[發(fā)明專利]一種分布式礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間同步方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710331305.4
• 申請(qǐng)日: 2017-05-11
• 公開（公告）號(hào): CN107147464B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙小虎;胡東平;張凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H04J3/06
• 分類號(hào): H04J3/06
• 代理公司: 北京勁創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11589
• 代理人: 張鐵蘭

1.一種分布式礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間同步方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)設(shè)置在地面上的授時(shí)器通過(guò)與GPS系統(tǒng)中各個(gè)衛(wèi)星的原子鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，獲得高精度的時(shí)間信號(hào)；井下環(huán)網(wǎng)中的時(shí)間同步交換機(jī)通過(guò)IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議與井上授時(shí)器進(jìn)行同步；錨節(jié)點(diǎn)同樣通過(guò)有線方式與時(shí)間同步交換機(jī)相連，通過(guò)有線時(shí)間同步方式完成時(shí)間同步；

(2)礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇內(nèi)斜率一致性時(shí)間同步算法使所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步至一個(gè)全網(wǎng)統(tǒng)一的虛擬邏輯時(shí)鐘；

(3)礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中簇首節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇間的簡(jiǎn)化時(shí)鐘相偏頻偏聯(lián)合估計(jì)算法進(jìn)行時(shí)間同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)簇首節(jié)點(diǎn)之間的同步操作，簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇間的簡(jiǎn)化時(shí)鐘相偏頻偏聯(lián)合估計(jì)算法估算全網(wǎng)虛擬時(shí)鐘與錨節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘之間的相偏估計(jì)與頻偏估計(jì)，估算出這兩個(gè)參數(shù)后，進(jìn)行一次廣播，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)更新自己的邏輯時(shí)鐘；

所述簇內(nèi)斜率一致性時(shí)間同步算法包括如下步驟：

(2.1)每一個(gè)礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在t₀時(shí)刻都有一個(gè)狀態(tài)量C_i(t₀)，同時(shí)定義網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t的狀態(tài)向量為：C(t)＝[C₁(t),C₂(t),...,C_L(t)]^T；則節(jié)點(diǎn)的一致性時(shí)鐘模型可以表述成：其中ω為時(shí)鐘頻偏；

(2.2)令則上述方程可表述成矩陣動(dòng)態(tài)方程：C(t+1)＝A(t)C(t)，式中，A(t)為非負(fù)矩陣，其由ω_ij(t),i,j∈U組成；

(2.3)則全網(wǎng)統(tǒng)一邏輯虛擬時(shí)鐘可以表示為：L_U(t)＝ω_Ut+φ_U，其中，φ為時(shí)鐘相位偏移，U為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的集合，L為所監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步模型的集合；

所述簇內(nèi)斜率一致性時(shí)間同步算法的具體執(zhí)行過(guò)程如下：

(2.3.1)對(duì)于節(jié)點(diǎn)i,i∈U,設(shè)定同時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置相同的計(jì)數(shù)周期T；

(2.3.2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)本身的硬件計(jì)數(shù)值為T的整數(shù)倍時(shí)，節(jié)點(diǎn)將本身的時(shí)鐘讀數(shù)C_i(t)、廣播給其鄰居節(jié)點(diǎn)；

(2.3.3)節(jié)點(diǎn)j,j∈U，在t₁時(shí)刻收到了其鄰居節(jié)點(diǎn)i的同步數(shù)據(jù)包，則記錄本地時(shí)鐘讀數(shù)C_j(t₁)，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為

(2.3.4)如果節(jié)點(diǎn)i的本地存儲(chǔ)里面有數(shù)據(jù)[C_i(t₀),C_j(t₀)]，則通過(guò)公式與計(jì)算出ω_ij，q_ij；

(2.3.5)當(dāng)q_ij＞1時(shí)：

(2.3.6)當(dāng)q_ij＝1時(shí)：不做改變；

(2.3.7)當(dāng)q_ij＜1時(shí)：執(zhí)行與q_ij＞1時(shí)的相反操作；

(2.3.8)刪除存儲(chǔ)[C_i(t₀),C_j(t₀)]，替換為[C_i(t₁),C_j(t₁)]；

所述簇間的簡(jiǎn)化時(shí)鐘相偏頻偏聯(lián)合估計(jì)算法包括系統(tǒng)構(gòu)建、相偏估計(jì)和頻偏估計(jì)三個(gè)步驟；所述簇間的簡(jiǎn)化時(shí)鐘相偏頻偏聯(lián)合估計(jì)算法具體包括如下步驟：

(3.1)系統(tǒng)構(gòu)建：

節(jié)點(diǎn)一、二通過(guò)雙向交換的機(jī)制進(jìn)行時(shí)鐘同步操作，其中T_1,k至T_4,k均為節(jié)點(diǎn)一或者節(jié)點(diǎn)二的本地時(shí)刻，以作為參考點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)二的第k次上下行信息的時(shí)間戳為：其中式中d是固定時(shí)延，X_i、Y_i為可變時(shí)延，φ節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移，相互獨(dú)立的隨機(jī)變量且服從均值為0，方差為σ²的高斯分布；

(3.2)相偏估計(jì)：

因?yàn)樵贜次同步中，與是均值為μ，方差為σ²相互獨(dú)立且同為高斯分布的隨機(jī)變量，基于觀測(cè)量的似然函數(shù)為：將上述公式取對(duì)數(shù)然后求導(dǎo)得：因此，時(shí)鐘相位偏移的估計(jì)為：其中，式中分別代表的樣本均值；

(3.3)頻偏估計(jì)：

根據(jù)節(jié)點(diǎn)二的第k次上下行信息的時(shí)間戳的計(jì)算公式可以得到定義時(shí)間戳差值為其中式中，X_N，X₁，Y_N，Y₁都服從高斯分布，方差為σ²，所以P和R是服從均值為零，方差為2σ²的高斯分布，因此P和R的概率密度為：因此，簡(jiǎn)化觀測(cè)模型的似然函數(shù)形式為：其中式中將對(duì)數(shù)似然函數(shù)對(duì)ω′求導(dǎo)后可得高斯延遲模型下的最大似然估計(jì)式為將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的延遲觀測(cè)量集合改寫成：所以相偏估計(jì)為：

估算出相偏估計(jì)與頻偏估計(jì)后，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)更新自己的邏輯時(shí)鐘為：