同步網絡節點的方法及其系統和裝置的製作方法

2023-10-28 01:15:27 2

專利名稱：同步網絡節點的方法及其系統和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及同步網絡節點的方法。特別但非排他地，本發明涉及一種將彼此間隔 的網絡節點同步到基於全球定位衛星系統(GNSS)的參考時標的方法。本發明進一步涉及 用於將彼此間隔的網絡節點同步到基於全球定位衛星系統(GNSS)的參考時標的同步裝置 和同步系統。
背景技術：
相對於系統參考時間來同步網絡節點是許多網絡應用中的重要需求。為關鍵的應 用領域設計複雜網絡系統的核心問題是保持每個網絡節點相對於給定系統時標同步的可 能性。當節點間的通信連結不能直接使用以獲得系統範圍同步時，這個問題變得更為關鍵。納秒和皮秒量級的高性能同步，是很多應用領域的基本需求。例如，在一些領域可 能需要這種同步，諸如定位、布置以及基於區域的應用，複雜監控和控制系統，其跨越廣泛 節點間基線、金融交易、分布式生產線、針對生命安全(SoL)和公眾防護應用的環境監控系 統，以及總之，任何高負載的、基於時間標籤(time-tagging)的分布式系統。網絡同步應該在性能和必需的功能性方面考慮系統需求，例如網絡危險水平即低(例如，一般魯棒性且無生命危險)、中(例如，高魯棒性但無 生命危險)、或高(例如SoL網絡)；網絡覆蓋水平(考慮網絡包絡的長軸)小(< 300km)，中( 5000km)；網絡安全水平開放(例如科學應用)，中等(例如僅在通信層安全)，或安全(例 如不同的安全級，例如數據、通信......)；網絡複雜水平簡單/中等(不慢且不可靠的通信連接)，或複雜(例如異構網 絡)。各種各樣以及大量的不同需求導致了一個問題，S卩如何提供一種能夠應對任何需 要的獨特的同步系統。相反地，這種同步必須由以期望的解決方案為目標的ad-hoc類型的 系統提供。在同步領域，已經進行了多種開發。大量定時系統基於來自GNSS人造衛星系統， 例如GL0NASS，GPS以及未來GALILEO人造衛星系統的導航信號。應理解，名詞GNSS也指所 有的類似的衛星導航類型的系統，包括基於地面的發射器，其用於發射導航信號。導航信號 對於同步應用來說是理想的，因為導航信號由非常穩定的源產生，且發射器的位置剛好已 知。進一步地，GNSS人造衛星發射的信號覆蓋世界範圍，且參照公共全球時間參考。導航信 號通常以偽距離(pseudo-range)形式使用，這是由在接收器內部的，載波調製的有限長度 的、GNSS人造衛星發射的偽隨機噪聲(PRN)碼，以及接收的信號內部產生的複本之間的校 正處理造成的。PRN碼的頻譜性質(例如擴頻)使其成為測距應用(ranging application) 的理想信號。而偽距離測試的精確性被帶寬和信噪比限制到米的量級。甚至對於不同的系 統，其中傳播延時可以被消除，這對於高精度時間轉換(transfer)應用顯然是不足的。
國際專利申請WO 01/61426描述了一種具有彼此遠距離定位的多個GNSS接收器 的方法和系統。每個GNSS接收器連接到中央處理系統，該中央處理系統計算各個GPS接收 器時間信號之間的偏移。所述系統的缺點在於，每個GPS接收器需要連接到中央處理系統， 因此隨著網絡中的接收器數量增長，中央處理系統的計算負載和數據負載顯著增長。進一 步地，時間同步計算是在由每個接收器估計的時間上進行的，因此包括任何影響用於位置 確定的導航方案的誤差(例如位置中的誤差被轉換為時間確定中的誤差)
發明內容

本發明旨在解決上述問題。總的來說，本發明旨在提供一種利用GNSS信號同步網絡節點的方法和系統，通過 提供可配置的分布式網絡來實現，其中計算負載和數據負載可從中央處理器分配到一個或 多個主處理器。本發明進一步旨在提供靈活且可升級的網絡性能和覆蓋，從而應對不同的 需要和網絡拓撲。根據本發明的第一方面，提出了一種將多個空間分離的網絡節點同步到控制中心 的時間參考的方法。該方法包括從該多個節點的每一個接收測量數據；根據測量數據排序 該多個節點；根據所述排序從該多個節點中選擇一個或多個主節點；將該多個節點中的每 一個分配給相對應的主節點或控制中心；確定在每個節點測量的本地時間和在其相對應的 主節點測量的本地時間之間的第一時間偏移，並確定每個主節點和參考時間之間的第二時 間偏移，從而可以確定在每個節點測量的本地時間和參考時間之間的時間偏移。因此，精確的同步所需要的計算負載和數據負載可從控制伺服器分配到多個主節 點，使得在控制中心的計算負載和數據負載顯著降低。