一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法及设备与流程

1.本发明属于时间同步技术领域，特别是指一种适用于密林复杂环境高精度分级分类时间同步服务方法及设备，可满足卫星导航信号严重遮挡、有线网络基础设施部署困难的密林环境条件下的监控、调度等不同网络用户节点高精度、分级分类差异化时间同步服务需求。


背景技术：

2.gnss高精度授时与ntp网络授时技术手段作为高精度授时服务的核心技术手段，可分别在卫星可见数量较多的开阔环境与有线网络部署良好的区域提供高精度时间同步与授时服务，但是针对卫星导航信号严重遮挡、有线网络基础设施大范围部署困难的密林环境条件，如何解决监控监测、协同处理、指挥控制等不同网络用户设备节点不同等级、不同形式差异化时间同步服务需求，是密林环境下多部门协同、快速处置应急突发任务的重要信息支撑。
3.基于gnss高精度授时与ntp网络授时技术手段已成为当前时间同步的主要技术手段，但是仍然无法适用于卫星导航信号严重遮挡、有线网络基础设施大范围部署困难的密林环境下不同网络用户设备节点等级、形式等差异化时间同步服务需求，主要体现在以下方面：
4.(1)gnss授时设备在密林遮挡环境下面临卫星观测数量少于4颗且存在严重的伪距多径问题，此时基于gnss的守时、定位授时服务面临失效缺陷。
5.(2)潮湿等密林环境下大范围部署有线网络存在障碍，传统有线网络授时的作用范围受到严重限制.
6.(3)密林环境下不同网络用户设备节点对于时间同步的需求精度存在差异。
7.总之，当前时间同步方法普遍忽略累计时延误差而不进行有效的补偿。而在卫星导航信号严重遮挡、有线网络基础设施大范围部署困难的密林环境条件下，构建密林复杂环境高精度分级分类时间同步服务方法，满足不同网络用户设备节点不同等级、不同形式差异化时间同步服务需求，是实现多部门协同、快速处置应急突发任务的重要信息支撑。


技术实现要素：

8.本发明针对密林复杂环境等卫星导航遮挡、时间传递累计误差严重导致传统时间同步服务方法降效乃至失效的问题，提出了一种适用于密林复杂环境下高精度分级分类时间同步服务方法及设备，能够为密林环境下监控、调度等不同网络用户节点提供物理信号级、有线网络级、无线信息服务级等不同类型时间服务。
9.本发明采用的技术方案为：
10.一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，用于通过单颗卫星获取时间信息，为周围的节点设备提供时间同步服务，包括如下步骤：
11.捕获并跟踪gnss卫星伪距和载波相位观测数据；
12.以跟踪捕获的gnss卫星伪距、载波相位观测数据为基础，依据部署地已知坐标和本地芯片级原子钟的先验钟差信息，设计gnss观测值异常与多径异常探测判别式，实现gnss伪距观测值异常与多径异常的识别；
13.构建本地芯片级原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程，实现存在严重伪距多径的密林环境下，基于gnss单颗卫星对本地芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差的估计；
14.依据本地芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差，构造本地芯片级原子钟时间输入信号异常判别规则；
15.判别本地芯片级原子钟与gnss时间偏差和gnss的1pps信号输入是否存在异常，当识别到1pps信号输入无异常时，驯服本地芯片级原子钟时间直至稳定状态；
16.以本地芯片级原子钟为时频基准源向外提供物理信号级1pps、10mhz与tod时间服务能力，并以1pps事件实时中断方式将1pps和tod时频信息传递给本地处理器；
17.本地处理器基于前后中断时刻的累计计数器，构建时频数据误差补偿模型，补偿由于本地处理器自身频率不精确带来的时间偏差；
18.本地处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，基于ntp网络服务协议，通过ntp授时服务模块为部署点近距离范围的具备有线连接能力的监控、监视网络节点提供实时的双向有线级时间服务；此外，利用uwb测距通信模块，以uwb脉冲信号为载体搭载tod_s时间信息，为部署点远距离范围内的节点设备提供单向信息类的无线时间同步服务。
19.进一步地，所述gnss观测值异常与多径异常探测判别式为：
[0020][0021]
其中：
[0022][0023]
式中，代表第i个gnss卫星的f频率伪距测量值，c为光速，ii和ti分别代表第i个gnss卫星的电离层和对流层延迟信息，δti代表第i个gnss卫星的卫星钟差，代表第i个gnss卫星的f频率的伪距码相位偏差，r0和rs分别代表部署点已知位置和gnss卫星位置矢量，代表t时刻本地芯片级原子钟的先验钟差，δ
ρ
为gnss卫星伪距测量值异常判别的阈值。
