CN112600637B - 无线广播授时校准方法、设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线广播授时校准方法、设备及计算机可读存储介质，所述无线广播授时校准方法通过在首次解析出发端的信号帧，也即是与发端信号同步时，进行本地晶振的初始误差估计补偿，使得初步评估晶振差并校正；通过在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，以减小时延对同步时钟的影响，并通过发端发送的信号帧确定本地时钟的精确计时起点以完成同步位置锁定，利用同步时钟对本地时钟进行校准，消除由时间推移产生的累计误差，保证了本地时钟长期计时的准确性；通过在同步位置锁定后实时评估晶振误差并实时校正，保证了本地时钟短期计时的准确性，同时也可减小长波传输过程中由于包括多径在内的环境影响而造成的授时精度影响。

Description

无线广播授时校准方法、设备及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及授时技术领域，尤其涉及一种无线广播授时校准方法、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
高精度时间信息在当今社会的技术和经济发展中起着越来越重要作用，如通信、电力和金融等行业都离不开精确的计时***，以实现同步和高效率运行。随着授时服务在这些领域得到广泛的应用和发展，用于实现精确时间同步的授时***的性能、可靠性、实现和维护的成本等因素逐渐被更加重视起来。
常见的授时方式有原子钟、导航卫星授时、网络授时、短波授时、长波授时等。以长波授时为代表的地面广播授时***，信号抗干扰能力较强，对电离层、太阳风暴等自然扰动不敏感，人为干扰比较困难，是导航卫星授时***最可行、最可靠的备份。对于地面广播授时***而言，制约授时精度的瓶颈主要是授时信号的传播时延难以准确计算。传播时延与传播路径的距离、地形地物、大地电导率以及大气折射率等有关，会随着这些时间和空间因素的变化而变化。具体来说，天气和季节的变化引起空气湿度变化会导致大气折射率的变化；天气和季节的变化引起气温变化和降水引起地面温湿度的变化导致地面大地电导率和介电常数的变化；沿海或者有梅雨的地区因为湿度较大导致大气折射率较高；地形地物、地质地理条件的差异导致传播路径的变化；这些情况都会引发传播时延的变化。传播时延这种随时间变化和空间变化的特点，使得用户接收机难以对其做出准确的估计，从而无法准确还原出授时信号。因此，上述情况反映出现有的长波授时方式存在准确度不佳的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种无线广播授时校准方法，旨在解决现有的长波授时方式的准确度不佳的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种无线广播授时校准方法，所述无线广播授时校准方法包括：
在接收并首次解析出由发端基于授时服务器的精准时钟源整秒发送的初始信号帧时，控制基于晶振驱动的本地时钟开始计时；
在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，并在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿，其中，所述同步时刻为收端解析出发端整秒发送的传输信号帧的帧头时刻，同步时钟为收端由若干所述传输信号帧的帧头所确定的时钟***；
持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点；
在确定精确计时起点后，持续监测每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，根据所述计时差值对本地时钟进行校正，并基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
可选地，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤包括：
将当前同步时刻作为临时计时起点，以所述临时计时起点调整本地时钟与同步时钟对齐；
在下一同步时刻，判断本地时钟与同步时钟之间的临时差值是否超出预设第一差值阈值；
若所述临时差值超出预设第一差值阈值，则记为一次命中，则继续判断下一同步时刻的临时差值；
若所述临时差值未超出预设第一差值阈值，则记为一次丢失，则取下一同步时刻作为临时计时起点；
直至检测到当前临时计时起点连续命中计数超出预设第一计数阈值，则判定所述当前临时计时起点生效，本地时钟和同步时钟以所述当前临时计时起点为基准进行计时。
可选地，所述根据所述计时差值对本地时钟进行校正的步骤包括：
计算每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，并判断所述计时差值是否大于预设第二差值阈值；
若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟；
若否，则按照小于或等于预设第二差值阈值的计时差值调整本地时钟，以对本地时钟进行校准。
可选地，所述若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟的步骤之后，还包括：
判断所述计时差值是否大于预设第三差值阈值；
若是，则记为一次同步丢失；
直至检测到当前同步丢失的连续计数超出预设第二计数阈值，则重新确定本地时钟的精确计时起点。
可选地，所述基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿的步骤包括：
在检测到所述计时差值的监测时长达到预设时间间隔时，重新计算晶振误差以对所述晶振误差进行更新，并按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
可选地，所述在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿步骤包括：
