一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法

本发明涉及大型水下潜航器领域，具体说是一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法。

背景技术：

1、随着社会的发展和科学的进步，人类对自然资源的需求也在不断加大，陆地上的资源经过反复开采后，难以满足社会发展的需求，海洋占地球的三分之二面积，蕴含着丰富的资源，使用水下潜航器侦察探测，是海洋资源研究中的一项重要组成部分。

2、时钟同步是水下潜航器中各传感器持续高效工作的基础。由于无线电波在水下损耗较大，因此，在水下潜航器工作时，无法直接使用陆地上的北斗信号获取时钟信息，一般只能使用潜航器自身的晶振提供的时钟信息。这就对晶振的精度和稳定性提出了较高要求。现阶段，时钟同步算法大多应用于陆地上的工业控制中，在水下应用较少。针对水下潜航器，其内部的数据采集功能模块数量庞大，单一同步装置无法同时控制所有数据采集的时间精度，需要多个同步装置协同工作。此外，水下潜航器一般要求在水下长时间工作，如何保证长时间工作下其内部时间仍然保持较高精度，也是一个需要解决的问题。

3、针对水下潜航器内部时钟同步问题，需要一种高精度时钟同步方法，来保证潜航器系统数据采集的准确性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，可以实现水下潜航器长时间作业时系统各部分时钟的高精度同步。

2、本发明采用如下技术方案：一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，包括以下步骤：

3、大型水下潜航器工作在授时模式或者工作模式；

4、授时模式下，潜航器浮出水面，利用收到的北斗卫星信号对多个同步装置的原子钟进行时间校准，以保证原子钟的晶振频率与北斗卫星的频率相同；

5、工作模式下，潜航器在水下作业，多个同步装置共同工作，以保证水下潜航器的所有采集设备的时间一致。

6、所述授时模式，包括以下步骤：

7、水下潜航器接收到包含gpzda格式数据及pps秒脉冲的北斗卫星信号数据，经过同步装置内部物理隔离功能模块隔离后，同步装置内的主控mcu基于同步装置的安装固定误差及数据传输误差，对北斗卫星信号数据进行修正；

8、修正后，同步装置内原子钟按照频率精度对pps秒脉冲进行分割、校准，使同步装置内原子钟晶振频率与北斗卫星晶振频率相同，获取一致的utc时间。

9、所述授时模式下，原子钟频率精度为10m。

10、所述工作模式下，所述同步装置通过级联的方式连接。

11、所述工作模式，包括以下步骤：

12、对于与同一主时钟级联的每一个同步装置，接收主时钟的时钟数据，同步装置内的主控mcu基于同步装置的安装固定误差及数据传输误差，对主时钟的第一时钟数据进行修正，并输出修正后的第二时钟数据；

13、对于与同一同步装置级联的每一个功能模块，根据自身的固定误差和数据传输误差，对第二时钟数据进行修正，以获取和主时钟一致的utc时间。

14、所述工作模式下，每个主时钟获取与其连接的所有同步装置的第二时钟数据，将任意两个同步装置的第二时钟数据组合成一组，对于第二时钟数据之间的误差大于阈值的组合，查询相同的第二时钟数据，删除该第二时钟数据，并替换为其他第二时钟数据。

15、所述功能模块为水下潜航器内的数据采集设备，用于采集水下潜航器的当前工作状态。

16、所述同步装置用于支持水下潜航器以年为单位在水下长时间作业。

17、所述多个主时钟通过级联的方式同时工作。

18、本发明包括以下有益效果及优点：

19、首先，水下潜航器包含两种状态：授时模式和工作模式。

20、授时模式下，潜航器浮出水面或停靠在岸边，可以接收到空中的北斗信号。控制系统将接收到的北斗信号数据处理、修正之后，转发到原子钟内。原子钟晶振频率为10m，对于接收到的数据，原子钟按照10m的频率分割、校准，使其自身晶振频率和北斗卫星的晶振频率相同，获取与北斗一致的utc时间。

21、工作模式下，潜航器在水下作业。作为水下潜航器，其控制系统属于大型复杂分布式控制系统，结构复杂，内部拥有庞大数量的传感器等采集设备。因此，需要多个同步装置互相级联协同工作。并且同时设定多个主时钟，防止出现单一主时钟突然失效导致系统崩溃。水下潜航器支持在水下长时间航行，潜行单位按年计算，整个同步装置支持在以年为单位工作的情况下，误差处于秒级。在水下作业过程中，潜航器随时可以浮出水面，实时获取空中北斗信号数据，对所有同步装置进行重新授时校准。

技术特征：

1.一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述授时模式，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述授时模式下，原子钟频率精度为10m。

4.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述工作模式下，所述同步装置通过级联的方式连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述工作模式，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述工作模式下，每个主时钟获取与其连接的所有同步装置的第二时钟数据，将任意两个同步装置的第二时钟数据组合成一组，对于第二时钟数据之间的误差大于阈值的组合，查询相同的第二时钟数据，删除该第二时钟数据，并替换为其他第二时钟数据。

7.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述功能模块为水下潜航器内的数据采集设备，用于采集水下潜航器的当前工作状态。

8.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述同步装置用于支持水下潜航器以年为单位在水下长时间作业。

9.根据权利要求1所述的一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，其特征在于，所述多个主时钟通过级联的方式同时工作。

技术总结本发明涉及一种用于复杂水下大型分布式控制系统的高精度同步方法，具体说是应用在水下潜航器中，实现潜航器在水下自主航行状态下的多设备数据采集时间的同步；水下潜航器工作在授时模式或者工作模式。发明支持水下潜航器在水下以年为数量级长时间作业，多个同步系统互相修正，可以保证水下长时间航行时的高时间精度；此外，潜航器在水下持续作业时，支持随时上浮，利用上浮后收到的北斗卫星信号对所有同步系统进行时间重新校准，工作状态自由切换；通过这种方法，可以实现水下潜航器在航行过程中的高精度数据采集。技术研发人员：许以军,刘健,胡志强,金鑫,魏来星,郑雷受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/13