[0024]
进一步地，所述本地芯片级原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程为：
[0025][0026]
其中，代表第i个gnss卫星的f频率伪距测量值，代表已经坐标的部署点与第i个gnss卫星间的几何距离，c为光速，ii和ti分别代表第i个gnss卫星的电离层和对流层延
迟信息，代表第i个gnss卫星的f频率的载波相位测量值，代表第i个gnss卫星的f频率的伪距码相位偏差，和分别代表观测的第i个gnss卫星的f频率的伪距噪声和载波相位噪声，δti代表第i个gnss卫星的卫星钟差，代表第i个gnss卫星的载波相位模糊度，δt(t)为t时刻本地芯片级原子钟与gnss时间之间的时间偏差，代表t时刻本地芯片级原子钟的先验钟差，p
δt
为先验观测值方程的先验权。
[0027]
进一步地，所述本地芯片级原子钟时间输入信号异常判别规则为：
[0028][0029]
其中，代表t时刻本地芯片级原子钟的先验钟差，δt(t)为t时刻本地芯片级原子钟与gnss时间之间的时间偏差，δt(t0)为前一时刻t0本地芯片级原子钟与gnss时间之间时间偏差，ε
δt
为t时刻芯片级原子钟时频信号输入异常判别阈值。
[0030]
进一步地，所述时频数据误差补偿模型为：
[0031][0032]
其中：
[0033][0034]
式中，deltat为本地处理器自身频率不精确带来的时间偏差，n1和n2为当前时刻和前一时刻由1pps信号触发中断时累计计数器的计数值，n
tod
为本地处理器完成tod解析并完成处理器时间校准时累计计数器的计数值。
[0035]
进一步地，本地处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，具体补偿方式为：
[0036]
t
tod_s
＝t
tod
+deltat
[0037][0038]
其中，t
tod
和t
tod_s
分别为本地处理器补偿前后的tod时间信息,deltat为本地处理器自身频率不精确带来的时间偏差，t
ntp
为本地处理器提供ntp授时服务时的时间信息，n
ntp
为本地处理器提供ntp授时服务时累计计数器的计数值。
[0039]
一种密林环境高精度分类分级时间同步服务设备，用于通过单颗卫星获取时间信息，为周围的节点设备提供时间同步服务，包括芯片级原子钟、卫星导航接收板卡、处理器、uwb测距通信模块、ntp授时服务模块；
[0040]
所述卫星导航接收板卡用于执行如下步骤：
[0041]
捕获并跟踪gnss卫星伪距和载波相位观测数据；
[0042]
以跟踪捕获的gnss卫星伪距、载波相位观测数据为基础，依据部署地已知坐标和芯片级原子钟的先验钟差信息，设计gnss观测值异常与多径异常探测判别函数，实现gnss
伪距观测值异常与多径异常的识别；
[0043]
构建芯片级原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程，实现存在严重伪距多径的密林环境下，基于gnss单颗卫星对芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差的估计；
[0044]
所述芯片级原子钟用于执行如下步骤：
[0045]
依据芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差，构造芯片级原子钟时间输入信号异常判别方程；
[0046]
判别芯片级原子钟与gnss时间偏差和gnss的1pps信号输入是否存在异常，当识别到1pps信号输入无异常时，驯服本地的芯片级原子钟时间直至稳定状态；
[0047]
以本地的芯片级原子钟为时频基准源向外提供物理信号级1pps、10mhz与tod时间服务能力，并以1pps事件实时中断方式将1pps和tod时频信息传递给处理器；
[0048]
所述处理器用于执行如下步骤：
[0049]
基于前后中断时刻的累计计数器，构建时频数据误差补偿模型，补偿由于处理器自身频率不精确带来的时间偏差；
[0050]
处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，基于ntp网络服务协议，通过ntp授时服务模块为部署点近距离范围的具备有线连接能力的监控、监视网络节点提供实时的双向有线级时间服务；此外，利用uwb测距通信模块，以uwb脉冲信号为载体搭载tod_s时间信息，为部署点远距离范围内的设备提供单向信息类的无线时间同步服务。
[0051]
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
[0052]
1、本发明针对卫星导航信号严重遮挡且存在严重多径问题引发的gnss时间服务能力失效的问题，依托密林环境下监控监测部署点精确已知、设备内置芯片原子钟性能特征固有属性等先验条件，提出了已知坐标下本地原子钟先验信息约束的gnss单星授时、uwb/ntp时间分类校准与误差在线补偿等技术，能够为密林环境下监控、调度等不同网络用户节点提供物理信号级、有线网络级、无线信息服务级等不同类型的时间服务。