此外，由於主節點及其分配的網絡節 點之間的距離比該節點和控制中心之間的距離短，考慮到同步性能隨著距離而減小，因此 可獲得更精確的同步。測量數據可包含一個多個以下數據表示每個節點的地理位置的位置數據，表示 每個節點附近的本地環境情況(例如本地天氣和電磁情況)的環境數據；以及表示每個節 點的性能(例如每個節點的本地時鐘性能)的性能數據。位置數據可包含與GNSS接收器在相對應的節點得到的測量值相對應的數據。例 如，GNSS接收器可通過測量GNSS信號相對於相同信號的傳輸時間的到達時間，來計算偽距罔。因此，可根據節點相對於相鄰網絡節點的地理位置將每個節點排序。例如，對於相 對於其他網絡節點更位於中心位置的網絡節點，可以給予比更不位於中心位置的節點更高 的排序。還可以考慮其他影響主節點選擇的因素，例如節點的散布或節點的機動性，這些影 響網絡拓撲。進一步地，可根據每個節點的性能來排序節點，例如每個節點的時鐘的性能。以 這種方式，可從這些節點中選出相比於相鄰的節點具有更穩定的參考時間的節點作為主節
點ο在節點的排序中可考慮的其他因素可以是關於節點附近的本地環境因素，其影 響人造衛星信號性能以及因此影響節點的測量數據；節點的網絡連結特性，其影響由節點 在主節點處收集測量數據的有效性。
可根據位置數據確定節點的地理位置，且可以根據節點相對於主節點位置的位置 將多個節點的每一個分配給相對應的主節點。控制中心可作為主節點，且可將一個或多個 節點分配給控制中心。由於控制中心決定了網絡自身的特性使得同步不依賴於網絡拓撲，從而本發明提 供了靈活性。因此，本方法適用於任何網絡，並容易地應用於現有的網絡。可從多個節點接收可觀測的數據，例如表示偽距離的數據和/或表示載波相位測 量值的數據。節點及其相對應的主節點之間的第一時間偏移，或控制中心與每個主節點之間的 第二時間偏移可通過選自以下組的算法來實現共視時間轉換算法、連結的共視時間轉換 算法和多路徑連結的共視時間轉換算法。同步算法可由控制中心或主節點根據該節點相對 於其相對應的主節點的位置來自動選擇。由於本發明可以通過選擇適當的同步算法來適應 相關的節點距離，因此提供了可測量性。
節點及其相對應的主節點之間的第一時間偏移，或主節點與控制中心之間的第二 時間偏移可通過應用載波相位算法來確定。以這種方式，同步可達到皮秒量級的高精度。可監控每個節點的時鐘性能，從而根據時鐘性能將節點排序，並根據該排序選擇 節點作為主節點。以這種方式對節點性能的連續監控提供了故障容忍、防禦和恢復。如果 出現故障，其他節點會自動取代主參考節點，而不會影響其他網絡節點的總體同步處理。可以從網絡節點接收更新的位置信息，並且可以根據該更新的位置信息從多個節 點中選擇主節點。如果，例如，可移動的節點從一個區域移動到另一個區域，該方法可適當 地根據位置將該節點重新分配給更合適的主節點，也即是，將其從一個子網絡移動到另一 個子網絡。進一步地，如果主節點從其分配的節點處移開，可為這些節點尋找更合適的替代 主節點。根據本發明的第二個方面，提供了一種用於將多個網絡節點與參考時標同步的同 步裝置，該裝置包括=GNSS接收器，可操作地與GNSS天線相關聯；時間源，提供本地時間； 數據通信裝置，用於接收來自一個或多個節點的數據和/或發射數據到一個或多個節點； 排序裝置，可操作用於根據節點發射的測量數據將節點相對於彼此排序；選擇裝置，可操作 用於根據節點的排序從多個節點中選擇一個或多個主節點；分配裝置，可操作用於根據接 收自每個節點的測量數據將多個節點中的每一個分配給相對應的主節點或控制中心；以及 時間偏移確定裝置，可操作用於確定在每個節點測量的本地時間和在其相對應的主節點測 量的本地時間之間的第一時間偏移，並且可操作用於確定每個主節點和參考時標之間的第 二時間偏移，從而可以確定在每個節點測量的本地時間和參考時標之間的時間偏移。根據本發明的第三個方面，提供了一種用於將多個網絡節點與參考時標同步的同 步系統，該系統包括前文所述的同步裝置以及多個網絡節點，每個該網絡節點配備有GNSS 接收器和本地時間源。


現在僅以示例性的方式描述本發明的實施例，並參考以下附圖，其中圖IA是根據本發明的第一實施例的同步系統的示意圖；圖IB是描述圖1的網絡節點的布局的圖2是根據本發明的第一實施例的控制中心裝置的示意圖；圖3是根據本發明的第一實施例的主節點裝置的示意圖；圖4是根據本發明的第一實施例的網絡節點裝置的示意圖；
圖5A和5B是根據本發明的第一實施例的同步方法的圖示；圖6描述了在本發明的第一實施例中CVTT算法的使用；以及圖7是根據本發明的另一實施例的同步方法的圖示。
