動(dòng)態(tài)組網(wǎng)高精度雙向時(shí)間同步技術(shù)研究*

齊小剛，袁列萍，劉立芳

(1.西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，西安 710071；2.西安電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安 710071)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信、電子等技術(shù)的快速發(fā)展，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)因高健壯性、強(qiáng)抗毀性、低截獲性、自組織性等優(yōu)勢(shì)在搶險(xiǎn)救災(zāi)、交通監(jiān)測(cè)、航天航空、導(dǎo)航定位等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。尤其是在軍事中，移動(dòng)或固定終端隨機(jī)入網(wǎng)、資源監(jiān)測(cè)并動(dòng)態(tài)調(diào)整、基于優(yōu)先級(jí)方式優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)等需求更是突顯了動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的重要價(jià)值。動(dòng)態(tài)組網(wǎng)是一種獨(dú)立于固定基礎(chǔ)設(shè)施搭建的臨時(shí)自治網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)且均配有收發(fā)裝置，能夠接收并發(fā)送一定量的信息[2]。網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和自組織性使得各個(gè)終端獲得通信便利的同時(shí)，終端設(shè)備時(shí)鐘不匹配問(wèn)題使得終端無(wú)法無(wú)差錯(cuò)的協(xié)調(diào)工作，這一瓶頸難題給動(dòng)態(tài)組網(wǎng)進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)加入及退出、位置不固定、速度及移動(dòng)方向不可預(yù)測(cè)等特點(diǎn)使動(dòng)態(tài)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)同步變得十分困難[3]?，F(xiàn)有高精度時(shí)間同步方法大多集中于靜態(tài)站[4-5]，動(dòng)態(tài)站[6-7]研究較少。然而，現(xiàn)實(shí)生活中的很多應(yīng)用，同步的終端設(shè)備已經(jīng)不再局限于靜態(tài)，往往是移動(dòng)的，這使得同步方法不僅需要適應(yīng)動(dòng)態(tài)、自組織的網(wǎng)絡(luò)，而且算法應(yīng)具有靈活、精度高、抗干擾能力良好、通信開(kāi)銷低、可靠性高等特點(diǎn)。因此研究適應(yīng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的高精度時(shí)間同步方法迫在眉睫，高效、高精度且計(jì)算復(fù)雜度低的動(dòng)態(tài)站時(shí)間同步方法不僅具有延長(zhǎng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)壽命，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)我國(guó)航天、軍事等發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用。

1 經(jīng)典的時(shí)間同步技術(shù)

根據(jù)時(shí)間同步過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳輸方向和交互方式差異并結(jié)合文獻(xiàn)[6]的分類優(yōu)勢(shì)，經(jīng)典的時(shí)間傳遞技術(shù)大體上可歸納為兩類：?jiǎn)蜗驎r(shí)間同步和雙向時(shí)間同步，如圖1所示。

圖1 時(shí)間傳遞技術(shù)分類

1.1 單向時(shí)間同步

單向時(shí)間同步技術(shù)[8-13]指根據(jù)信號(hào)在傳輸媒介的單程時(shí)延，在接收端進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的過(guò)程。其中，GNSS時(shí)間傳遞法是應(yīng)用最廣泛的時(shí)間傳遞方法之一，主要分為單向時(shí)間傳遞[7]、共視時(shí)間傳遞[8]、全視時(shí)間傳遞[9]、精密單點(diǎn)定位(PPP)[10]四種方法。①GNSS單向時(shí)間傳遞具有低成本、信號(hào)覆蓋率高、可為多用戶服務(wù)的優(yōu)點(diǎn)，但時(shí)間傳遞受大氣和星載鐘的影響較大，同步精度不高。②GNSS共視時(shí)間傳遞法原理如圖2所示，該方法通過(guò)兩單向傳遞結(jié)果作差消除了衛(wèi)星鐘與系統(tǒng)之間的鐘差，且星載鐘誤差，大氣時(shí)延誤差等部分抵消，有效提高了時(shí)間同步的精度；但待同步兩站必須觀測(cè)同一顆衛(wèi)星，一定程度上對(duì)兩地的共視距離有限制，不能進(jìn)行全球任意位置間的時(shí)間比對(duì)。③GNSS全視時(shí)間傳遞法原理如圖3所示，待同步節(jié)點(diǎn)獨(dú)立跟蹤多顆衛(wèi)星，不受距離限制，可實(shí)現(xiàn)全球任意位置時(shí)間同步，然而該方法容易受星載鐘和星歷誤差的影響。④精密單點(diǎn)定位(PPP)原理與全視類似，只是數(shù)據(jù)處理方式不同，該方法精度很高但算法復(fù)雜，難以適用實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。

