天基智联网络智能时钟控制与管理方法

1.本技术涉及卫星时钟同步领域，特别是涉及一种天基智联网络智能时钟控制与管理方法。


背景技术：

2.卫星网络时钟同步方式主要有gnss授时、基于结构式网络拓扑的时间传递和分布式时钟同步。目前，卫星网络时钟同步系统主要还是依靠当前的gnss，每颗卫星与gnss保持时间同步，从而实现整网的时间同步，然而gnss信号微弱易受干扰，并且要实现优于纳秒级的用户授时精度，系统将变得很复杂，成本也将急剧增加。基于结构式网络拓扑的时间传递，是通过主次节点间两两比对进行的，机理简单且收敛速度快，但在网络拓扑发生变化或节点失效时，需要重新规划时间传递路径，使得系统维护成本较高，鲁棒性和可扩展性相对不足，只适用于卫星数量较少且网络拓扑变化较小的情况。
3.动态自组织的弹性分散化天基系统节点网络拓扑结构对高精度网络化同步提出了挑战。传统星间/星地链路的时钟同步协议主要是结构式算法，一般分为两步：首先在两个星间/星地邻居节点之间建立同步；然后构造一个多跳拓扑结构使得此种同步可以一层一层地传递到所有星间/星地链路节点。然而结构性的时钟同步协议在构建和维持树形或簇形结构上负载过重，另外根节点或网关节点的故障会导致大量与之连接的节点发散故障，协议的可扩展性和鲁棒性有所欠缺。
4.因此，如何解决典型星群环状、星状和网状星间/星地网络拓扑，在星间/星地网络有向通信拓扑及网络存在差异化时延成为了一个亟待解决的技术问题。
5.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供了一种天基智联网络智能时钟控制与管理方法，旨在解决现有技术无法解决典型星群环状、星状和网状星间/星地网络拓扑，在星间/星地网络有向通信拓扑及网络存在差异化时延的技术问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种天基智联网络智能时钟控制与管理方法，所述方法包括：
8.建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面；
9.在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统两级结构；
10.在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器；
11.在所述同步域控制管理器中收集且处理一定时钟域内的时钟同步信息，并通过北向接口连接同步网络集中控制管理系统，在收集且处理整个卫星时钟网络信息后，再通过同步域控制管理器向对应的卫星时钟节点下发控制管理信息。
12.可选地，所述建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面的步骤之后，还包括：
13.在所述智能时钟网络架构中采用分布式时钟同步的方式进行时钟同步。
14.可选地，所述在所述智能时钟网络架构中采用分布式时钟同步的方式进行时钟同步的步骤，包括：
15.在所述同步传递平面中获取各个卫星与邻近卫星时钟的相对时差测量值δτ
ij
和相对频率测量值δf
ij
；
16.利用智能同步协议进行分布式计算，并估计自身时钟的时间偏差αi和频率偏差βi参数；
17.基于所述估计参数对星上逻辑时钟进行时钟补偿，通过预设次数的迭代测量控制达到卫星网络逻辑时钟一致。
18.可选地，所述在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统两级结构的步骤，包括：
19.在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器，所述同步域控制管理器，负责预设区域内其可以在一颗或多颗星上，所述同步域控制管理器负责域同步策略配置、同步传递链路规划、同步告警与故障恢复、主备时钟源健康评估、同步测量链路管理以及同步性能实时监测；
20.建立同步网络集中控制管理系统结构，负责总体控制并部署在一个或多个星/地面站。
21.可选地，所述建立同步网络集中控制管理系统结构的步骤，包括：
22.建立同步网络集中控制管理系统结构，所述同步网络集中控制管理系统结构负责同步网络与链路规划策略、网络访问控制与负载均衡、同步传递分级体系管理、同步性能检测与预报、同步域间协同与调度以及同步告警与故障恢复并部署在一个或多个星/地面站。
23.可选地，所述在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器的步骤之后，还包括：
24.在所述同步传递平面完成全局时间信息的广播和收发信息时戳的提取，根据卫星节点的功能区别将所述卫星节点划分为四种不同的角色：参考时钟节点、时戳测量节点、时钟传递节点以及普通时钟节点。
25.可选地，所述完成全局时间信息的广播和收发信息时戳的提取，根据卫星节点的功能区别将所述卫星节点划分为四种不同的角色：参考时钟节点、时戳测量节点、时钟传递节点以及普通时钟节点的步骤之后，还包括：
26.基于中/低轨星座构建时钟网络服务体系，在所述时钟网络服务体系中构建时钟基准网、时钟骨干网以及时钟接入网；