在检测到晶振处于稳定状态时，标记当前的第一同步时刻为初始0时刻，并调整本地时钟至0时刻；
等待预设时长后，在当前的第二同步时刻分别记录同步时钟的同步计时时间与本地时钟的本地计时时间，并得到所述同步计时时间与本地计时时间的差值；
基于所述同步计时时间与本地计时时间的差值得到初始晶振误差，并按照所述初始晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
可选地，所述在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿的步骤包括：
在本地时钟计时的过程中，每接收到整秒发送的一传输信号帧，则基于所述整秒发送的传输信号帧获取发端位置；
获取预设的由离线测定方式确定的发端时延；
获取收端当前的概略位置，根据所述概略位置与所述发端位置计算传输距离，并基于所述传输距离得到传输时延；
获取当前的缓存数据量，根据所述缓存数据量得到当前的收端计算时延；
结合所述发端时延、传输时延与收端计算时延，在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿。
可选地，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤之后，还包括：
开启秒脉冲使能，并基于本地时钟输出整秒脉冲与时间信息。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种无线广播授时校准装置，所述无线广播授时校准装置包括：
本地计时开启模块，用于在接收并首次解析出由发端基于授时服务器的精准时钟源整秒发送的初始信号帧时，控制基于晶振驱动的本地时钟开始计时；
初始误差补偿模块，用于在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，并在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿，其中，所述同步时刻为收端解析出发端整秒发送的传输信号帧的帧头时刻，同步时钟为收端由若干所述传输信号帧的帧头所确定的时钟***；
同步位置锁定模块，用于持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点；
本地时钟校正模块，用于在确定精确计时起点后，持续监测每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，根据所述计时差值对本地时钟进行校正，并基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
可选地，所述同步位置锁定模块包括：
本地时钟调整单元，用于将当前同步时刻作为临时计时起点，以所述临时计时起点调整本地时钟与同步时钟对齐；
临时差值判断单元，用于在下一同步时刻，判断本地时钟与同步时钟之间的临时差值是否超出预设第一差值阈值；
临时差值命中单元，用于若所述临时差值超出预设第一差值阈值，则记为一次命中，则继续判断下一同步时刻的临时差值；
临时差值丢失单元，用于若所述临时差值未超出预设第一差值阈值，则记为一次丢失，则取下一同步时刻作为临时计时起点；
同步位置锁定单元，用于直至检测到当前临时计时起点连续命中计数超出预设第一计数阈值，则判定所述当前临时计时起点生效，本地时钟和同步时钟以所述当前临时计时起点为基准进行计时。
可选地，所述本地时钟校正模块包括：
第二阈值判断单元，用于计算每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，并判断所述计时差值是否大于预设第二差值阈值；
第二差值调整单元，用于若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟；
计时差值调整模块，用于若否，则按照小于或等于预设第二差值阈值的计时差值调整本地时钟，以对本地时钟进行校准。
可选地，所述本地时钟校正模块包括还包括：
第三差值判断单元，用于判断所述计时差值是否大于预设第三差值阈值；
同步丢失标记单元，用于若是，则记为一次同步丢失；
同步位置重定单元，用于直至检测到当前同步丢失的连续计数超出预设第二计数阈值，则重新确定本地时钟的精确计时起点。
可选地，所述本地时钟校正模块包括：
晶振误差更新单元，用于在检测到所述计时差值的监测时长达到预设时间间隔时，重新计算晶振误差以对所述晶振误差进行更新，并按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
可选地，所述初始误差补偿模块还包括：
初始时刻标记单元，用于在检测到晶振处于稳定状态时，标记当前的第一同步时刻为初始0时刻，并调整本地时钟至0时刻；
计时差值获取单元，用于等待预设时长后，在当前的第二同步时刻分别记录同步时钟的同步计时时间与本地时钟的本地计时时间，并得到所述同步计时时间与本地计时时间的差值；
晶振误差补偿单元，用于基于所述同步计时时间与本地计时时间的差值得到初始晶振误差，并按照所述初始晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
可选地，所述初始误差补偿模块还包括：
发端位置获取单元，用于在本地时钟计时的过程中，每接收到整秒发送的一传输信号帧，则基于所述整秒发送的传输信号帧获取发端位置；
发端时延确定单元，用于获取预设的由离线测定方式确定的发端时延；
传输时延确定单元，用于获取收端当前的概略位置，根据所述概略位置与所述发端位置计算传输距离，并基于所述传输距离得到传输时延；
计算时延确定单元，用于获取当前的缓存数据量，根据所述缓存数据量得到当前的收端计算时延；
同步时延补偿单元，用于结合所述发端时延、传输时延与收端计算时延，在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿。
可选地，所述无线广播授时校准装置还包括：