圖2 GNSS共視基本原理

圖3 GNSS全視/PPP基本原理

1.2 衛(wèi)星雙向時(shí)間同步

雙向時(shí)間同步技術(shù)[14-15]原理如圖4所示，待同步的兩站通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送時(shí)間信息給對(duì)方并接收對(duì)方傳輸?shù)臅r(shí)間信息，結(jié)合對(duì)流層、設(shè)備時(shí)延等影響因素進(jìn)行修正，計(jì)算出兩站的鐘差。該方法因傳輸路徑近似對(duì)稱，路徑時(shí)延可以忽略，精度較高。發(fā)射和接收路徑相同，方向相反，消除了衛(wèi)星、測(cè)站位置誤差的影響，最大限度地降低了電離層、對(duì)流層時(shí)延誤差的影響，而且通信衛(wèi)星較寬的帶寬有利于信號(hào)設(shè)計(jì)，受溫度、濕度等影響較大，但可通過(guò)有效手段進(jìn)行修正使影響控制在可接收范圍內(nèi)。與單向時(shí)間同步方法相比，衛(wèi)星雙向時(shí)間同步具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：

①傳輸路徑時(shí)延可大部分抵消，因而同步精度較高。待同步節(jié)點(diǎn)為靜態(tài)站時(shí)，傳輸路徑對(duì)稱，可忽略傳輸路徑造成的誤差；待同步節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳輸路徑近似對(duì)稱，大部分傳輸時(shí)延可被抵消。

②待同步節(jié)點(diǎn)間距較小時(shí)，無(wú)需中繼轉(zhuǎn)發(fā)，即可通過(guò)節(jié)點(diǎn)間互發(fā)測(cè)距信息，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步；比對(duì)時(shí)間短，實(shí)時(shí)性高。

③可靠性高，適用動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?/p>

圖4 衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞基本原理

2 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)雙向時(shí)間同步原理

在短距離直發(fā)直收情況下，假設(shè)任意動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，在系統(tǒng)t時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B互發(fā)互收測(cè)距信號(hào)，并計(jì)算相應(yīng)偽距值；節(jié)點(diǎn)A將自己的偽距信息、發(fā)射時(shí)刻、接收時(shí)刻等信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B；節(jié)點(diǎn)B根據(jù)自己的偽距信息、發(fā)送時(shí)刻等信息結(jié)合接收到的節(jié)點(diǎn)A的信息，進(jìn)行鐘差計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，圖5給出了動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)雙向時(shí)間同步框圖。

在系統(tǒng)t時(shí)刻，兩動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送測(cè)距信號(hào)，根據(jù)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)雙向時(shí)間同步框架及其監(jiān)測(cè)反饋原理得到偽距的計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

式(1)中，ρAB和ρBA分別表示A到B和B到A的偽距；lAB和lBA分別表示A到B和B到A的真實(shí)幾何距離；ΔtAT和ΔtBT分別表示A和B的發(fā)送時(shí)延；ΔtAR和ΔtBR分別表示A和B的接收時(shí)延；ΔtAB和ΔtBA分別表示A和B的自由空間傳輸時(shí)延；δB-δA表示A和B的時(shí)差；ε表示其他噪聲；c表示光速。

根據(jù)公式(1)可得到鐘差的計(jì)算公式為

(2)

圖5 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)雙向時(shí)間同步框架

在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，由于節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性，節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離無(wú)法實(shí)時(shí)得到，而雙向時(shí)間同步方法可通過(guò)運(yùn)算，抵消節(jié)點(diǎn)真實(shí)幾何距離項(xiàng)，得到鐘差，消除了真實(shí)距離計(jì)算帶來(lái)的誤差，使得時(shí)間同步精度更高。在節(jié)點(diǎn)位置未知情況下，鐘差計(jì)算方法如下。