27.溯源到地面基准站或gnss时钟，通过分布式网络时钟同步控制实现星座内部的高精度统一时钟基准。
28.此外，为实现上述目的，本发明还提出一种天基智联网络智能时钟控制与管理装置，所述装置包括：
29.智能网络架构单元，用于建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面；
30.两级结构单元，用于在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统两级结构；
31.同步传递平面模块，用于在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器；
32.同步域控制管理器模块，用于在所述同步域控制管理器中收集且处理一定时钟域内的时钟同步信息，并通过北向接口连接同步网络集中控制管理系统，在收集且处理整个卫星时钟网络信息后，再通过同步域控制管理器向对应的卫星时钟节点下发控制管理信息。
33.此外，为实现上述目的，本发明还提出一种计算机设备，所述计算机设备包括：存储器，处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的天基智联网络智能时钟控制与管理程序，所述天基智联网络智能时钟控制与管理程序配置为实现如上文所述的天基智联网络智能时钟控制与管理方法。
34.此外，为实现上述目的，本发明还提出一种介质，所述介质上存储有天基智联网络智能时钟控制与管理程序，所述天基智联网络智能时钟控制与管理程序被处理器执行时实现如上文所述的天基智联网络智能时钟控制与管理方法的步骤。
35.本发明根据建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面；在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统两级结构；在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器；在所述同步域控制管理器中收集且处理一定时钟域内的时钟同步信息，并通过北向接口连接同步网络集中控制管理系统，在收集且处理整个卫星时钟网络信息后，再通过同步域控制管理器向对应的卫星时钟节点下发控制管理信息，基于多智能体协同智能控制理论的分布式时钟同步算法是弹性分布式的，不需要依赖于既定的拓扑结构，也不依赖于根节点或者参考节点，具有较强的鲁棒性和可扩展性，解决了典型星群环状、星状和网状星间/星地网络拓扑，在星间/星地网络有向通信拓扑及网络存在差异化时延的问题。
附图说明
36.图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的天基智联网络智能时钟控制与管理设备的结构示意图；
37.图2为本发明天基智联网络智能时钟控制与管理方法第一实施例的流程示意图；
38.图3为本发明天基智联网络智能时钟控制与管理方法第一实施例卫星智能时钟网络架构图；
39.图4为本发明天基智联网络智能时钟控制与管理方法第一实施例卫星网络分布式
智能时钟同步示意图。
具体实施方式
40.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的天基智联网络智能时钟控制与管理设备结构示意图。
42.如图1所示，该天基智联网络智能时钟控制与管理设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(central processing unit，cpu)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(random access memory，ram)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
43.本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对天基智联网络智能时钟控制与管理设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
44.如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及天基智联网络智能时钟控制与管理程序。
45.在图1所示的天基智联网络智能时钟控制与管理设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明天基智联网络智能时钟控制与管理设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在天基智联网络智能时钟控制与管理设备中，所述天基智联网络智能时钟控制与管理设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的天基智联网络智能时钟控制与管理程序，并执行本发明实施例提供的天基智联网络智能时钟控制与管理方法。
46.本发明实施例提供了一种天基智联网络智能时钟控制与管理方法，参照图2，图2为本发明天基智联网络智能时钟控制与管理方法第一实施例的流程示意图。