时间信息输出模块，用于开启秒脉冲使能，并基于本地时钟输出整秒脉冲与时间信息。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种无线广播授时校准设备，所述无线广播授时校准设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的无线广播授时校准程序，所述无线广播授时校准程序被所述处理器执行时实现如上述的无线广播授时校准方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有无线广播授时校准程序，所述无线广播授时校准程序被处理器执行时实现如上述的无线广播授时校准方法的步骤。
本发明提供一种无线广播授时校准方法、设备及计算机可读存储介质。所述无线广播授时校准方法通过在接收并首次解析出由发端基于授时服务器的精准时钟源整秒发送的初始信号帧时，控制基于晶振驱动的本地时钟开始计时；在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，并在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿，其中，所述同步时刻为收端解析出发端整秒发送的传输信号帧的帧头时刻，同步时钟为收端由若干所述传输信号帧的帧头所确定的时钟***；持续接收由发端连续发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点；在确定精确计时起点后，持续监测每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，根据所述计时差值对本地时钟进行校正，并基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。通过上述方式，本发明通过在首次解析出发端的信号帧，也即是与发端信号同步时，进行本地晶振的初始误差估计补偿，使得初步评估晶振差并校正；通过在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，以减小时延对同步时钟的影响，并通过发端发送的信号帧确定本地时钟的精确计时起点以完成同步位置锁定，利用同步时钟对本地时钟进行校准，消除由时间推移产生的累计误差，保证了本地时钟长期计时的准确性；通过在同步位置锁定后实时评估晶振误差并实时校正，保证了本地时钟短期计时的准确性；从而解决了现有的长波授时方式存在准确度不佳的技术问题，同时也可减小长波传输过程中由于包括多径在内的环境影响而造成的授时精度影响。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的无线广播授时校准设备结构示意图；
图2为本发明无线广播授时校准方法第一实施例的流程示意图；
图3为本发明无线广播授时校准方法第一实施例中的无线广播授时收发端***示意图；
图4为本发明无线广播授时校准方法第二实施例中的同步位置锁定流程示意图；
图5为本发明无线广播授时校准方法第三实施例中的收端计算时延示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的无线广播授时校准设备结构示意图。
本发明实施例无线广播授时校准设备可以是某种嵌入式硬件终端。
如图1所示，该无线广播授时校准设备可以包括：处理器1001，例如MCU，通信总线1002，用户接口1003，广播通信接口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)，可选的用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。广播通信接口1004用来接收无线广播信号。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，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的存储设备。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的无线广播授时校准设备结构并不构成对无线广播授时校准设备的限定，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。
如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括广播通信模块、用户接口模块以及无线广播授时校准程序。
在图1所示的无线广播授时校准设备中，广播通信接口1004用来接收发端无线广播信号；用户接口1003主要用于连接客户端(用户端)，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的无线广播授时校准程序，并执行以下操作：
在接收并首次解析出由发端基于授时服务器的精准时钟源整秒发送的初始信号帧时，控制基于晶振驱动的本地时钟开始计时；
在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，并在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿，其中，所述同步时刻为收端解析出发端整秒发送的传输信号帧的帧头时刻，同步时钟为收端由若干所述传输信号帧的帧头所确定的时钟***；
持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点；
在确定精确计时起点后，持续监测每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，根据所述计时差值对本地时钟进行校正，并基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
进一步地，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤包括：