式(3)和式(4)為系統(tǒng)時(shí)刻t時(shí)兩動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)A和B發(fā)送和接收時(shí)刻的關(guān)系方程。

節(jié)點(diǎn)A和B發(fā)送時(shí)刻的關(guān)系式：

(3)

節(jié)點(diǎn)A和B接收時(shí)刻的關(guān)系式：

(4)

式(3)和(4)中，tAS為A的發(fā)送時(shí)刻，tBS為B的發(fā)送時(shí)刻，δtAS和δtBS為A和B發(fā)送的瞬時(shí)鐘差。tAR和tBR分別為A和B節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)刻，τBA為信號(hào)在B節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到A節(jié)點(diǎn)接收整個(gè)過(guò)程的傳輸時(shí)延，τAB為信號(hào)在A節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到B節(jié)點(diǎn)接收整個(gè)過(guò)程的傳輸時(shí)延。

將式(3)代入式(4)中，兩式作差得

(δtAS-δtBS)+(tAR-tBR)=(δtAS-δtBS)+(δtAR-δtBR)=

(δtAS+δtAR)-(δtBS+δtBR)=τAB-τBA。

(5)

因τBA為信號(hào)在B節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到A節(jié)點(diǎn)接收整個(gè)過(guò)程的傳輸時(shí)延，τAB為信號(hào)在A節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到B節(jié)點(diǎn)接收整個(gè)過(guò)程的傳輸時(shí)延。從而τBA-τBA包含了真實(shí)幾何距離時(shí)延、設(shè)備的發(fā)送接收時(shí)延，自由空間的大氣傳輸時(shí)延及其他噪聲時(shí)延。即

(6)

將式(5)和式(6)代入式(2)中可得到

(δtAS+δtAR)-(δtBS+δtBR)=τAB-τBA≈(ρAB-ρBA)/c。

(7)

因此，在節(jié)點(diǎn)位置未知情況下，通過(guò)位置抵消可得到兩同步節(jié)點(diǎn)鐘差。

3 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)雙向時(shí)間同步的重要影響因素

為建立動(dòng)態(tài)組網(wǎng)時(shí)間同步方案，探尋和分析動(dòng)態(tài)組網(wǎng)雙向時(shí)間頻率傳遞的影響因素是構(gòu)建時(shí)間同步模型的先決條件，準(zhǔn)確高效地評(píng)估各個(gè)影響因素對(duì)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的影響狀態(tài)是修正和調(diào)整鐘差的必經(jīng)之路。本文綜合考慮雙向時(shí)間同步的原理及節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性能，在短距離直發(fā)直收情況下，將影響時(shí)間雙向同步的因素歸納為3個(gè)方面，如圖6所示，分別為節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)造成的Sagnac效應(yīng)路徑不對(duì)稱時(shí)延、自由大氣傳輸中的電離層和對(duì)流層時(shí)延及用于進(jìn)行時(shí)間同步的發(fā)送和接收設(shè)備時(shí)延。

圖6 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)雙向時(shí)間同步影響因素

3.1 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)Sagnac效應(yīng)幾何路徑時(shí)延

在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)處于不斷運(yùn)動(dòng)中，產(chǎn)生的Sagnac效應(yīng)[16]造成雙向傳遞路徑不對(duì)稱，進(jìn)而產(chǎn)生路徑時(shí)延誤差，原理如圖7所示，修正Sagnac效應(yīng)對(duì)時(shí)間同步的影響是提高時(shí)間同步精度的核心環(huán)節(jié)。

假設(shè)參與時(shí)間同步的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)A和B，在系統(tǒng)t時(shí)刻發(fā)送同步信號(hào)時(shí)，分別位于S1和S3位置處，由于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，A和B節(jié)點(diǎn)接收到對(duì)方信號(hào)時(shí)分別位于S2和S4位置處。Sagnac路徑時(shí)延計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

①A和B為位置已知的錨節(jié)點(diǎn),其中A的Sagnac效應(yīng)時(shí)延為

ΔtAS=(|S3-S2|-|S3-S1|)/c，

(8)

