一種基於加權平衡的海底地震計精確時鐘同步協議改進方法
2023-08-06 13:53:03
1.本發明涉及通信時鐘同步領域，屬於一種基於加權平衡的海底地震計精確時鐘同步協議改進方法。
背景技術：
2.海底地震波是由艦船航行、海洋風浪、地殼運動等因素激發產生，可以在海底固液分界面遠距離傳播的一種振動波。通過海底地震儀來探測海底地震波是一種良好的獲取海洋信息的方法。海底地震計數據記錄中，震源位置的確定依賴於時間同步系統的準確性。地震系統的數據記錄完全依賴設備內部的時鐘，系統中各設備之間都需要統一的時間基準和精確的時間同步。同時系統在長時間的工作過程中，設備內部時鐘可能會產生漂移，時間同步系統成為保證各設備之間的時間同步的關鍵。
3.近年來有採用精確時間同步協議來對大型信號系統進行時間同步，並取得了不錯的效果，如專利《一種基於ieee 1588協議的信號系統精確時間同步方法》(專利號cn201811496785.0)。但是由於在精確時間同步協議中報文的網絡雙向傳輸不對稱性，導致時間同步的精確度受限制，只能將時間偏差穩定在6μs到8μs左右，最大偏差在10μs以上。因此產生了一些對精確時間協議算法的改進，如文獻《基於ieee1588協議的精確時鐘同步算法改進》(出處:計算機工程與科學，2011，33(02):42-45.)，改進後的算法使從時鐘平均偏差從原來的6μs左右減小到不到2μs，而最大偏差也從原來的10μs左右減小到4μs以下。上述文獻和專利雖然是有效的海底地震計系統時間同步方法，但是仍然存在一些問題，這是精確時間同步協議自身缺陷導致的，時間同步是利用時間報文傳遞來實現，只有當網絡雙向傳輸是完全對稱的，才能夠保證同步的精確性。但在現實中的網絡系統中這只能是一種理想情況，在網絡上有較大負載的情況下，這種假設很難保證。
4.綜上所述，需要一種針對精確時間同步協議的網絡傳輸不對稱性帶來的時間誤差的降低方法，又兼具高精度自適應性和簡便性的算法來提升海底地震計時間同步精度。本發明提出了一種基於加權平衡的海底地震計精確時鐘同步協議改進算法，其根據不同報文在時間同步協議中的權重對算法公式進行調整，再通過統計學方法對時間偏差值進行算術平均值求解，逼近主從相位偏差進一步提升時間同步精度。其算法簡單、自適應性強，在處理長時間多設備系統時間同步方面有極大優勢。採用加權平衡和算術平均值對時間誤差數據進行處理對於海底地震計定位、獲取海洋信息有重要意義。
技術實現要素：
5.本發明的目的是為了解決海底地震計各個設備時間同步延遲過大的問題而提供的一種基於加權平衡的時間同步算法改進方法。根據時間同步協議確定權重因子方案，在通過網絡算法仿真時間延遲後，確定權重因子選擇改進時間延遲算法，利用算數平均值進一步減少誤差，得到低延遲時間同步算法。
6.本發明的目的是這樣實現的：包括以下步驟：
7.步驟1：根據時間同步協議中的標準計算權重因子；
8.步驟2：根據步驟1確定的權重因子對時間延遲算法進行改進，建立仿真模型得到時間延遲數據；
9.步驟3：根據步驟2時間延遲數據仿真觀測算法狀態，根據算法狀態調整時間窗口；
10.步驟4：根據步驟3選定的時間窗口，採用方差閾值濾波方法進一步提高時間精度。
11.進一步的，所述步驟1具體為，由於主時鐘到從時鐘延遲(ms_delay)和從時鐘到主時鐘延遲(sm_delay)具有不同的更新周期，所以若將網絡延遲delay取為ms_delay和sm_delay的加權平均值則可具有較好的精確度。由於報文發送周期的取值與時鐘同步精確度之間具有密切聯繫，採用sync報文與delayreq報文的發送周期t1與t2各自所佔比例作為權重因子。
12.sync報文的發送周期t1為協議預設值x秒，delayreq報文的發送周期t2為(2
·