具體實施例方式現在參考圖1到4描述本發明的第一實施例。圖IA和IB描述了根據本發明的第 一實施例用於將網絡節點同步到參考時標的系統100。該系統包括具有參考時標的控制中 心110，n個空間分離的主節點121-1到121-n，並且分組122_0，122_1，122_2. . . . 122_n包 括m個網絡節點，例如GPS、GL0NASS、GALILE0或COMPASS人造衛星系統的GNSS人造衛星系 統130，其包括多個人造衛星，用於將定位信號提供給控制中心110和網絡的節點121，122。現在參考圖2更詳細地描述控制中心110。控制中心110包括多頻(至少雙頻) GNSS接收器1101，其可操作地與GNSS天線1111相關聯，其中GNSS天線1111用於接收來 自GNSS人造衛星系統130的任意衛星的導航信號，由於GNSS天線1111，GNSS接收器1101 能夠進行粗採集(C/A)碼和載波相位測量，中央參考時鐘1102提供時間和頻率參考，通信 連結1103用於向網絡節點發射數據和/或從網絡節點接收數據，其中網絡節點包括主節點 121_1到121_n和網絡節點122_0到122_n，中央處理器1104和應用接口 1105用於與需要 同步的應用層進行接口連接。這樣的應用可以包括定位、布置或基於範圍的應用。可選地， 本申請可包括任何時間標籤系統，例如複雜的監控和控制系統，其可以跨越廣泛的內部節 點基線、財務往來、分布式生產線以及用於SoL和公眾防護應用的環境監控系統。參考時鐘1102包括與之鎖定的高穩定性原子振蕩器1112。無論基於長期還是中 /短期，都需要高穩定性。對於短期穩定性，通過使用由活性氫脈澤時鐘的時鐘系統來獲得 這樣的穩定性，對於長期穩定性，通過使用銫或銣時鐘來獲得這樣的穩定性。控制中心110進一步包括環境監控器1106，環境監控器1106包括用於監控天氣狀 況的氣象站，用於監控對空氣有影響的本地環境狀況的水蒸氣輻射計，以及用於監控本地 EM汙染的電磁環境監控系統，本地EM汙染對信號性能以及因此由GNSS人造衛星130信號 的GNSS接收器1101進行的測量有影響。中央處理器1104可操作用於監控網絡節點的狀態，包括例如節點時鐘性能等參 數，從而通過從網絡節點中選擇主節點121_1到121_11來配置網絡，並根據從每個節點接收 的數據將每個節點122_0到122_n分配到各自的主節點121_1到121_n，或分配到控制中心 110。由控制中心110從每個節點接收的數據包括表示每個節點的時鐘性能的數據、表示每 個節點的環境狀況的數據和表示每個節點的位置數據的數據。中央處理器110也被配置為 存儲和/或實施同步算法，根據網絡範圍以及要求的同步水平，所述同步算法包括共視時 間轉換(CVTT)、連結的共視時間轉換(LVCTT)、以及多路徑連結的共視時間轉換(MLCVTT)、 偽距離和載波相位算法。這些算法可實施在控制中心和/或MRT上。如上文所述，控制中心110的作用包括通過從所有網絡節點中選擇多個主節點 121_1到121_11來配置網絡，根據位置數據將每個網絡節點122_0到122_n分配給主節點121_1到121_n，或分配給控制中心110，將主節點和分配給控制中心110的節點同步到控制 中心110的參考時標。在一些情況下，控制中心的作用可能包括根據主節點121_x的配置 及其各自的分配節點122_x為每個主節點選擇同步算法。現在參考圖3更詳細地描述主節點121。主節點121_1作為其分配的網絡節點 122_x的主參考時間節點，並包括可操作地與GNSS天線1211相關聯的多頻(至少雙頻) GNSS接收器1201，GNSS天線1211用於接收來自GNSS人造衛星系統130的任何人造衛星 的導航信號，由於GNSS天線1211，GNSS接收器1101能夠進行粗採集(C/A)碼和載波相位 測量；主參考時鐘1202，提供參考本地時間；通信連結1203，用於向網絡節點發射數據和/ 或從網絡節點接收數據，其中網絡節點包括控制中心110和分配給該主節點121的網絡節 點122，並且通信連結1203還用於在分配的節點122和控制中心110之間傳輸數據；處理 器1204 ；監控器1205，用於監控主節點121_x的環境狀況，其包括用於監控天氣狀況的氣象 站，用於監控對空氣以及因此對GNSS接收器1201和GNSS人造衛星130之間的通信有影響 的本地狀況的水蒸氣輻射計；以及應用接口 1206，用於與需要同步的主節點的本地應用之 間進行接口連接。主參考時鐘1202包括高穩定性原子振蕩器1212，例如與之鎖定的銣時鐘。