将当前同步时刻作为临时计时起点，以所述临时计时起点调整本地时钟与同步时钟对齐；
在下一同步时刻，判断本地时钟与同步时钟之间的临时差值是否超出预设第一差值阈值；
若所述临时差值超出预设第一差值阈值，则记为一次命中，则继续判断下一同步时刻的临时差值；
若所述临时差值未超出预设第一差值阈值，则记为一次丢失，则取下一同步时刻作为临时计时起点；
直至检测到当前临时计时起点连续命中计数超出预设第一计数阈值，则判定所述当前临时计时起点生效，本地时钟和同步时钟以所述当前临时计时起点为基准进行计时。
进一步地，所述根据所述计时差值对本地时钟进行校正的步骤包括：
计算每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，并判断所述计时差值是否大于预设第二差值阈值；
若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟；
若否，则按照小于或等于预设第二差值阈值的计时差值调整本地时钟，以对本地时钟进行校准。
进一步地，所述若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟的步骤之后，还包括，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的无线广播授时校准程序，并执行以下操作：
判断所述计时差值是否大于预设第三差值阈值；
若是，则记为一次同步丢失；
直至检测到当前同步丢失的连续计数超出预设第二计数阈值，则重新确定本地时钟的精确计时起点。
进一步地，所述基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿的步骤包括：
在检测到所述计时差值的监测时长达到预设时间间隔时，重新计算晶振误差以对所述晶振误差进行更新，并按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
进一步地，所述在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿步骤包括：
在检测到晶振处于稳定状态时，标记当前的第一同步时刻为初始0时刻，并调整本地时钟至0时刻；
等待预设时长后，在当前的第二同步时刻分别记录同步时钟的同步计时时间与本地时钟的本地计时时间，并得到所述同步计时时间与本地计时时间的差值；
基于所述同步计时时间与本地计时时间的差值得到初始晶振误差，并按照所述初始晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
进一步地，所述在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿的步骤包括：
在本地时钟计时的过程中，每接收到整秒发送的一传输信号帧，则基于所述整秒发送的传输信号帧获取发端位置；
获取预设的由离线测定方式确定的发端时延；
获取收端当前的概略位置，根据所述概略位置与所述发端位置计算传输距离，并基于所述传输距离得到传输时延；
获取当前的缓存数据量，根据所述缓存数据量得到当前的收端计算时延；
结合所述发端时延、传输时延与收端计算时延，在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿。
进一步地，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤之后，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的无线广播授时校准程序，并执行以下操作：
开启秒脉冲使能，并基于本地时钟输出整秒脉冲与时间信息。
基于上述硬件结构，提出本发明无线广播授时校准方法的各个实施例。
高精度时间信息在当今社会的技术和经济发展中起着越来越重要作用，如通信、电力和金融等行业都离不开精确的计时***，以实现同步和高效率运行。随着授时服务在这些领域得到广泛的应用和发展，用于实现精确时间同步的授时***的性能、可靠性、实现和维护的成本等因素逐渐被更加重视起来。
常见的授时方式有原子钟、导航卫星授时、网络授时、短波授时、长波授时等。以长波授时为代表的地面广播授时***，信号抗干扰能力较强，对电离层、太阳风暴等自然扰动不敏感，人为干扰比较困难，是导航卫星授时***最可行、最可靠的备份。对于地面广播授时***而言，制约授时精度的瓶颈主要是授时信号的传播时延难以准确计算。传播时延与传播路径的距离、地形地物、大地电导率以及大气折射率等有关，会随着这些时间和空间因素的变化而变化。具体来说，天气和季节的变化引起空气湿度变化会导致大气折射率的变化；天气和季节的变化引起气温变化和降水引起地面温湿度的变化导致地面大地电导率和介电常数的变化；沿海或者有梅雨的地区因为湿度较大导致大气折射率较高；地形地物、地质地理条件的差异导致传播路径的变化；这些情况都会引发传播时延的变化。传播时延这种随时间变化和空间变化的特点，使得用户接收机难以对其做出准确的估计，从而无法准确还原出授时信号。因此，上述情况反映出现有的长波授时方式存在准确度不佳的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供一种无线广播授时校准方法，即通过在首次解析出发端的信号帧，也即是与发端信号同步时，进行本地晶振的初始误差估计补偿，使得初步评估晶振差并校正；通过在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，以减小时延对同步时钟的影响，并通过发端发送的信号帧确定本地时钟的精确计时起点以完成同步位置锁定，利用同步时钟对本地时钟进行校准，消除由时间推移产生的累计误差，保证了本地时钟长期计时的准确性；通过在同步位置锁定后实时评估晶振误差并实时校正，保证了本地时钟短期计时的准确性；从而解决了现有的长波授时方式存在准确度不佳的技术问题，同时也可减小长波传输过程中由于包括多径在内的环境影响而造成的授时精度影响。
参照图2，图2为无线广播授时校准方法第一实施例的流程示意图。