r+q/2)秒，其中r、q為時間同步協議中的計算係數r、q∈n+且r∈[2，30]，q∈(2，18]。ptp協議規定變量r，q可以在各自的區間內任意取值，但考慮到算術邏輯單元alu(arithmeticlogicunit簡稱alu)進行任意整數或浮點數的除法運算時效率較低，可能影響同步的精度。而若除數為2的冪次方，這種影響則相對較小。基於這種考慮，在r，q的取值範圍內的兩個權重係數有三種可能情況：
[0013]
(1)
[0014]
(2)
[0015]
(3)
[0016]
分別計算以上三種情況，得到r的值為2、6、14，q的值為4。
[0017]
進一步的，所述步驟2具體包括以下步驟：
[0018]
步驟2.1：根據步驟1的精確時間同步協議權重因子對時間延遲計算公式進行改進。
[0019]
發送同步報文sync消息傳輸需要的時間記作
△
t
delay12
，發送delay_req消息傳輸需要的時間記作
△
t
delay34
。採用sync報文與delay_req報文的發送周期t1與t2各自所佔比例作為權重因子。
[0020][0021]
其中sync報文的發送周期t1，delay_req報文的發送周期t2。
[0022]
根據協議t1＝2秒，t2＝2
·
r+q/2秒。延遲計算公式進一步表示為：
[0023][0024]
步驟2.2：將步驟1中的r、q帶入到步驟2.1所得的延遲公式中，得到以下三個帶加權平衡的網絡延遲計算公式：
[0025][0026][0027][0028]
經過對三個公式的仿真對比，選擇時間延遲最小的方案：
[0029][0030]
主時鐘發送sync報文記錄時刻t1，從時鐘接受sync報文記錄時刻t2，從時鐘發送delay_req報文記錄時刻t3，主時鐘接收delay_req報文記錄時刻t4.
[0031]
進一步的，所述步驟3具體為，為了加快算法收斂速度同時又保證穩定性，可根據算法狀態調整時間窗n的大小，在初始時算法還未進入穩定狀態，設置為較小值，調整時間窗為n/2。這樣既保證了在從時鐘與主時鐘偏差較大時，算法能很快做出響應，儘快收斂，同時又保證在從時鐘與主時鐘同步穩定時，不用頻繁調整從時鐘。
[0032]
進一步的，所述步驟4具體為，在步驟3選擇的時間窗口之下根據統計學公式：
[0033][0034]
對時間延遲公式收集的數據進行分析，得出穩定工作狀態下的時間誤差公式：
[0035][0036]
通過引入加權平衡的思想對算法進行改進，使算法能夠更快速響應，從啟動到時間誤差穩定需7.5s左右，與未優化前耗時10s相比更高速收斂，提升了速度和精度。經過改優化算法處理得到的海底地震計網絡時間同步誤差與未經算法優化處理的時間同步協議相比從6μs降低到了2μs。
[0037]
與現有技術相比，本發明的有益效果是：1.本發明根據時間同步協議確定權重因子，引入加權平衡計算方法，減少延遲誤差。改進後的算法使從時鐘平均偏差從原來的6μs左右減小到不到2μs，而最大偏差也從原來的10μs左右減小到4μs以下。2.本發明建立了基於加權平衡的海底地震計精確時鐘同步協議改進算法，綜合考慮了數據傳輸不對稱性造成的延遲影響，具有普適性。3.本發明採用方差閾值濾波的方法對時間誤差進行進一步處理，根據協議和運行情況選擇不同的時間窗口，進一步降低時間同步誤差提升時間精度具有環
境適應性。經過改優化算法處理得到的海底地震計網絡時間同步誤差與未經算法優化處理的時間同步協議相比從6μs降低到了2μs。
附圖說明
[0038]
圖1為本發明中分析方法流程圖；
[0039]
圖2為本發明中海底地震波計網絡拓樸結構；
[0040]
圖3為本發明中不進行糾正的網絡時間誤差；
[0041]
圖4為本發明中經過初步加權優化算法糾正的時間誤差；
[0042]
圖5為本發明中三種權重因子方案糾正的時間誤差對比；
[0043]
圖6為本發明中算法改進前後對比效果圖。
具體實施方式
[0044]