主參 考節點可配備有原子時鐘，例如銣，因為他們是通過同步網相對於控制中心中的參考時鐘 1102被同步的，並因此沒有相同的穩定性水平的要求。主處理器1204配置為選擇和實施最佳同步算法，以將相對應的分配的網絡節 點12 2_x同步到主節點121_x。在本發明的一些實施例中，控制中心110選擇適當的同步 算法來將分配的網絡節點122_x同步到主節點121_x。各個主節點選擇的同步算法可以 是以下之一共視時間轉換(CVTT)和採用載波相位或偽距離測量的連結的共視時間轉換 (LVCTT)。主處理器也可能應用具有載波相位或偽距離測量的多路徑連結的共視時間轉換 (MLCVTT)。主節點可以監控網絡節點的狀態，並將表示網絡節點狀態的數據傳輸到控制中 心 110。現在參考圖4更詳細地描述網絡節點122。網絡節點包括多頻(至少雙頻)GNSS 接收器1301，其可操作地與GNSS天線1311相關聯，GNSS天線1311用於接收來自GNSS人 造衛星系統130的任何人造衛星的導航信號，由於GNSS天線1302，GNSS接收器能夠進行粗 採集(C/A)碼和載波相位測量；本地參考時鐘1302提供本地節點時間；通信連結1303用於 向網絡中的其他網絡節點發射數據和/或從其他網絡節點接收數據，其中該網絡包括該節 點分配給的主節點121 ；在一些情況下包括控制中心110 ；以及在一些情況下包括其他網絡 節點122，處理器1304和監控器1305，監控器1305用於監控網絡節點122的環境狀況，包 括用於監控天氣狀況的氣象站、用於監控對空氣以及因此對GNSS接收器1301和GNSS人造 衛星130之間的通信有影響的本地狀況的水蒸氣輻射計；以及應用接口 1306，用於將該節 點與本地應用接口連接。節點參考時鐘1302包括高穩定性原子振蕩器1312，例如與之鎖定的銣時鐘。如果網絡節點符合作為主節點的條件，那麼在主節點121出現故障，且隨後選擇 該網絡節點作為新的主節點121的情況下，網絡處理器1304被配置為選擇並實施最佳的同 步算法，以將網絡節點122同步到其參考時間。由各個網絡節點122_x(當被選擇作為新的 主節點121_1時)選擇的同步算法，可能基於共視時間轉換(CVTT)或採用載波相位或偽距離測量的連結的共視時間轉換(LVCTT)。該網絡處理器也可以採用具有載波相位或偽距離 測量的多路徑連結的共視時間轉換(MLCVTT)。在本發明的第一實施例中，要同步的應用是本地區域應用，其中人造衛星系統130 的相同的衛星可被至少兩個網絡節點看到，節點之間的距離< 20km。在本發明的其他實施 例中，也可實施算法用於地區應用(即節點基線高達5000km)，得到相同的結果但是應用 LCVTT算法代替CVTT算法。現在參考圖5A和5B描述根據本發明的第一實施例的同步網絡節點的方法。圖5A和5B圖示了待同步到參考時標的多個網絡節點122，以及與參考時標相關聯 的控制中心110。每個網絡節點122向控制中心110發送表示其位置的位置數據；相關聯 的重要數據，即偽距離和/或載波相位測量值，其由相對應的GNSS接收器1301獲得；來自 其相對應的環境監控器1305的數據；和表示其本地時鐘1302的時鐘節點數據。控制中心110處理從每個節點接收的數據，並根據每個節點的時鐘1302的性能對 每個節點排序，排序考慮了位置數據和/或來自表示由相對應的GNSS人造衛星系統130的 GNSS接收器1301的接收情況的環境監控器1305的任何數據。例如，如果來自節點的數據 指示由該節點的人造衛星130的GNSS接收器1301的信號接收情況差，則導致該節點比具 有相似的時鐘節點性能但具有更好的信號接收情況的另一節點122具有更低的排序。對於 具有好的時鐘節點性能，好的人造衛星接收情況除了氣象站之外還有其他環境監控設備， 例如電磁環境監控器和水蒸氣輻射計， 並且相對於其他網絡節點具有中心位置的節點，將 接收到相對於具有更差的時鐘性能和/或更差的人造衛星通信情況的其他節點更高的排 序。根據節點性能排序，控制中心110從多個網絡節點122中選擇多個網絡節點作為 主節點121，即選擇較高排序的網絡節點。然後根據網絡節點122相對於主節點121和控制 中心的位置，將剩下的網絡節點分配給主節點122或中心節點本身，即將網絡節點122-x分 配給其最接近的主節點121-x，或如果其距離控制中心110比距離主節點121-x更近，則將 該網絡節點122-x分配給控制中心110。該處理使得在主網絡中形成多個子網絡。以這種方式將網絡分為子網絡使得控制中心110能夠將同步工作負載和數據負 載分配給主節點121。