本发明第一实施例提供一种无线广播授时校准方法，所述无线广播授时校准方法包括以下步骤：
步骤S10，在接收并首次解析出由发端基于授时服务器的精准时钟源整秒发送的初始信号帧时，控制基于晶振驱动的本地时钟开始计时；
在本实施例中，如图3所示，无线广播授时收发端***包括授时服务器、发端与收端(通常为用户终端)，本发明应用于收端。授时服务器，用于向发端提供精准的秒脉冲(1PPS，1Pulse Per Second)信号、时间信息(TOD，Time of Day)、精准时钟源，例如，卫星授时服务器以GPS信号作为时间源，同时可选北斗、CDMA、B码等时间源，内嵌国际流行的网络时间协议(NTP，Network Time Protocol)/简单网络时间协议(SNTP，Simple Network TimeProtocol)；发端，用于在授时服务器1PPS信号的控制下，在整秒发送第一个数据帧，其余数据帧在授时服务器的精准时钟控制下输出。整秒的第一个数据帧包含TOD时间信息以及发端的位置信息；用户终端，也叫收端，用于解析发端信息，在同步时钟的基础上补偿包括传输时延在内的延时，校正本地时钟，输出1PPS信号和TOD时间信息。本方法在发端已经满足上述要求的条件下进行设计。需要说明的是，无线广播授时***要求发端在特定的时间发射帧头，发射帧头的时刻对于收端来说必须是可预测的。本发明存在两个时钟***，一个是由同步头确定的时钟***，称之为同步时钟；另一个是本地晶振计时的时钟***，称之为本地时钟。
初始信号帧为收端上电运行后解析出的第一个由发端发送的信号帧。收端上电运行后，等待信号同步与晶振稳定，信号同步指的是收端正确解析出发端发送的信号帧的帧头。
步骤S20，在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，并在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿，其中，所述同步时刻为收端解析出发端整秒发送的传输信号帧的帧头时刻，同步时钟为收端由若干所述传输信号帧的帧头所确定的时钟***；
在本实施例中，同步时刻特指整秒第一帧数据的帧头发送时间(由1PPS控制的数据帧是最准的)。
时延补偿指的是授时时延补偿，通常包括三个方面：发端时延、传输时延与收端计算时延。发端时延指的是授时服务器1PPS信号输出到发端天线发送第一帧信号帧帧头的时延；传输时延指的是发端天线发送数据到收端天线接收数据的信号传输时延；收端计算时延指的是收端为解析出帧头时刻与帧头进入收端时刻的差值。收端在本地时钟计时的过程中，每接收到整秒发送的一传输信号帧，就获取此时的发端时延、传输时延与收端计算时延，结合三种时延，在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿。
收端在检测到晶振处于稳定状态时，标记当前的一同步时刻为初始0时刻，并将本地时钟至调整0时刻，再等待一段时间后，在下一个同步时刻分别记录同步时钟的同步计时时间与本地时钟的本地计时时间，并得到两者之间的差值，最后基于该差值得到初始估计的晶振误差，并按照初始晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
步骤S30，持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点；
在本实施例中，传输信号帧指的是收端与发端信号同步后，发端向收端传输的信号帧。收端根据若干传输信号帧确定精确计时起点的步骤即为同步位置锁定，其目的为本地时钟寻找精确的计时起点。
在本地时钟开始计时之后，收端还将当前所解析到的一传输信号帧的帧头时刻作为临时计时起点，调整本地时钟与同步时钟对齐，并在此之后持续监测本地时钟与同步时钟之间的差值。若收端监测到其差值满足预设条件时，则可确定当前的同步时刻即为可锁定的同步位置。
步骤S40，在确定精确计时起点后，持续监测每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，根据所述计时差值对本地时钟进行校正，并基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
在本实施例中，收端在锁定同步位置(也即是确定精确计时起点)后，需要持续对同步时钟与本地时钟之间的差值进行检测，并根据其差值对本地时钟进行动态调整。收端在检测到同步时钟与本地时钟之间的计时差值的持续监测时长达到预设时长阈值时，即需要重新计算晶振误差以对初始晶振误差进行校正，并按照校正后得到的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿，以保晶振计时的实时准确性。
需要说明是是，由同步头确定的同步时钟，由于会受到多径效应、大气环境等的影响，在短期就会产生较大的偏移，这种误差是概率性的，而且不会随着时间累积。在一个足够长的时间尺度内，可以认为这种误差是忽略不计的。由本地晶振计时的本地时钟则属于另一种极端。在足够短的时间内，晶振计时产生的误差是非常小的，比如5ppm的晶振，每秒产生的误差小于5us。但是这种误差可能会随着时间累积，导致误差的增大。本发明利用这两种时钟***的特点，利用本地时钟保证短期的时钟精准，利用同步时钟对本地时钟进行校准，消除由时间推移产生的累计误差，从而保证了本地时钟无论是在短期还是长期的计时准确性。
在本实施例中，通过在首次解析出发端的信号帧，也即是与发端信号同步时，进行本地晶振的初始误差估计补偿，使得初步评估晶振差并校正；通过在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，以减小时延对同步时钟的影响，并通过发端发送的信号帧确定本地时钟的精确计时起点以完成同步位置锁定，利用同步时钟对本地时钟进行校准，消除由时间推移产生的累计误差，保证了本地时钟长期计时的准确性；通过在同步位置锁定后实时评估晶振误差并实时校正，保证了本地时钟短期计时的准确性；从而解决了现有的长波授时方式存在准确度不佳的技术问题，同时也可减小长波传输过程中由于包括多径在内的环境影响而造成的授时精度影响。