B的Sagnac效應(yīng)時(shí)延為

ΔtBS=(|S4-S1|-|S3-S1|)/c，

(9)

式(8)和式(9)中，S1,S2,S3和S4為位置矢量?？梢缘玫紸和B雙向鏈路因Sagnac造成的鏈路時(shí)延誤差為：

ΔtSa=ΔtAS-ΔtBS=(|S3-S2|-|S4-S1|)/c。

(10)

圖7 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)Sagnac效應(yīng)原理圖

②A和B為位置未知的隨機(jī)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)。

若節(jié)點(diǎn)位置未知，則無(wú)法用公式(10)計(jì)算鏈路時(shí)延誤差，本文通過(guò)已有的時(shí)鐘時(shí)刻信息及其節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度信息，推算與距離的關(guān)系，進(jìn)而得到位置未知條件下動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延。

動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)A和B的運(yùn)動(dòng)矢量方程為：

(11)

式(11)中，VAR為節(jié)點(diǎn)A接收時(shí)刻的瞬時(shí)速度，VBR為節(jié)點(diǎn)B接收時(shí)刻的瞬時(shí)速度。

將式(11)代入式(9)中，即可得到位置未知時(shí)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延：

ΔtSag=(|S3-S2|-|S4-S1|)/c=(|S1-S4+DA+DB|-|S4-S1|)/c≤(|DA|+|DB|)/c≈ (|VAR×(tAR-(tAT+ΔtAT))|)/c+(|VBR×(tBR-(tBT+ΔtBT))|)/c。

(12)

由式(12)可知，節(jié)點(diǎn)位置未知時(shí)，精確的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)速度估計(jì)是計(jì)算鏈路時(shí)延的關(guān)鍵。

3.2 大氣傳輸時(shí)延

自由傳輸空間的時(shí)延誤差主要來(lái)源于大氣中的電離層[17]和對(duì)流層[18]，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層和電離層時(shí)，因?yàn)檎凵?、散射、反射、吸收等，路徑產(chǎn)生彎曲或偏移原來(lái)路徑，造成測(cè)距誤差，采用或建立合理模型精確估計(jì)大氣傳輸時(shí)延是進(jìn)行測(cè)距修正的重要步驟。

①電離層時(shí)延。在雙向時(shí)間頻率傳遞中，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)A上下行鏈路的電離層時(shí)延差可用如下公式[19]表示：

(13)

式(13)中，Ttec,A是節(jié)點(diǎn)A的電離層總電子含量，fU代表上行信號(hào)頻率，fD代表下行信號(hào)頻率。

電離層對(duì)鏈路站A到B產(chǎn)生的延遲為

(14)

電離層對(duì)反向鏈路B到A產(chǎn)生的延遲為

(15)

式(14)和(15)中，Ttec,B為節(jié)點(diǎn)為B的電離層總電子含量。

②對(duì)流層時(shí)延。對(duì)流層延遲主要由大氣中的干燥氣體和水汽引起，可統(tǒng)一化計(jì)算公式[20]為

ttrop=tdry+twet,

(16)

式(16)中，ttrop，tdry和twet分別表示對(duì)流層延遲、對(duì)流層干延遲和對(duì)流層濕延遲。

根據(jù)實(shí)際情況及同步場(chǎng)景進(jìn)行式(16)細(xì)化計(jì)算。常用的對(duì)流層模型有Hopfield模型[19]、Saastamoinen模型[21]、EGNOS[20]模型、GMF模型[22]和Marini模型[23]等。

3.3 設(shè)備時(shí)延

設(shè)備時(shí)延主要指發(fā)送和接收設(shè)備時(shí)延[24-25]。目前，設(shè)備校準(zhǔn)方法主要有絕對(duì)校準(zhǔn)和相對(duì)校準(zhǔn)[24]，本文以衛(wèi)星模擬器法、單移動(dòng)和雙移動(dòng)站法3種典型方法進(jìn)行了詳細(xì)比較分析。