進一步地，可獲得更好的同步精確性，因為對於分配給主節點的節點122，每個節 點和該節點要同步到的主節點121之間的距離，比該節點122和控制中心110之間的距離 短，在同步算法中留下了較小的誤差空間。然後每個主節點121選擇合適的同步算法，以同步分配給它的每個節點122_1到 122_n。在一些網絡配置中，主節點可能需要實施CVTT算法以同步一個節點，並實施LVTT 算法以同步相同子網絡中的另一個節點。在一些實施例中，選擇子網絡以更好的實施CVTT。 控制中心可以選擇LCVTT和MPLCVTT以將主節點同步到控制中心的參考時間。選擇合適的同步算法為系統提供了靈活性，因為其可適合任意種類的網絡，例如 本地的、地區的或世界範圍的，因為在每種情況中可以根據節點之間的距離來選擇最合適 的同步算法。例如，在本實施例中，其中針對本地區域應用對節點進行同步，可採用共視時間轉 換(CVTT)方法將節點122_x同步到其主節點121_x。在例如CVTT的時間轉換技術中，導航信號對於時間轉換來說是理想的，因為導航信號產生於非常穩定的源，並且很精確地知道 發射器的位置。圖6圖示了 CVTT技術，其基於由主節點(例如121_1)及其分配的網絡節點中的 一個122_1從人造衛星系統130的GNSS人造衛星信號收集到的測量數據，該信號在T13tl時 刻發射。每個節點(主節點121_1或網絡節點122_1)接收器測量人造衛星信號的接收和 發射之間的時間差，其中分別地，At121表示相對於主節點的自己的本地時鐘1202的時間 差，以及At122表示相對於網絡節點的本地時鐘1302的時間差。該網絡節點122_1向主節 點121_1發送測量數據P 122」(P 122」=Δ t122 · c其中c為光速)，以及相對應的環境數據 和位置數據。然後，主節點121_1校正所有接收到的測量數據，包括用於其自身測量的來自 環境監控器1205的數據，以及用於網絡節點測量的來自環境監控器1305的數據，其自身的 相對於GNSS人造衛星位置的位置數據R13ch121」和網絡節點相對於GNSS人造衛星位置的位 置數據R13Q-122」。然後GNSS人造衛星130信號在主節點時鐘1202的測量數據可表示為 P 121J = Δ t121 · c = (T121-T130) · c其中T121是主節點參考時鐘1202的時間，T130是GNSS人造衛星130信號傳輸時 間，以及At121表示人造衛星130和接收器1201之間的傳播延遲。類似地，GNSS人造衛星130信號在網絡節點時鐘1302的測量數據可表示為P 122J = Δ t122 · c = (T122-T130) · c其中T122是網絡節點時鐘1302，T⑶是GNSS人造衛星130信號傳輸時間，以及 Δ t122表示人造衛星130和接收器1301之間的傳播延遲。由每個節點的GNSS接收器收集的測量值受誤差影響，其根據 其中R13ch1221是GNSS人造衛星130和網絡節點122_1接收器之間的幾何距離，且 已知其為斜距。主節點121_1的處理器1204採用環境監控數據校正測量數據，消除更重要的 ε ε trop°的貢獻。為了計算主節點122_x的原子時鐘1202的本地主參考時間與節點 122_1的原子時鐘1302的時間之間的同步，可如下計算主節點121_x和網絡節點122_x之 間的減法Δ tm_ Δ t122 = ((T121-T130) - (T122-T130)) · c = T121-T122消除了人造衛星時間T13(l。概念上這就是CVTT的工作方式，但是其可操作地作用 於測量，並考慮At122 =^l，該算法操作的主要公式為 總之，使用位置數據來估計R13ch12x 使用環境數據來儘可能地消除ε 一+ ε tropo的 貢獻，以及優化CVTT算法從而減小到最小的ε residualOCVTT算法提供I-IOns範圍內的精確性。如果主節點121_1和系統節點121_1之 間的距離相對於其他節點和人造衛星之間的距離要小，則傳播延時的影響更加可以忽略。可針對兩個節點共視的每個人造衛星重複該處理，其中將最終時間偏移計算為針 對每個共視人造衛星計算的偏移的平均值。還應理解，可針對兩個節點共視的多個人造衛 星重複該處理，但沒必要針對所有的可見的人造衛星——可考慮一些閾值和限制，例如考 慮低空衛星。然後可採用類似的方法來計算主節點121_1的主參考時間和控制中心110的參考 時間之 間的時間間隔。這樣，就將主節點121_1和同步到該主節點121_1的網絡節點122_1 同步到了控制中心110的參考時間。