进一步地，基于上述图2所示的第一实施例，提出本发明无线广播授时校准方法的第二实施例。在本实施例中，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤包括：
将当前同步时刻作为临时计时起点，以所述临时计时起点调整本地时钟与同步时钟对齐；
在下一同步时刻，判断本地时钟与同步时钟之间的临时差值是否超出预设第一差值阈值；
若所述临时差值超出预设第一差值阈值，则记为一次命中，则继续判断下一同步时刻的临时差值；
若所述临时差值未超出预设第一差值阈值，则记为一次丢失，则取下一同步时刻作为临时计时起点；
直至检测到当前临时计时起点连续命中计数超出预设第一计数阈值，则判定所述当前临时计时起点生效，本地时钟和同步时钟以所述当前临时计时起点为基准进行计时。
在本实施例中，临时计时起点为某一同步时刻。预设第一差值阈值为用于判定临时差值是否可记为命中的临界差值，可根据实际情况灵活设置，本实施例对此不做具体限定。目标发送时刻为当前同步位置锁定过程所最终确定的同步位置。
晶振误差初始估计与补偿后，本地时钟在短期内可以完成精准的计时。此时为了保证授时的准确性，还需要为本地时钟寻找一个精确的计时起点。但是，同步时钟在短期由于诸如多径的影响，在短期内会造成时钟偏离。因此，需要在众多帧头中寻找一个传输稳定的，没有受到环境因素影响的帧头作为计时起点。
作为一具体实施例，如图4所示，尝试在下一个帧头的同步时刻作为计时起点，调整本地时钟和同步时钟对齐。在接下来的5次同步时，计算同步时钟和本地时钟的差值。当差值的绝对值在10us之内，则判断为1次命中，则判断继续进行。否则称为1次丢失，判断结束。连续命中5次，则说明此时的数据传输收到的干扰较小，同步头位置相对平稳，此帧头可以作为计时起点，同步位置成功锁定。否则则认为此时的数据传输收到的干扰大，不适合作为帧头，同步锁定失败，继续寻找下一个帧头作为计时起点进行判断。
进一步地，所述根据所述计时差值对本地时钟进行校正的步骤包括：
计算每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，并判断所述计时差值是否大于预设第二差值阈值；
若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟；
若否，则按照小于或等于预设第二差值阈值的计时差值调整本地时钟，以对本地时钟进行校准。
在本实施例中，预设第二差值为用于在同步位置锁定后，确定本地时钟调整方式的临界差值，可根据实际需求灵活设置，本实施例对此不做具体限定，且第一差值阈值与第二差值阈值无限定大小关系。
以第二差值阈值为0.5us为例。进入同步锁定状态后，晶振误差统计值Etotal初始化为0。在接下来的每个帧同步时刻，计算同步时钟和本地之中的差值Tdiff，规定本地时钟领先同步时钟Tdiff为正。如果差值Tdiff的绝对值小于等于0.5us，则调整本地时钟，以完成校正，且Etotal+＝Tdiff。如果差值Tdiff大于0.5us,则将本地时钟向后调整0.5us(想象成一个实体时钟，将时钟刻度逆时针旋转0.5us)，且Etotal+＝0.5us。如果差值Tdiff小于-0.5us,则将本地时钟向前调整0.5us(想象成一个实体时钟，将时钟刻度顺时针旋转0.5us)，且Etotal-＝0.5us。
进一步地，所述若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟的步骤之后，还包括：
判断所述计时差值是否大于预设第三差值阈值；
若是，则记为一次同步丢失；
直至检测到当前同步丢失的连续计数超出预设第二计数阈值，则重新确定本地时钟的精确计时起点。
在本实施例中，预设第三差值阈值为判定计时差值，是否可记为同步丢失的临界差值，可根据实际需求灵活设置，本实施例对此不做具体限定，且与上述的第一差值阈值以及第二差值阈值无大小限定关系。预设第二计数阈值为用于判定当前的连续计数值是否达标的临界值。
以第三差值阈值为10us，第二计数阈值为5为例。在收端同步锁定后进行晶振误差跟踪的过程中，当计算出来的同步时钟和本地之中的差值Tdiff如果大于10us，则判断为一次同步丢失。连续丢失5次，则判定同步位置失锁，此时取消1PPS使能。同步位置需要重新进行锁定。
进一步地，所述基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿的步骤包括：
在检测到所述计时差值的监测时长达到预设时间间隔时，重新计算晶振误差以对所述晶振误差进行更新，并按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
在本实施例中，预设时间间隔为晶振误差更新的时间间隔，可根据实际需求灵活设置，本实施例对此不做具体限定。以时间间隔为3分钟为例。收端连续统计3分钟(即180次误差统计)后，重新计算晶振误差，并根据最新计算出的值每秒对本地时钟进行补偿。计算公式为：te＝Etotal/180。
在本实施例中，进一步通过设置第一差值阈值与第一计数阈值，以此来合理选择合适的同步时刻来进行同步位置锁定，使得同步位置锁定步骤更加简便易操作；通过在同步位置锁定后动态调整本地时钟，使其与同步时钟保持一致，减小了本地时钟的计时误差；通过设置第三差值阈值与第二计数阈值来判定同步位置是否失锁，并在失锁时进行同步位置的校正，使得能够实时确定最准确的同步位置，利用同步时钟的在长时间段的准确性来对本地时钟进行校准；通过对本地晶振进行初始误差估计与补偿，使得能够减小由于晶振不稳定对授时精度的影响。
进一步地，基于上述图2所示的第一实施例，提出本发明无线广播授时校准方法的第三实施例。在本实施例中，所述在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿步骤包括：
在检测到晶振处于稳定状态时，标记当前的第一同步时刻为初始0时刻，并调整本地时钟至0时刻；
等待预设时长后，在当前的第二同步时刻分别记录同步时钟的同步计时时间与本地时钟的本地计时时间，并得到所述同步计时时间与本地计时时间的差值；