47.本实施例中，所述天基智联网络智能时钟控制与管理方法包括以下步骤：
48.步骤s10：建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面。
49.在具体实施中，天基智能网联系统是一个高速动态、快速响应的智能敏捷系统，需要实现高速数据传输、动态资源共享、分布式计算与分布式信号级协同等，离不开智能弹性的高精度时钟基准。高精度智能时钟基准建立技术，支持分布式相干探测、多源协同探测、分布式敏捷波形生成等应用。在弹性分散化星座编队协作互联系统中，星座编队之间相互组成虚拟mimo系统，由于发射天线相互分散形成分布式mimo系统。不同于传统mimo技术中发送天线和接收天线都属于同一终端，分布式星间/星地链路的多收发器属于不同节点且相互独立，协作传输需要多节点信号时钟同步来完成。各个节点上的时钟和频率不智能和时变性都可以建模为相对于理想信道的时变信道特性。实现分布式波束形成的基本挑战
是，独立的时钟漂移以及独立的发射机运动会产生高度非平稳的信道，如果来自接收器的反馈延迟比动态信道保持恒定的周期长，那么分布式波束形成性能就会急剧下降。因此为实施多收发器协同波束形成，首先需要进行星间/星地链路多收发器节点的高精度分布式时钟预同步与预测。
50.需要说明的是，由于巨量星座呈现出网状结构的拓扑特性，因此时间同步节点规模大，时钟性能等级多，传递模式多变，因此在星座时间基准建立与维持方面，应采用采用基于分布式时钟同步方式的卫星网络时钟同步控制，同时时钟同步不与定轨耦合，以保证任意拓扑下的卫星时钟网络同步性能。时间同步网是低轨巨量星座必不可少的支撑网之一，通过星间/星地链路网络为低轨星座提供低代价高精度的时间基准，能够为卫星智能网联协同提供有力保障。然而低轨巨量星座存在网络拓扑动态变化大、同步网络路径配置复杂、故障管理与性能检测困难等难题，相对地面时空基准传递网络，同步规划和维护复杂度大大增加，在卫星自主完成时钟同步网络的建立、维护和运行过程中，面临诸多压力。为了解决上述问题，考虑采用基于集中式控制与管理的智能时钟网络架构。智能时钟从源到终端、跨域对同步网络进行控制和管理，能自动准确地进行同步规划、快速高效的发现当前时钟网络配置隐患，进行自动同步恢复和告警定位，并实现同步性能实时监控，从而增强同步网络运行安全可靠性，以及提升同步网络运维管理效率。
51.进一步地，所述建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面的步骤之后，还包括：在所述智能时钟网络架构中采用分布式时钟同步的方式进行时钟同步。
52.进一步地，所述在所述智能时钟网络架构中采用分布式时钟同步的方式进行时钟同步的步骤，包括：在所述同步传递平面中获取各个卫星与邻近卫星时钟的相对时差测量值δτ
ij
和相对频率测量值δf
ij
；利用智能同步协议进行分布式计算，并估计自身时钟的时间偏差αi和频率偏差βi参数；基于所述估计参数对星上逻辑时钟进行时钟补偿，通过预设次数的迭代测量控制达到卫星网络逻辑时钟一致。
53.步骤s20：在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统两级结构。
54.在具体实施中，智能时钟网络架构，如图3所示，由控制管理平面和同步传递平面构成。控制管理平面支持层次化的多级结构，包括同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统(域控制器)两级结构。同步域控制管理器，负责对全网范围内多域同步网络进行管理和控制，通过北向接口与每个同步网络集中控制管理系统进行同步管理和控制信息交互，完成多个域间协同的端到端规划、跨域告警和溯源等功能。同时，集中控制管理系统收集与处理即时卫星时钟网络的信息，并通过卫同步网络集中控制管理系统向卫星时钟节点下发。同步网络集中控制管理系统(域控制器)，负责对单域范围内的同步网络进行管理和控制，包括收集即时卫星网络的拓扑信息、同步配置和状态信息，根据收集到的信息进行分析、计算和处理，并向域内卫星下发同步配置。不同卫星时钟的同步网络集中控制管理系统可以采用不同厂家和性能等级的时钟。同步传递平面由分布式的卫星时钟和时钟源(gnss时钟等)等节点构成，基于分布式网络时钟同步可以充分利用星间/星地链路测量信息，实现端到端的高精度时钟同步与授时。
55.进一步地，所述在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控
制管理系统两级结构的步骤，包括：在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器，所述同步域控制管理器，负责预设区域内其可以在一颗或多颗星上，所述同步域控制管理器负责域同步策略配置、同步传递链路规划、同步告警与故障恢复、主备时钟源健康评估、同步测量链路管理以及同步性能实时监测；建立同步网络集中控制管理系统结构，负责总体控制并部署在一个或多个星/地面站。
