除待退网标识值记录，进入步骤4A1)；若在一个时隙内没有收到上级节点回传的应答帧，更新入退网信息发送退避计数器L为范围为1～4的随机整数，进入步骤4A1)。