[0053]
2、本发明针对潮湿等密林环境下大范围部署有线网络存在障碍，传统有线网络授时的作用范围、精度均受到严重限制等问题，设计了uwb无线测距的时频基准补偿模型与ntp时频数据误差补偿模型，满足了密林环境条件下的监控、调度等不同网络用户节点高精度、分级分类差异化时间同步服务需求。
附图说明
[0054]
图1为本发明实施例中高精度分级分类时间同步服务的原理示意图。
具体实施方式
[0055]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0056]
如图1所示，一种高精度分级分类时间服务设备，包括以下模块：stm32主处理器、uwb测距模块、ntp授时服务模块、芯片级原子钟和卫星导航接收板卡。其中，卫星导航接收板接收卫星信号，跟踪捕获得到载波相位测量和伪距测量数据，然后在卫星导航接收板卡进行gnss观测值异常与多径异常探测判别、已知坐标下本地原子钟先验信息约束的卫星单
星授时等处理，同时，芯片级原子钟根据卫星导航接收板卡输入信号判别状态驯服芯片级原子钟，并以stm32作为主处理器，进行误差补偿、时间基准补偿等综合处理后，对外提供物理信号级、双向有线级以及单向信息类级时间同步服务。
[0057]
高精度分级分类时间服务的具体步骤如下：
[0058]
(1)部署高精度分级分类时间服务设备，将该设备安置在密林河流、林间通道、高大树干等具备至少可观测单颗卫星的地点，该设备用于为周边的有线或无线节点设备提供时间同步服务。
[0059]
(2)以跟踪捕获的gnss卫星伪距、载波相位观测数据信息为基础，依据部署地已知坐标、设备内置芯片原子钟的先验钟差信息，设计gnss观测值异常与多径异常探测判别式，实现gnss伪距观测值异常与多径异常的识别。
[0060]
其中，gnss观测值异常与多径异常探测判别式如下：
[0061][0062][0063]
其中，代表gnss卫星i的f频率伪距测量值，代表部署点与gnss卫星i间的几何距离，ii和ti分别代表gnss卫星i电离层和对流层延迟信息，δti代表gnss卫星i的卫星钟差，代表gnss i卫星f频率的伪距码相位偏差，r0和rs分别代表部署点已知位置和gnss卫星位置矢量，代表t时刻设备内置芯片原子钟的先验钟差，δ
ρ
为gnss卫星伪距测量值异常判别的阈值。
[0064]
(3)构建芯片原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程，从而基于gnss单颗卫星估计本地内部芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差。
[0065]
其中，芯片原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程如下：
[0066][0067][0068][0069]
其中，分别代表观测的gnss卫星i的f频率的载波相位测量值，和分别代表观测的gnss i卫星f频率的伪距噪声和载波相位噪声，δti和δt分别代表gnss卫星i的卫星钟差和接收机钟差，代表gnss i卫星的载波相位模糊度，δt(t)为t时刻本地内部芯片级原子钟与gnss时间之间的时间偏差，p
δt
为先验观测值方程的先验权，其它符号与前文描述一致。
[0070]
(4)依据本地内部芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差，构造芯片级原子钟时间输入信号异常判别准则：
[0071]
[0072]
其中，δt(t0)为前一时刻t0本地内部芯片级原子钟与gnss时间之间时间偏差，ε
δt
为t时刻芯片级原子钟时频信号输入异常判别阈值。
[0073]
(5)依据上述判别准则，判别本地内部芯片级原子钟与gnss时间偏差和gnss的1pps信号输入是否存在异常，当识别输入信号无异常时，驯服本地内部芯片原子钟时间直至稳定状态。
[0074]
(6)以本地内部芯片原子钟为时频基准源向外提供物理信号级1pps、10mhz与tod时频服务能力。
[0075]
(7)以内部芯片原子钟输出的1pps、tod时频信息为基础，以1pps事件实时中断方式将时间传递给stm32主处理器，主处理器基于前后中断时刻的累计计数器，构建时频数据误差补偿模型，补偿由于stm32主处理器自身频率不精确带来的时间偏差，主处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，基于ntp网络服务协议，为部署点近距离范围的具备有线连接能力的监控、监视网络节点提供实时的双向有线级时间服务；
[0076]
其中，时频数据误差补偿模型如下：
[0077][0078][0079]