可採用類似的方法計算每個網絡節點122及其相對應的主節點121之間的時間間 隔，每個主節點121和控制中心110之間的時間間隔，以及計算分配到控制中心110的網絡 節點122_0和控制中心110之間的時間間隔。這樣，每個網絡節點121、122相對於控制中 心110的參考時標被同步。由於節點的同步被分布到子網絡，控制中心110處的數據負載和計算負載被降低 並被所選擇的主節點121分擔。控制中心將繼續定期監控節點的狀態，例如以分鐘量級。如果例如，所選擇的主節 點121_y的時鐘1202的性能開始衰退，該節點將不再被指定為主節點，且該子網絡中的另 一節點將替代該節點成為主節點。將根據該子網絡的節點的節點排序來選擇取代先前的主 節點的新節點。網絡的配置或布局/拓撲可能改變，例如，如果一個或多個網絡節點122_x是可移 動的，並且從其分配的主節點121_x移開並更靠近另一主節點121_y。在這種情況下，控制 中心110將重新配置網絡，使得該節點122_x被分配給其最接近的主節點121_y。類似地， 如果主節點121_1移開，或其分配的節點122移開，可能需要由另一網絡節點122_x替代該 主節點121_x，並且由於新的位置數據定義了網絡的布局，另一節點122可能更適合作為主 節點121。進一步地，如果主節點不能工作，其可由該子網絡的另一節點替代，或在一些情況 下由另一子網絡的另一節點替代。位置數據從每個網絡節點122和主節點121以不同的時間間隔傳送到控制中心 110，從而可通過控制中心110重新配置網絡的布局。這樣，由於可以動態地替換有故障的主節點，該同步算法顯示出了魯棒性和故障 容忍性。在同步階段之後，被同步的應用可投入使用。可將節點之間的通信加密以提供安 全性。也可採用雙密鑰籤名系統來保護該應用。下面將參考圖7來描述本發明的另一實施例。在該另一實施例中，可通過實施基 於載波相位的算法，來確定網絡節點122及其相對應的主節點121之間的時間延時。可將載波相位測量值Φ (以載波周期表示)建模為 其中P slant_range是網絡節點接收器1301或主節點接收器1201與人造衛星130發 射天線的相位中心之間的真實距離，Δ、χ和Atsv分別是節點接收器和人造衛星時鐘偏差。 At1和Δ tT是電離層和對流層延時，AtpM是由多路徑造成的延時，以及ηρ是載波相位測 量值上的接收器噪聲，以及N是未知的波長整數模糊度。電離層傳播時間的負符號，在本實 施例中表示相位提前，是由以下因素造成的在色散介質中，對於電磁波來說，相位速度和 群速度的乘積是c2，因此相位傳播速度比光速更高。觀察上面的公式，應注意到，通過在由兩個接收器節點，網絡節點接收器1301及 其相對應的主節點121的接收器1201，獲得的相同的人造衛星130的兩個觀測結果之間作 減法，在任意基線的末端將移除依賴於單獨人造衛星130的項。因此我們可以形成第一相 位差，並寫作 其中Δ ρ i是人造衛星130和主節點接收器1201的距離，人造衛星130和網絡節 點接收器1202的距離之間的差，Δ τ是這兩個接收器1201和1202之間的同步時間，δ I， δ T和δ M是微分後沒有消去(cancel out)的電離層、對流層和多路徑殘餘延時，以及Ni 是影響接收器的整數模糊度之間的差。對於短基線距離，δ I和δ T項可以忽略，因為對於所有接收器，電離層和對流層 延時是相同的。如果精確地知道接收器的位置，且如果採用模糊度解析技術，則遠程接收器 之間的同步偏移可計算為Ar-IAAi其中err項表示未建模的誤差。對於長基線距離，δ I和δ T項不能忽略。因此估計電離層和對流層延時的模型 在同步算法中應該被預知。採用雙頻方式，能夠除去電離層的作用。對於特定的GPS情況，載波頻率位於L-頻 段，恰好位於1575MHz (Li)和1227. 6MHz (L2)，分別對應于波長λ 1，λ 2 19禾口 24cm。在這 些頻率上的載波相位測量值的結合(差)產生了附加虛擬信號，其特徵是等價波長 86cm， 並且不受電離層作用。可以有利地利用這一點解決模糊度，這種技術已知稱為用於模糊度 解析的「寬巷」技術。無電離結合的好處在於，可以消除大的系統誤差。然而，對於短基線應用例如 100-200km量級)，單頻率方式是優選的，因為電離層的作用可在兩個節點的接收器處認為 是相等的，然後通過第一差分方式消除。通過使Y等於(L1/L2)2，可以結合雙頻率碼和相位測量值來計算無電離測量值， 即測量值不依賴於電離層狀況
r ^ n -Pli-TPUHiono-free ~ Λ
l~r