衛(wèi)星模擬器校準(zhǔn)法先求出待同步站發(fā)射和接收設(shè)備時(shí)延和，再求出調(diào)制解調(diào)器(Modem)的發(fā)送和接收時(shí)延和，利用示波器得到Modem的發(fā)送時(shí)延，進(jìn)而求出Modem的接收時(shí)延；通過(guò)一系列操作，得到衛(wèi)星模擬器到Modem射頻輸入和輸出口的時(shí)延，最終求得設(shè)備的發(fā)送接收時(shí)延差。

單移動(dòng)站法主要有SITE和LINK法兩種，圖8和圖9展示了兩種方案的校準(zhǔn)過(guò)程。①SITE校準(zhǔn)：將移動(dòng)站分別放到待同步站1和站2處做零基線共鐘比對(duì)，得到移動(dòng)站與站1和站2的時(shí)延差，再將兩個(gè)時(shí)延差相減即可得到設(shè)備的時(shí)延差。②LINK校準(zhǔn)：第一步將移動(dòng)站放到站1處進(jìn)行零基線共鐘比對(duì)，得到移動(dòng)站與站1的時(shí)延差；第二步將移動(dòng)站放到站2處，與站1做雙向時(shí)間比對(duì)，結(jié)合第一步得到的時(shí)延差，得到站1與站2的傳輸時(shí)延；第三步將站1與站2做雙向時(shí)間比對(duì)，得到站1與站2的總時(shí)延差，再減去第二步得到的傳輸時(shí)延，進(jìn)而得到設(shè)備的時(shí)延差。

圖8 單移動(dòng)站SITE校準(zhǔn)方法原理

圖9 單移動(dòng)站LINK校準(zhǔn)方法原理

雙移動(dòng)站法[26-27]原理如圖10所示，第一步將兩個(gè)移動(dòng)站都放到站1得到設(shè)備零值；第二步將兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備分別放到站1和站2，進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì)，得到總的時(shí)延；第三步將兩個(gè)移動(dòng)站放到站2處，得到設(shè)備零值；將第一步和第三步得到的設(shè)備零值平均后作為移動(dòng)站設(shè)備的零值，再將該值代入第二步得到，得到雙向鏈路的時(shí)延；第四步，利用站1與站2進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì)，得到時(shí)延；第五步將第三步和第四步得到的時(shí)延相減即可得到站1與站2 的設(shè)備鐘差。

圖10 雙移動(dòng)站校準(zhǔn)方法原理

表1比較了3種設(shè)備校準(zhǔn)方案的性能，結(jié)果顯示各個(gè)方法都有缺陷，為提高設(shè)備校準(zhǔn)精度，可將衛(wèi)星模擬器法和移動(dòng)站法結(jié)合：對(duì)于靜止節(jié)點(diǎn)，利用移動(dòng)站法進(jìn)行長(zhǎng)期校準(zhǔn)，同時(shí)利用衛(wèi)星模擬器法進(jìn)行連續(xù)測(cè)量彌補(bǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的不足，兩套系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用在同一校準(zhǔn)站，兩組測(cè)量數(shù)據(jù)相互對(duì)比檢驗(yàn)，可提高雙向時(shí)間同步校準(zhǔn)系統(tǒng)的置信度[27]。然而動(dòng)態(tài)組網(wǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處在不停變化中，周圍環(huán)境噪聲、各種干擾使得時(shí)鐘不斷漂移和抖動(dòng)，無(wú)法一次校準(zhǔn)保持不變。文獻(xiàn)[28]提出了一種基于各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星雙向設(shè)備時(shí)延的校準(zhǔn)方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)可用雙向比對(duì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理的方式校準(zhǔn)兩地衛(wèi)星雙向設(shè)備的時(shí)延差，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、精度較高。動(dòng)態(tài)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化難以預(yù)測(cè)，基于信息(包括數(shù)據(jù)包傳遞信息、發(fā)射信號(hào)信息等)的設(shè)備時(shí)延估計(jì)方法值得深入研究。

表1 常用設(shè)備時(shí)延校準(zhǔn)方法性能比較

4 開(kāi)放性問(wèn)題

截止目前，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)廣泛開(kāi)展并取得了許多研究成果，但仍存在一些開(kāi)放性問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

