[发明专利]一种分布式矿震监测系统的时间同步方法

说明书

本发明公开一种分布式矿震监测系统的时间同步方法，涉及一种时间同步方法，此方法针对簇内节点和簇间各簇首节点设计了两种时间同步算法，分别为簇内斜率一致性时间同步算法和簇间的简化时钟相偏频偏联合估计算法。首先簇内节点通过STS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，然后簇首节点与锚节点通过SJMLE算法进行同步，进而间接实现簇首节点之间的同步操作。本发明分别对簇内、簇间的两种时间同步算法进行了硬件平台实验与仿真分析，实验及仿真的结果验证了所提算法的有效性，证明了该同步方案具有较强的鲁棒性、可扩展性及良好的同步精度，充分结合了分布式与结构式时间同步算的优点，能适应矿震监测系统所处的特殊环境。

技术领域

本发明涉及一种时间同步方法，尤其涉及一种分布式矿震检测系统的时间同步方法。

背景技术

一般煤炭企业都是采用分布式矿震检测系统进行监测预警，而分布式矿震监测系统中时间同步是一项重要支撑技术。统一的时钟标准是分布式矿震监测系统中的数据传输调控和数据分析应用的必要条件。硬件平台和操作系统有所不同，导致各节点时钟的硬件实现和编程接口标准各异，另外各个节点的石英晶体振荡器和时钟中断更加影响时钟源的统一性。由于制造工艺的不同，即使是同一型号的晶振，频率也不尽相同，同时，由于节点所处的环境不同，温度、湿度、压强、磁场强度都会影响晶振的稳定性。因此定期调整无线传感网络中的时钟是非常有必要的。

现有的多种时间同步协议，适用于多种条件和场景，然而分布式微震监测系统节点数量大、能量受限、硬件性能弱、拓扑结构多变。另外，已有的时间同步协议在应用在煤矿井下时都会受到一定的限制，如结构式时间同步协议无法适应大规模无线网络，而分布式时间同步协议无法快速有效地完成时间同步操作。因此，设计井下无线传感器网络的时间同步协议仍然面临诸多挑战，如同步精度与通信延时的关系、收敛速度与低功耗的平衡等。在设计一个传感器网络时，有许多重要因素需要考虑，容错率、时效性、可扩展性、网络拓扑约束、硬件约束条件、成本、功耗等。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种针对分层簇型同步方法中的两个过程提出的两种时间同步算法之间的相互配合以完成分布式矿震监测系统网络的时间同步工作，具有较高的鲁棒性、可扩展性以及较高的时间同步精度的分布式矿震监测系统的时间同步方法。为此，现提出如下技术方案：

一种分布式矿震监测系统的时间同步方法，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：

(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：

(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；