如前文所述，載波相位同步算法需要模糊度解析處理。模糊度可以估計並從載波 相位測量值中消除，因為其在同步中引入Νλ (m)誤差。對於時間轉換應用，應被估計出的 模糊度為Ni ( = N1-N2)項，即兩個接收器模糊度之間的差值。可以通過對針對人造衛星系統130的相同人造衛星在相同時刻獲得的碼和相位 單差測量值作減法，來實現模糊度的初始估計。由於各種誤差作用，該初始估計不必準確， 但其為本地搜索提供了合適的起始點。由於模糊度是整數值，其估值的誤差導致多個波長 的同步誤差。在無電離結合的情況下，同步誤差是0. 86m的倍數。為了減少這一問題，可以選擇間隔時間，從而模糊度解析算法可處理在考慮的時 隙內進行的所有連續測量值。採用這種方式，該算法能夠提供穩定的模糊度解析。對於定時應用，與固定基線相關的約束一定程度上減少這一問題，其中系統節點 122和相對應的主節點之間的距離不變，因為原則上，可一次解決模糊度。然而，由接收器引 起的周期跳躍，突發電離層擾動(火花)或人造衛星發射設備中的相位跳躍需要對模糊度 進行連續的監控，以避免結果中將出現的誤差。為了在模糊度解析算法之前避免由周期跳 躍造成的誤差，應預見到周期跳躍檢測算法。可對兩個接收器之間共視中的每個人造衛星重複該步驟，最終的時間偏移可計算 為針對兩個節點共視的每個人造衛星計算的同步值的平均值。載波相位測量值的解析度與接收的信號功率、熱噪聲、相對應的天線和接收器的 噪聲圖形、接收器中的載波鎖相環帶寬以及本地振蕩器的頻率穩定性有關。考慮所有這些 參數，典型的現代接收器能夠恢復疊加有 5mm(根均方值)噪聲的載波相位，主要由熱噪 聲造成。由於低載波相位測量值，基於載波相位的同步技術的開發具有傳送時間轉換的能 力，對於大陸基線(1000-4000Km)，時間轉換能力在幾十皮秒水平。本實施例中描述的載波相位算法可以使整個接收器網絡精確地同步。實際上其可 被用於替代LCVTT算法中的基於碼的CV同步算法。在本發明的其他實施例中，對於地區應用，例如其中網絡跨越300_5000km的區 域。可採用連結的共視時間轉換(LCVTT)技術來確定網絡節點之間的時間偏移。在該技術 中，可通過相鄰(連結的)同步方法最優化共視時間轉換技術，其中共視時間轉換技術應用 於網絡的一個節點和不同的相鄰節點之間，以確定時間偏移。採用共視技術，如果在網絡節點基站對之間的共視可見區中有足夠多的人造衛 星，可通過實施LCVTT (連結的共視時間轉換)技術來連接多個傳感器節點基站，以在單獨 的基站節點時鐘對之間提供時間偏移，以及在不處於共視中的遠程站點處的節點之間提供 時間偏移。在圖8所示的情況中，其中只示出了幾個連結，以避免圖中不必要的凌亂。LCVTT 不僅能夠確定相鄰站點之間的時間偏移，而且通過採用多差值，也能測量不相鄰的站點 之間的時間偏移，例如，對於示出的連結來說，帕皮提和克拉斯諾亞爾斯克(Papeete and Kransoyarsk)之間的時間偏移LCVTT技術本身，儘管簡單且計算上有效率，但是有幾個缺點。主要缺點之一是當採用連結的共視技術時，單個噪聲站點可能降低同步的精度。在本發明的又一些實施例中，可通過採用多路徑連結的共視時間轉換(MPLCVTT)方式同步兩個遠程節點基站來實施該技術。實際上在兩個距離很遠且不分享公共可視區的 基站之間存在很多可能的路徑連結，如圖9所示。為了增加可獲得的數據的量，並因此增加 同步的精度，可採用儘可能多的數據連結。通過提供可平均的多個獨立測量值，可降低噪聲 測量值。該方法統計上比單連結共視更有效。應理解，在本發明的一些實施例中，可利用上述不同技術的結合，根據有關節點之 間的距離，來確定系統/網絡節點和主節點之間的偏移，主節點和控制中心之間的偏移，系 統節點和控制中心之間的偏移。在本發明的可選實施例中，以下可用作針對一個或多個系統節點的同步技術 通過人造衛星的雙向時間和頻率轉換，改進版(頻率100ns內1E-14，時間穩定 性:30ps,時間精確性:300ps. · · Ins)。·通過地球同步人造衛星的時間分發，包括EGNOS (專屬服務)·通過地球同步人造衛星的時間分發(數字數據串中的嵌入服務)·通過LEO人造衛星通信系統的時間分發·通過GEO人造衛星通信系統的時間分發· GTS 全球時間系統，資金充足的，機上運行ISS，2001年開始(專屬服務)，精確 度10 μ s…Ims· ACES (空間原子時鐘系統)·實時共視 GPS (0.1·· 3ns) 先進的光連結儘管描述了本發明的第一實施例的方法和系統描述的是關於GPS人造衛星系統， 應理解該方法也可應用於Calileo，GL0NASS或COMPASS人造衛星系統，其中為節點提供適 於接收來自這些人造衛星系統的接收器。例如，接收器可以是三/多頻率接收器。儘管上文參考特定的實施例描述了本發明，本發明並不限於這些特定的實施例， 對於本領域技術人員來說，落於本發明範圍內的修改是顯而意見的。