①動(dòng)態(tài)組網(wǎng)內(nèi)部的多址干擾抑制。動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，多址干擾對(duì)通信質(zhì)量和系統(tǒng)同步有很大的影響，為提高時(shí)間同步精度，進(jìn)行多址干擾抑制是首要解決的問(wèn)題之一。已研究的成果主要分為多用戶檢測(cè)[29]和多址干擾抵消[30-31]兩種算法，算法的最終結(jié)果展現(xiàn)在提高檢測(cè)性能和降低算法計(jì)算復(fù)雜度兩個(gè)方面，在算法性能方面多用戶檢測(cè)算法優(yōu)于干擾抵消算法。已有算法只是通過(guò)優(yōu)化信號(hào)體制對(duì)干擾進(jìn)行了一定的緩解。因此，高效的多址干擾抑制技術(shù)是改善時(shí)間同步技術(shù)精度的突破口之一，仍值得進(jìn)一步研究。

②動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)組合時(shí)間同步方案研究。動(dòng)態(tài)組網(wǎng)內(nèi)部因用途、環(huán)境、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等不同，并非所有節(jié)點(diǎn)都需要同樣水平的時(shí)間精度。若使用統(tǒng)一的時(shí)間同步方案，又必須適用所有節(jié)點(diǎn)，滿足所有節(jié)點(diǎn)的精度要求，在一定程度上增加了硬件的成本、軟件算法復(fù)雜度等，因此針對(duì)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性和精度要求進(jìn)行具體問(wèn)題具體分析是十分有效的處理措施。文獻(xiàn)[32]針對(duì)低動(dòng)態(tài)、中動(dòng)態(tài)、高動(dòng)態(tài)3種運(yùn)動(dòng)情況給出了相應(yīng)的硬件或軟件時(shí)間同步方法，該方法高效地解決了動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步問(wèn)題。在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，建立適用不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間同步方案是十分有效的。主要處理方法可為：給節(jié)點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷模塊，對(duì)發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷，進(jìn)而調(diào)用不同的時(shí)間同步方案，這樣實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

③高傳輸速率的數(shù)據(jù)鏈路設(shè)置。信息傳遞是雙向時(shí)間頻率傳遞的基石，時(shí)間同步的精度直接依賴于傳輸鏈路的性能。目前使用頻繁的數(shù)據(jù)鏈主要有LINK 16[33]和TTNT[34]，而LINK 16通常用于預(yù)先人為規(guī)劃的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不適用于動(dòng)態(tài)組網(wǎng)；TTNT數(shù)據(jù)鏈以IP協(xié)議為基礎(chǔ)，采用Ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，能夠迅速瞄準(zhǔn)移動(dòng)和時(shí)間敏感目標(biāo)且具有高吞吐量、高傳輸速率、低傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)[34]，因此TTNT數(shù)據(jù)鏈成為時(shí)間同步信息傳輸首選。研究和建立高速的數(shù)據(jù)鏈路是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)高精度時(shí)間同步需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

④建立實(shí)時(shí)偽距預(yù)測(cè)模型。偽距計(jì)算是雙向時(shí)間同步的核心環(huán)節(jié)，已有的偽距計(jì)算主要采用時(shí)間間隔期多次測(cè)量數(shù)據(jù)平均[35]得到，這種方法耗時(shí)，不具備實(shí)時(shí)性?；谇耙粫r(shí)刻信息的偽距估計(jì)模型[36]能夠在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)已有信息估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻偽距值，算法精度高。在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，將基于時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的儀器測(cè)量和基于信息的估計(jì)模型相結(jié)合的偽距估計(jì)模型將是一種十分實(shí)用的方法。實(shí)現(xiàn)的步驟大體為：可設(shè)定時(shí)間閾值，在閾值范圍內(nèi)，通過(guò)估計(jì)模型實(shí)時(shí)估計(jì)偽距，若超出閾值范圍，則采用儀器測(cè)量方法進(jìn)行偽距測(cè)量。這樣既可保證偽距測(cè)量的精度，又可滿足動(dòng)態(tài)組網(wǎng)實(shí)時(shí)性的要求。