56.进一步地，所述建立同步网络集中控制管理系统结构的步骤，包括：建立同步网络集中控制管理系统结构，所述同步网络集中控制管理系统结构负责同步网络与链路规划策略、网络访问控制与负载均衡、同步传递分级体系管理、同步性能检测与预报、同步域间协同与调度以及同步告警与故障恢复并部署在一个或多个星/地面站。
57.在具体实施中，如图4所示，将各个卫星与邻近卫星时钟的相对时差测量值δτ
ij
和相对频率测量值δf
ij
等作为系统输入，利用智能同步协议进行分布式计算，并估计自身时钟的时间偏差αi和频率偏差βi参数，并基于这些估计参数对星上逻辑时钟进行时钟补偿，通过多次迭代测量控制达到卫星网络逻辑时钟一致。
58.步骤s30：在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器。
59.进一步地，所述在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器的步骤之后，还包括：在所述同步传递平面完成全局时间信息的广播和收发信息时戳的提取，根据卫星节点的功能区别将所述卫星节点划分为四种不同的角色：参考时钟节点、时戳测量节点、时钟传递节点以及普通时钟节点。
60.进一步地，所述完成全局时间信息的广播和收发信息时戳的提取，根据卫星节点的功能区别将所述卫星节点划分为四种不同的角色：参考时钟节点、时戳测量节点、时钟传递节点以及普通时钟节点的步骤之后，还包括：基于中/低轨星座构建时钟网络服务体系，在所述时钟网络服务体系中构建时钟基准网、时钟骨干网以及时钟接入网；溯源到地面基准站或gnss时钟，通过分布式网络时钟同步控制实现星座内部的高精度统一时钟基准。
61.进一步地，所述完成全局时间信息的广播和收发信息时戳的提取，根据卫星节点的功能区别将所述卫星节点划分为四种不同的角色：参考时钟节点、时戳测量节点、时钟传递节点以及普通时钟节点的步骤之后，还包括：基于中/低轨星座构建时钟网络服务体系，在所述时钟网络服务体系中构建时钟基准网、时钟骨干网以及时钟接入网；溯源到地面基准站或gnss时钟，通过分布式网络时钟同步控制实现星座内部的高精度统一时钟基准。
62.步骤s40：在所述同步域控制管理器中收集且处理一定时钟域内的时钟同步信息，并通过北向接口连接同步网络集中控制管理系统，在收集且处理整个卫星时钟网络信息后，再通过同步域控制管理器向对应的卫星时钟节点下发控制管理信息。
63.需要说明的是，随着星载处理器计算能力和天基信息网传输能力的提升，智能网联卫星等技术不断走向成熟，卫星系统具有强大星上信息处理与信息融合能力，这使得卫星节点能够收集更多更准确更及时的整网拓扑、预报星历、任务规划、健康状态和环境监测等信息。利用这些信息，卫星网络能够对星间/星地测量提供更高精度的修正，以及对网络时钟同步控制提供更优的鲁棒性。因此在卫星时钟网络集中式控制管理的基础上，卫星网
络时钟可以采用分布式时钟同步方式。同时，多智能体系统智能问题相关理论和方法的发展为分布式时钟同步算法提供了有力的工具。卫星作为典型的自治与半自治系统，卫星网络时钟同步本质上是时钟智能问题，具有多智能体系统的一般特征，基于多智能体智能理论构建时钟的二阶或高阶模型，将时间同步扩展到时间与频率同步，并采用分布式同步算法，能够利用多个邻近节点的相对测量和状态信息进行融合。因此，模型更加精确且信息更加全面，以此提供更高的同步精度。
64.本实施例根据建立智能时钟网络架构，所述智能时钟网络架构包括：控制管理平面和同步传递平面；在所述控制管理平面中建立同步域控制管理器和同步网络集中控制管理系统两级结构；在所述同步传递平面中构建卫星时钟和时钟源，在所述同步传递平台中利用星间/星地链路测量信息，进行一致性时钟同步的分布式计算，将测量状态信息发送至所述同步域控制管理器；在所述同步域控制管理器中收集且处理一定时钟域内的时钟同步信息，并通过北向接口连接同步网络集中控制管理系统，在收集且处理整个卫星时钟网络信息后，再通过同步域控制管理器向对应的卫星时钟节点下发控制管理信息，基于多智能体协同智能控制理论的分布式时钟同步算法是弹性分布式的，不需要依赖于既定的拓扑结构，也不依赖于根节点或者参考节点，具有较强的鲁棒性和可扩展性，解决了典型星群环状、星状和网状星间/星地网络拓扑，在星间/星地网络有向通信拓扑及网络存在差异化时延的问题。
65.此外，本发明实施例还提出一种介质，所述介质上存储有天基智联网络智能时钟控制与管理程序，所述天基智联网络智能时钟控制与管理程序被处理器执行时实现如上文所述的天基智联网络智能时钟控制与管理方法的步骤。
66.本发明天基智联网络智能时钟控制与管理装置的实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
67.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
68.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
69.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
70.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。