基于所述同步计时时间与本地计时时间的差值得到初始晶振误差，并按照所述初始晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
在本实施例中，第一同步时刻为收端上电，完成信号帧同步，并检测本地晶振逐步进入稳定状态后的第一个同步时刻。第二同步时刻为在第一同步时刻后，再等待一足够长的时间间隔的此时的同步时刻。
收端上电运行，晶振起振后，晶振通常不太稳定。运行一段时间，待晶振稳定后，进行晶振误差估计。晶振的误差估计须在收端信号帧同步之后。标记某次同步时刻为初始0时刻，此时也调整本地时钟到0时刻。足够长的时间之后，在下次同步时刻，收端再分别记录同步时钟时间和本地时钟时间tend。由于时间足够长，可认为同步时钟是准确的，则它们的差值tend-Test,end为本地时钟在时间Test,end产生的误差，由此计算晶振每秒产生的误差：te＝(tend-Test,end)/Test,end。完成晶振误差初始估计后，收端每秒对本地时钟进行补偿，补偿的时间为te。
进一步地，所述在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿的步骤包括：
在本地时钟计时的过程中，每接收到整秒发送的一传输信号帧，则基于所述整秒发送的传输信号帧获取发端位置；
获取预设的由离线测定方式确定的发端时延；
获取收端当前的概略位置，根据所述概略位置与所述发端位置计算传输距离，并基于所述传输距离得到传输时延；
获取当前的缓存数据量，根据所述缓存数据量得到当前的收端计算时延；
结合所述发端时延、传输时延与收端计算时延，在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿。
在本实施例中，授时时延主要包含三个部分：发端时延、传输时延、收端计算时延。发端时延可认为是一个固定值，采用离线测定的方式进行测定，发端时延补偿整个过程中都保持不变。传输时延传会随着收发端的位置改变而改变，因此一旦收发端位置发生改变都需重新计算传输时延，可通过用户终端的概略位置与发端的位置计算传输距离，从而计算得到。收端计算时延的不确定因素则更多，每一个同步都需要根据同步位置和缓存数据量重新计算。如图5所示，收端的计算时延trx为收端解析出帧头时刻t1和帧头进入收端的时刻t0的差值。无线数据的传输速率可看做是一个恒定的值，因此trx的值可以根据解析出帧头时刻t1收端在帧头之后收到的的数据量，根据数据的传输速度进行时间换算得到。
进一步地，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤之后，还包括：
开启秒脉冲使能，并基于本地时钟输出整秒脉冲与时间信息。
在本实施例中，收端在每次进入同步锁定状态后，打开1PPS使能，收端输出1PPS信号和TOD信息，以为用户提供精准的时间信息。
在本实施例中，进一步通过实时对晶振误差进行跟踪并校正，进一步减小了由于晶振不稳定对授时精度的影响；通过在每一同步时刻下都对同步时钟进行发端时延、传输时延与收端计算时延三方面的时延补偿，以减小时延对同步时钟的影响；通过在同步位置锁定后输出时间信息，使得能够为用户提供精准的时间信息。
本发明还提供一种无线广播授时校准设备。
所述无线广播授时校准设备包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的无线广播授时校准程序，其中所述无线广播授时校准程序被所述处理器执行时，实现如上所述的无线广播授时校准方法的步骤。
其中，所述无线广播授时校准程序被执行时所实现的方法可参照本发明无线广播授时校准方法的各个实施例，此处不再赘述。
本发明还提供一种计算机可读存储介质。
本发明计算机可读存储介质上存储有无线广播授时校准程序，所述无线广播授时校准程序被处理器执行时实现如上所述的无线广播授时校准方法的步骤。
其中，所述无线广播授时校准程序被执行时所实现的方法可参照本发明无线广播授时校准方法各个实施例，此处不再赘述。
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***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***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***中还存在另外的相同要素。
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。
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如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、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，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
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。

Claims (10)

1.一种无线广播授时校准方法，其特征在于，所述无线广播授时校准方法包括：
在接收并首次解析出由发端基于授时服务器的精准时钟源整秒发送的初始信号帧时，控制基于晶振驱动的本地时钟开始计时；
在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿，并在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿，其中，所述同步时刻为收端解析出发端整秒发送的传输信号帧的帧头时刻，同步时钟为收端由若干所述传输信号帧的帧头所确定的时钟***；
持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点；