⑤高效的頻差估計(jì)。文獻(xiàn)[37]給出了時(shí)差與頻差之間的關(guān)系，指出時(shí)鐘的頻率誤差會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘頻率漂移，進(jìn)而引起鐘差的改變。在進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，單純只校準(zhǔn)時(shí)鐘鐘差，只能維持小段時(shí)隙內(nèi)時(shí)間的同步，一段時(shí)間之后，已同步的時(shí)間會(huì)因?yàn)轭l率漂移產(chǎn)生偏差。在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原子鐘受溫度、力頻等因素影響，頻率出現(xiàn)漂移，造成時(shí)間同步誤差；為實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步，必須保證良好的頻率穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度，因此高效的實(shí)時(shí)頻差模型是未來(lái)時(shí)間同步精度提高研究的重點(diǎn)。

⑥可靠的多普勒頻移估計(jì)。多普勒頻移指信源相對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)是不斷運(yùn)動(dòng)的，其徑向速度將對(duì)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)時(shí)形成較大頻偏的過(guò)程[38]。當(dāng)多普勒頻移超出捕獲帶或頻偏率過(guò)大時(shí)，會(huì)造成環(huán)路失鎖，無(wú)法進(jìn)行信號(hào)捕獲和跟蹤[39]。因此多普勒頻移的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲跟蹤及載波同步意義重大。目前，多普勒頻移的解決方法主要可歸納為兩大類：一是對(duì)鎖相環(huán)路的寬度捕獲和動(dòng)態(tài)范圍跟蹤進(jìn)行改善[40]，該方法會(huì)影響系統(tǒng)的其他性能，例如加長(zhǎng)信號(hào)捕獲時(shí)間等，且該方法適應(yīng)的時(shí)變范圍有限，算法性能受信噪比的制約；二是通過(guò)多普勒頻移估計(jì)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償或消除[41]，基于這種思想，文獻(xiàn)[42]提出了一種多普勒頻移的快速估計(jì)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法，該方法計(jì)算復(fù)雜度低，實(shí)時(shí)性好且不依賴接收機(jī)的信噪比，對(duì)大頻偏信號(hào)的快速跟蹤和解調(diào)具有一定的參考價(jià)值；文獻(xiàn)[43]以高動(dòng)態(tài)載體在臨近空間中的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)模型為依據(jù)，仿真分析了高動(dòng)態(tài)載體相對(duì)于臨近空間平臺(tái)的多普勒頻移變化曲線，通過(guò)變化曲線，可動(dòng)態(tài)調(diào)整捕獲跟蹤方案，提高跟蹤精度。在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，動(dòng)態(tài)兩節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步時(shí)，因波源與接收節(jié)點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得接收節(jié)點(diǎn)接收到的頻率與波動(dòng)頻率產(chǎn)生差異，進(jìn)而導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)解調(diào)時(shí)形成較大的載波頻偏，為解決這一問(wèn)題，可借鑒第二類多普勒頻移估計(jì)并補(bǔ)償及動(dòng)態(tài)調(diào)整捕獲方案的思想，抑制多普勒頻移對(duì)信號(hào)捕獲跟蹤及載波同步的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)平臺(tái)下的各種應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生活的各個(gè)方面。如何保證各個(gè)控制平臺(tái)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)、指揮平臺(tái)等處在統(tǒng)一時(shí)間尺度下工作，是動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的核心需解決的問(wèn)題，因此研究基于動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的高精度時(shí)間同步技術(shù)意義重大。本文對(duì)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)時(shí)間同步關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)。重點(diǎn)研究了基于動(dòng)態(tài)組網(wǎng)雙向時(shí)間同步技術(shù)，推導(dǎo)了在節(jié)點(diǎn)位置未知狀態(tài)下的鐘差解算公式和Sagnac效應(yīng)時(shí)延公式，并討論了動(dòng)態(tài)組網(wǎng)框架下的開(kāi)放性問(wèn)題，希望能為研究者設(shè)計(jì)更加精確的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)時(shí)間同步方案甚至最終推動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的部署發(fā)展及基于時(shí)間同步的系統(tǒng)構(gòu)造、儀器檢測(cè)、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域的研究給出有意義的啟示。