權利要求
一種將多個網絡節點同步到控制中心的參考時間的方法，該方法包括接收來自多個節點的每一個的測量數據；根據所述測量數據，將所述多個節點相對於彼此排序；根據所述排序，從所述多個節點中選擇一個或多個主節點；將所述多個節點中的每一個分配給相對應的主節點；以及確定在每個節點處測量的本地時間和在所述節點的相對應主節點處測量的本地時間之間的第一時間偏移；以及確定每個主節點和參考時間之間的第二時間偏移，從而能夠確定在每個節點處測量的本地時間和參考時間之間的時間偏移。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述測量數據包括表示相對應的節點的地理位置 的位置數據。
3.根據權利要求2所述的方法，進一步包括根據所述位置數據確定節點的地理分布， 以及其中根據節點相對於主節點或控制中心的位置的位置，將所述多個節點的每一個分配 給相對應的主節點，或者分配給控制中心。
4.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述測量數據包括表示相對應的節點的 性能的性能數據。
5.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述測量數據包括表示相對應的節點的 本地環境的環境數據。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述性能數據包括表示相對應的節點的時鐘性能 的時鐘性能數據。
7.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中通過應用選自共視時間轉換算法、連結 的共視時間轉換算法或多路徑連結的共視時間轉換算法的組的算法來確定所述第一時間 偏移和/或所述第二時間偏移。
8.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中通過應用基於載波相位的算法來確定所 述第一時間偏移和/或所述第二時間偏移。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其中由每個主節點或控制中心根據網絡節點相對 於相對應的主節點或控制中心的位置來選擇同步算法。
10.根據權利要求4到9中任一項所述的方法，其中從每個節點接收更新的性能數據以 根據節點的性能對節點進行重新排序，以及根據該排序選擇節點作為主節點。
11.根據權利要求2到10中任一項所述的方法，其中從網絡節點接收更新的位置信息， 並根據該更新的位置信息從多個節點中選擇主節點。
12.—種同步裝置，用於將多個網絡節點與參考時標同步，該裝置包括GNSS接收器，可操作地與GNSS天線相關聯；時間源，提供本地時間；數據通信裝置，用於接收來自一個或多個節點的數據和/或將數據發送到一個或多個 節點；排序裝置，可操作用於根據節點發送的測量數據將所述節點相對於彼此排序；選擇裝置，可操作用於根據所述節點的所述排序從所述多個節點中選擇一個或多個主 節點；分配裝置，可操作用於將所述多個節點的每一個分配給相對應的主節點或控制中心； 時間偏移確定裝置，可操作用於確定在每個節點處測量的本地時間和在所述節點相對 應的主節點處測量的本地時間之間的第一時間偏移，並且可操作用於確定每個主節點和參 考時標之間的第二時間偏移，從而能夠確定在每個節點處測量的本地時間與參考時標之間 的時間偏移。
13. 一種同步系統，用於將多個網絡節點與參考時標同步，該系統包括根據權利要求 12所述的同步裝置，以及多個網絡節點，每一個所述網絡節點配備有GNSS接收器和本地時 間源。
全文摘要
一種將多個間隔的網絡節點同步到控制中心的參考時間的方法和系統，該方法包括接收來自多個節點的每一個的測量數據；根據該測量數據，將該多個節點相對於彼此排序；根據該排序，從該多個節點中選擇第一個或多個主節點；將該多個節點中的每一個分配給相對應的主節點；確定在每個節點處測量的本地時間和在該節點的相對應主節點處測量的本地時間之間的第一時間偏移，以及確定每個主節點和參考時間之間的第二時間偏移，從而能夠確定在每個節點處測量的本地時間和參考時間之間的時間偏移。
文檔編號H04B7/26GK101843010SQ200880107674
公開日2010年9月22日 申請日期2008年12月15日 優先權日2007年12月18日
發明者F·戈蒂弗雷迪, M·戈塔 申請人:泰勒斯阿萊尼亞空間公司義大利分公司