下面將結合本發明實施例中的附圖對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0045]
一種基於加權平衡的海底地震計精確時鐘同步協議改進算法，所述分析方法包括以下步驟：
[0046]
步驟1：根據時間同步協議中的標準計算權重因子；
[0047]
步驟2：根據步驟1確定的權重因子對時間延遲算法進行改進，建立仿真模型得到時間延遲數據；
[0048]
步驟3：根據2時間延遲數據仿真觀測算法狀態，根據算法狀態調整時間窗口，；
[0049]
步驟4：根據步驟3選定的時間窗口，採用方差閾值濾波方法進一步提高時間精度。
[0050]
進一步的，所述步驟1具體為，由於主時鐘到從時鐘延遲(ms_delay)和從時鐘到主時鐘延遲(sm_delay)具有不同的更新周期，所以若將網絡延遲delay取為ms_delay和sm_delay的加權平均值則可具有較好的精確度。由於報文發送周期的取值與時鐘同步精確度之間具有密切聯繫，採用sync報文與delayreq報文的發送周期t1與t2各自所佔比例作為權重因子。
[0051]
sync報文的發送周期t1為協議預設值x秒delayreq報文的發送周期t2為(2
·
r+q/2)秒，其中r，q∈n+且r∈[2，30]，q∈(2，18]。
[0052]
ptp協議規定變量r，q可以在各自的區間內任意取值，但考慮到算術邏輯單元alu(arithmeticlogicunit簡稱alu)進行任意整數或浮點數的除法運算時效率較低，可能影響同步的精度。而若除數為2的冪次方，這種影響則相對較小。基於這種考慮，在r，q的取值範圍內的兩個權重係數有三種可能情況：
[0053]
(1)
[0054]
(2)
[0055]
(3)
[0056]
分別計算以上三種情況，得到r的值為2、6、14，q的值為4。
[0057]
進一步的，所述步驟2具體包括以下步驟：
[0058]
步驟2.1：根據步驟1的精確時間同步協議權重因子對時間延遲計算公式進行改進。
[0059]
發送同步報文sync消息傳輸需要的時間記作
△
t
delay12
，發送delay_req消息傳輸需要的時間記作
△
t
delay34
。採用sync報文與delay_req報文的發送周期t1與t2各自所佔比例作為權重因子。
[0060][0061]
根據協議t1＝2秒，t2＝2
·
r+q/2秒。延遲計算公式進一步表示為：
[0062][0063]
步驟2.2：將步驟1中的r、q帶入到步驟2.1所得的延遲公式中，得到以下三個帶加權平衡的網絡延遲計算公式：
[0064][0065][0066][0067]
經過對三個公式的仿真對比，選擇時間延遲最小的方案：
[0068][0069]
進一步的，所述步驟3具體為，為了加快算法收斂速度同時又保證穩定性，可根據算法狀態調整時間窗n的大小，在初始時算法還未進入穩定狀態，設置為較小值，調整時間窗為n/2。這樣既保證了在從時鐘與主時鐘偏差較大時，算法能很快做出響應，儘快收斂，同時又保證在從時鐘與主時鐘同步穩定時，不用頻繁調整從時鐘。
[0070]
進一步的，所述步驟4具體為，在步驟3選擇的時間窗口之下根據統計學公式：
[0071][0072]
對時間延遲公式收集的數據進行分析，得出穩定工作狀態下的時間誤差公式：
[0073][0074]
通過引入加權平衡的思想對算法進行改進，使算法能夠更快速響應，更高速收斂，提升了速度和精度。經過改優化算法處理得到的海底地震計網絡時間同步誤差在2μs。
[0075]
以上所述的僅是本技術的優選實施方式，本發明不限於以上實施例。可以理解，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和構思的前提下直接導出或聯想到的其他改進和變化，均應認為包含在本發明的保護範圍之內。