在确定精确计时起点后，持续监测每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，根据所述计时差值对本地时钟进行校正，并基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
2.如权利要求1所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤包括：
将当前同步时刻作为临时计时起点，以所述临时计时起点调整本地时钟与同步时钟对齐；
在下一同步时刻，判断本地时钟与同步时钟之间的临时差值是否超出预设第一差值阈值；
若所述临时差值超出预设第一差值阈值，则记为一次命中，则继续判断下一同步时刻的临时差值；
若所述临时差值未超出预设第一差值阈值，则记为一次丢失，则取下一同步时刻作为临时计时起点；
直至检测到当前临时计时起点连续命中计数超出预设第一计数阈值，则判定所述当前临时计时起点生效，本地时钟和同步时钟以所述当前临时计时起点为基准进行计时。
3.如权利要求1所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述根据所述计时差值对本地时钟进行校正的步骤包括：
计算每一同步时刻下同步时钟与本地时钟之间的计时差值，并判断所述计时差值是否大于预设第二差值阈值；
若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟；
若否，则按照小于或等于预设第二差值阈值的计时差值调整本地时钟，以对本地时钟进行校准。
4.如权利要求3所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述若是，则按照预设第二差值阈值调整本地时钟的步骤之后，还包括：
判断所述计时差值是否大于预设第三差值阈值；
若是，则记为一次同步丢失；
直至检测到当前同步丢失的连续计数超出预设第二计数阈值，则重新确定本地时钟的精确计时起点。
5.如权利要求3所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述基于所述计时差值更新由初始误差估计所得到的晶振误差，以按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿的步骤包括：
在检测到所述计时差值的监测时长达到预设时间间隔时，重新计算晶振误差以对所述晶振误差进行更新，并按照更新后的晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
6.如权利要求1所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述在满足预设初始估计条件时对晶振进行初始误差估计与实时补偿步骤包括：
在检测到晶振处于稳定状态时，标记当前的第一同步时刻为初始0时刻，并调整本地时钟至0时刻；
等待预设时长后，在当前的第二同步时刻分别记录同步时钟的同步计时时间与本地时钟的本地计时时间，并得到所述同步计时时间与本地计时时间的差值；
基于所述同步计时时间与本地计时时间的差值得到初始晶振误差，并按照所述初始晶振误差对本地时钟进行每秒误差补偿。
7.如权利要求1所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述在本地时钟计时的过程中，基于每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿的步骤包括：
在本地时钟计时的过程中，每接收到整秒发送的一传输信号帧，则基于所述整秒发送的传输信号帧获取发端位置；
获取预设的由离线测定方式确定的发端时延；
获取收端当前的概略位置，根据所述概略位置与所述发端位置计算传输距离，并基于所述传输距离得到传输时延；
获取当前的缓存数据量，根据所述缓存数据量得到当前的收端计算时延；
结合所述发端时延、传输时延与收端计算时延，在每一同步时刻对同步时钟进行时延补偿。
8.如权利要求1-7中任一项所述的无线广播授时校准方法，其特征在于，所述持续接收由发端发送的若干传输信号帧，以基于若干所述传输信号帧确定出本地时钟的精确计时起点的步骤之后，还包括：
开启秒脉冲使能，并基于本地时钟输出整秒脉冲与时间信息。
9.一种无线广播授时校准设备，其特征在于，所述无线广播授时校准设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的无线广播授时校准程序，所述无线广播授时校准程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的无线广播授时校准方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有无线广播授时校准程序，所述无线广播授时校准程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的无线广播授时校准方法的步骤。
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CG Ramirez et al..LongShoT: Long-Range Synchronization of Time.IPSN '19: Proceedings of the 18th International Conference on Information Processing in Sensor Networks.2019,全文. *
基于北斗***的授时技术研究与实现;刘黎;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》;全文 *

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CN112600637A (zh) 2021-04-02

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