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基于水声授时的海洋电磁采集站时钟同步方法研究

幺永超  何展翔  
【摘要】:无缆式海洋电磁探测系统是一种典型的水下无线传感器网络,系统内各节点间的时钟同步精度对后期采集资料的处理和反演具有深刻影响。分布式海底接收站不能实时获取GPS授时信号或通过电缆实现时钟同步,只能通过自身携带的时钟源进行计时。由于接收站本地时钟源输出频率存在固有漂移,当系统在水下长期工作时会产生不可忽略的累积时钟误差。因此,本文基于现有采集系统结构,使用基准源水声授时和本地实时频率补偿相结合的方法实现适用于水下低功耗观测网络的高精度时钟同步。本研究首先提出了单向广播式低功耗时钟同步机制与系统架构,在这种同步机制下海底采集站工作在只听模式,大大降低了时钟同步功耗;并且采用这种系统架构时,待同步网络节点的增减并不引起通信协议的改变,具有很强的可扩展性;其次研究了多影响因素下的时钟参数最优化估计算法,考虑时钟变偏移率、水声通信时延等多种不确定性因素导致时钟参数无法准确测量,建立一系列可变时钟模型,根据一定的自适应模型选择算法实时判断时钟模型变化,并选取合适的时钟模型进行最优化时钟参数估计;最后针对特定时钟源的温度—频率误差特性,实现了基于直接数字频率合成的实时温度补偿方法,通过精确测量或拟合时钟源在不同温度下的输出频率误差曲线,然后根据采集站在工作时的实时温度对输出频率误差进行精确补偿,降低温度变化引起的时钟突变对系统同步的影响,进而提高了系统的时钟同步精度。

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