[发明专利]一种分布式矿震监测系统的时间同步方法

权利要求书

1.一种分布式矿震监测系统的时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置在地面上的授时器通过与GPS系统中各个卫星的原子钟进行时钟同步，获得高精度的时间信号；井下环网中的时间同步交换机通过IEEE1588时间同步协议与井上授时器进行同步；锚节点同样通过有线方式与时间同步交换机相连，通过有线时间同步方式完成时间同步；

(2)矿震监测系统中的簇内节点通过簇内斜率一致性时间同步算法使所有节点的时钟同步至一个全网统一的虚拟逻辑时钟；

(3)矿震监测系统中簇首节点与锚节点通过簇间的简化时钟相偏频偏联合估计算法进行时间同步，进而实现簇首节点之间的同步操作，簇首节点通过簇间的简化时钟相偏频偏联合估计算法估算全网虚拟时钟与锚节点时钟之间的相偏估计与频偏估计，估算出这两个参数后，进行一次广播，簇内节点更新自己的逻辑时钟；

所述簇内斜率一致性时间同步算法包括如下步骤：

(2.1)每一个矿震监测系统中的监测节点在t₀时刻都有一个状态量C_i(t₀)，同时定义网络中所有节点在时刻t的状态向量为：C(t)＝[C₁(t),C₂(t),...,C_L(t)]^T；则节点的一致性时钟模型可以表述成：其中ω为时钟频偏；

(2.2)令则上述方程可表述成矩阵动态方程：C(t+1)＝A(t)C(t)，式中，A(t)为非负矩阵，其由ω_ij(t),i,j∈U组成；

(2.3)则全网统一逻辑虚拟时钟可以表示为：L_U(t)＝ω_Ut+φ_U，其中，φ为时钟相位偏移，U为监测节点的集合，L为所监测节点时间同步模型的集合；

所述簇内斜率一致性时间同步算法的具体执行过程如下：

(2.3.1)对于节点i,i∈U,设定同时为每个节点设置相同的计数周期T；

(2.3.2)当节点本身的硬件计数值为T的整数倍时，节点将本身的时钟读数C_i(t)、广播给其邻居节点；

(2.3.3)节点j,j∈U，在t₁时刻收到了其邻居节点i的同步数据包，则记录本地时钟读数C_j(t₁)，并将接收到的数据存储为

(2.3.4)如果节点i的本地存储里面有数据[C_i(t₀),C_j(t₀)]，则通过公式与计算出ω_ij，q_ij；

(2.3.5)当q_ij＞1时：

(2.3.6)当q_ij＝1时：不做改变；

(2.3.7)当q_ij＜1时：执行与q_ij＞1时的相反操作；

(2.3.8)删除存储[C_i(t₀),C_j(t₀)]，替换为[C_i(t₁),C_j(t₁)]；

所述簇间的简化时钟相偏频偏联合估计算法包括系统构建、相偏估计和频偏估计三个步骤；所述簇间的简化时钟相偏频偏联合估计算法具体包括如下步骤：

(3.1)系统构建：

节点一、二通过双向交换的机制进行时钟同步操作，其中T_1,k至T_4,k均为节点一或者节点二的本地时刻，以作为参考点，则节点二的第k次上下行信息的时间戳为：其中式中d是固定时延，X_i、Y_i为可变时延，φ节点的时钟偏移，相互独立的随机变量且服从均值为0，方差为σ²的高斯分布；

(3.2)相偏估计：

因为在N次同步中，与是均值为μ，方差为σ²相互独立且同为高斯分布的随机变量，基于观测量的似然函数为：将上述公式取对数然后求导得：因此，时钟相位偏移的估计为：其中，式中分别代表的样本均值；

(3.3)频偏估计：

根据节点二的第k次上下行信息的时间戳的计算公式可以得到定义时间戳差值为其中式中，X_N，X₁，Y_N，Y₁都服从高斯分布，方差为σ²，所以P和R是服从均值为零，方差为2σ²的高斯分布，因此P和R的概率密度为：因此，简化观测模型的似然函数形式为：其中式中将对数似然函数对ω′求导后可得高斯延迟模型下的最大似然估计式为将两个节点之间的延迟观测量集合改写成：所以相偏估计为：

估算出相偏估计与频偏估计后，簇内节点更新自己的逻辑时钟为：