式中，deltat为stm32主处理器自身频率不精确带来的时间偏差，n1和n2为当前时刻和前一时刻由1pps信号触发中断时主控器内部计数器的计数值，n
tod
为当前主处理器完成tod解析并完成主处理器时间校准时的内部计数器的计数值。
[0080]
主处理器为部署点近距离范围的具备有线连接能力的监控、监视网络节点提供实时的双向有线级时间服务，其自身时间补偿实现方式如下：
[0081]
t
tod_s
＝t
tod
+deltat
[0082][0083]
其中，t
tod
和t
tod_s
分别为主处理器补偿前后的tod时间信息,t
ntp
为主处理器提供ntp授时服务时的时间信息，n
ntp
为当前主处理器提供ntp授时服务时的内部计数器的计数值。
[0084]
(8)基于补偿后stm32主处理器时间tod_s为时间基准源，以uwb脉冲信号为载体，通过搭载tod_s时间信息，为部署点远距离范围内设备提供单向信息类的无线时间同步服务。
[0085]
各节点设备接收到uwb无线时间同步信息后，基于uwb无线测距的时频基准补偿模型，补偿由无线传输延迟引入的时间基准偏差。
[0086]
其中，uwb无线测距时频基准补偿模型如下：
[0087][0088]
其中，t
uwb
为各节点设备补偿后获得的时间信息，ρ
uwb
为时间服务设备与各节点设备之间的距离测量值，n
uwb
为uwb信号到达各设备节点时刻到解析到t
tod_s
时间信息的计数器
计数值。
[0089]
总之，本发明解决卫星导航信号严重遮挡、有线网络基础设施部署困难的密林环境条件下，卫星观测数量少于4颗且存在严重伪距多径时gnss守时、定位授时服务面临失效缺陷以及潮湿等密林环境下大范围部署有线网络存在障碍导致网络授时范围受到限制问题，大大提升密林复杂环境下高精度时间同步服务的可用性与稳定性，对于密林环境条件下的监控、调度等不同网络用户节点高精度、分级分类差异化时间同步服务，具有重要的工程实际应用价值。

技术特征：
1.一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，其特征在于，用于通过单颗卫星获取时间信息，为周围的节点设备提供时间同步服务，包括如下步骤：捕获并跟踪gnss卫星伪距和载波相位观测数据；以跟踪捕获的gnss卫星伪距、载波相位观测数据为基础，依据部署地已知坐标和本地芯片级原子钟的先验钟差信息，设计gnss观测值异常与多径异常探测判别式，实现gnss伪距观测值异常与多径异常的识别；构建本地芯片级原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程，实现存在严重伪距多径的密林环境下，基于gnss单颗卫星对本地芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差的估计；依据本地芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差，构造本地芯片级原子钟时间输入信号异常判别规则；判别本地芯片级原子钟与gnss时间偏差和gnss的1pps信号输入是否存在异常，当识别到1pps信号输入无异常时，驯服本地芯片级原子钟时间直至稳定状态；以本地芯片级原子钟为时频基准源向外提供物理信号级1pps、10mhz与tod时间服务能力，并以1pps事件实时中断方式将1pps和tod时频信息传递给本地处理器；本地处理器基于前后中断时刻的累计计数器，构建时频数据误差补偿模型，补偿由于本地处理器自身频率不精确带来的时间偏差；本地处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，基于ntp网络服务协议，通过ntp授时服务模块为部署点近距离范围的具备有线连接能力的监控、监视网络节点提供实时的双向有线级时间服务；此外，利用uwb测距通信模块，以uwb脉冲信号为载体搭载tod_s时间信息，为部署点远距离范围内的节点设备提供单向信息类的无线时间同步服务。2.根据权利要求1所述的一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，其特征在于，所述gnss观测值异常与多径异常探测判别式为：其中：式中，代表第i个gnss卫星的f频率伪距测量值，c为光速，i
i
和t
i
分别代表第i个gnss卫星的电离层和对流层延迟信息，δt
i
代表第i个gnss卫星的卫星钟差，代表第i个gnss卫星的f频率的伪距码相位偏差，r0和r
s
分别代表部署点已知位置和gnss卫星位置矢量，代表t时刻本地芯片级原子钟的先验钟差，δ
ρ
为gnss卫星伪距测量值异常判别的阈值。3.根据权利要求1所述的一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，其特征在于，所述本地芯片级原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程为：
其中，代表第i个gnss卫星的f频率伪距测量值，代表已经坐标的部署点与第i个gnss卫星间的几何距离，c为光速，i
i
和t
i
分别代表第i个gnss卫星的电离层和对流层延迟信息，代表第i个gnss卫星的f频率的载波相位测量值，代表第i个gnss卫星的f频率的伪距码相位偏差，和分别代表观测的第i个gnss卫星的f频率的伪距噪声和载波相位噪声，δt
i
代表第i个gnss卫星的卫星钟差，代表第i个gnss卫星的载波相位模糊度，δt(t)为t时刻本地芯片级原子钟与gnss时间之间的时间偏差，代表t时刻本地芯片级原子钟的先验钟差，p
δt
为先验观测值方程的先验权。4.根据权利要求1所述的一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，其特征在于，所述本地芯片级原子钟时间输入信号异常判别规则为：其中，代表t时刻本地芯片级原子钟的先验钟差，δt(t)为t时刻本地芯片级原子钟与gnss时间之间的时间偏差，δt(t0)为前一时刻t0本地芯片级原子钟与gnss时间之间时间偏差，ε
δt
为t时刻芯片级原子钟时频信号输入异常判别阈值。5.根据权利要求1所述的一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，其特征在于，所述时频数据误差补偿模型为：其中：式中，deltat为本地处理器自身频率不精确带来的时间偏差，n1和n2为当前时刻和前一时刻由1pps信号触发中断时累计计数器的计数值，n
tod
为本地处理器完成tod解析并完成处理器时间校准时累计计数器的计数值。6.根据权利要求1所述的一种密林环境高精度分类分级时间同步服务方法，其特征在于，本地处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，具体补偿方式为：t
tod_s
＝t
tod
+deltat其中，t
tod
和t
tod_s
分别为本地处理器补偿前后的tod时间信息,deltat为本地处理器自身频率不精确带来的时间偏差，t
ntp
为本地处理器提供ntp授时服务时的时间信息，n
ntp
为本
地处理器提供ntp授时服务时累计计数器的计数值。7.一种密林环境高精度分类分级时间同步服务设备，其特征在于，用于通过单颗卫星获取时间信息，为周围的节点设备提供时间同步服务，包括芯片级原子钟、卫星导航接收板卡、处理器、uwb测距通信模块、ntp授时服务模块；所述卫星导航接收板卡用于执行如下步骤：捕获并跟踪gnss卫星伪距和载波相位观测数据；以跟踪捕获的gnss卫星伪距、载波相位观测数据为基础，依据部署地已知坐标和芯片级原子钟的先验钟差信息，设计gnss观测值异常与多径异常探测判别函数，实现gnss伪距观测值异常与多径异常的识别；构建芯片级原子钟先验钟差信息约束的gnss单颗卫星时间偏差估计方程，实现存在严重伪距多径的密林环境下，基于gnss单颗卫星对芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差的估计；所述芯片级原子钟用于执行如下步骤：依据芯片级原子钟与gnss时间的时间偏差，构造芯片级原子钟时间输入信号异常判别方程；判别芯片级原子钟与gnss时间偏差和gnss的1pps信号输入是否存在异常，当识别到1pps信号输入无异常时，驯服本地的芯片级原子钟时间直至稳定状态；以本地的芯片级原子钟为时频基准源向外提供物理信号级1pps、10mhz与tod时间服务能力，并以1pps事件实时中断方式将1pps和tod时频信息传递给处理器；所述处理器用于执行如下步骤：基于前后中断时刻的累计计数器，构建时频数据误差补偿模型，补偿由于处理器自身频率不精确带来的时间偏差；处理器以补偿后的自身tod_s时间为时间基准源，基于ntp网络服务协议，通过ntp授时服务模块为部署点近距离范围的具备有线连接能力的监控、监视网络节点提供实时的双向有线级时间服务；此外，利用uwb测距通信模块，以uwb脉冲信号为载体搭载tod_s时间信息，为部署点远距离范围内的设备提供单向信息类的无线时间同步服务。

技术总结
本发明公开了一种适用于密林复杂环境高精度分级分类时间同步服务方法及设备，属于时间同步技术领域。本发明通过芯片级原子钟、卫星导航接收板卡、处理器、UWB测距通信模块、NTP授时服务模块，为周围的节点设备提供时间同步服务。本发明针对卫星导航信号严重遮挡且存在严重多径问题引发的GNSS时间服务能力失效的问题，依托密林环境下监控监测部署点精确已知、设备内置芯片原子钟性能特征固有属性等先验条件，提出了已知坐标下本地原子钟先验信息约束的GNSS单星授时、UWB/NTP时间分类校准与误差在线补偿等技术，能够为密林环境下监控、调度等不同网络用户节点提供物理信号级、有线网络级、无线信息服务级等不同类型的时间服务。务。务。


技术研发人员：盛传贞 张子腾 王星星 蔚保国 贾丹 孙诚 马广庆 杨明
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/12