水中时间同步系统及确定时间偏移的方法与流程

本发明涉及一种如此类型的水中时间同步系统，例如包括：水中第一声通信装置和动态水中第二声通信装置。本发明还涉及一种如此类型的确定时间偏移的方法，包括：水中第一声通信装置与动态水中第二声通信装置通信。

背景技术：

当在水下环境中作业时，有时候期望关于通信使能节点的网络中的节点达到时间同步。就此而言，数据日志应用和导航应用需要时间同步。关于利用多分布式节点系统的数据日志应用，节点需要被同步，以便在一个节点上记录的事件可与在系统中的另一节点上记录的事件相关。在不具备确定公共时间帧的能力的情况下，节点记录的数据是不可用的。对于导航应用，水下仪器需要被同步，以使得接收节点知道传输节点在什么时间传输了信号且因此可使用单向飞行时间数据用于导航。在IEEE精密时间协议(PTP)标准1588-2002中列出了标题为“用于联网测量及控制系统的精密时钟同步协议的标准”的同步方法的示例。

已知节点使用由品质各异的振荡器驱动的本地时钟测量时间。然而，由于振荡器的随机相移和漂移率，若不采取校正动作，在系统中的每个节点处保持的本地时间将独立于彼此开始漂移，导致系统中的同步损失。

已知携带有USBL收发器的船舶与位于海床的应答器通信，以确定位于船侧的时钟与海床基应答器的内部时钟之间的时间偏移。测量是关于船侧设备发起并进行的，因此，由于船舶的移动，在计算时钟偏移时在船侧利用全惯性系统以确定船舶的移动从而补偿此移动。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种水中时间同步系统，包括：能够与动态水中第二声通信装置在声学上通信的水中第一声通信装置，该第一通信装置包括第一时间源，且第二声通信装置包括第二时间源；以及偏移计算器；其中第一声通信装置被安排用于向第二水中声通信装置传送第一声信号，且第二水中声通信装置被安排用于向第一水中声通信装置传送第二声信号作为对第一声信号的答复；以及偏移计算器被安排用于使用与第一和第二声信号相关联的数据，以确定第一和第二时间源之间的时间偏移。

第一声信号可具有与其相关联的第一声传播路径；以及动态声通信装置可被安排用于计算由其观察到的关于第一声信号沿第一声传播路径的传播的多普勒频移。

第二声信号可具有与其相关联的第二声传播路径；以及第一声通信装置可被安排用于计算由其观察到的关于第二声信号沿第二声传播路径的传播的另一多普勒频移。

可使用计算出的多普勒频移以及另一计算出的多普勒频移计算平均多普勒频移。

第二声信号可在预定的时间段之后被传送作为对第一声信号的答复。

可使用计算出的平均多普勒频移以及预定的时间段计算关于动态水中声通信装置的移动的平移距离。

可使用计算出的平移距离以及声信号关于水的传播速度计算时移。与第二声信号相关联的数据可包括计算出的时移。

第二声信号可包括第一时间数据。

第一时间数据可包括关于第二声信号的传输时间数据。

动态水中声通信装置可以是收发器。

动态水中声通信装置在使用时可远离于海床。

第一水中声通信装置在使用时可大体邻近海床，或被栓于海床。第一水中声通信装置的移动大体上不受表面波运动的影响。

第一水中声通信装置可以是应答器。

动态水中声通信装置可以是应答器。

动态水中声通信装置可被可操作地连接至水面船舶，并在使用时浸没于水中。

该系统还可包括潜水器，该潜水器包括所述动态水中声通信装置。

潜水器可以是自主水下航行器或远程操控航行器。

第一水中声通信装置可包括输出端口，并可被安排用于在使用时通过输出端口传送与确定的时间偏移相关联的时间数据。该系统还可包括与输出端口相连的处理节点，该处理节点被安排用于在使用时接收时间数据。

处理节点可以是海床再编码节点。

第一声通信装置可包括偏移计算器。

第二声通信装置包括偏移计算器。

该系统还可包括表面侧计算装置，该表面侧计算装置包括偏移计算器。

第一水中声通信装置可以是大体上静态的。

根据本发明，提供一种确定时间偏移的方法，该方法包括：水中第一声通信装置向动态水中第二声通信装置传送第一声信号；第二声通信装置向第一声通信装置传送第二声信号作为对第一声信号的答复；以及偏移计算器使用与第一和第二声信号相关联的数据确定第一和第二时间源之间的时间偏移。

因此，可以提供一种水中时间同步系统以及确定时间偏移的方法，该方法提供关于在水中通信系统内保持同步的改进精确性。通过将进行测量的时间最小化因而将动态水中声通信装置能够移动的时间最小化来实现此。多普勒频移数据的使用进一步改进了精确性。

附图说明

将参考附图仅示例性地描述本发明的至少一个实施例，其中：

图1是构成本发明实施例的时间同步系统的示意图；

图2是构成本发明另一实施例的另一时间同步系统的示意图；

图3是表示被图1或图2的系统所利用的确定时间偏移的方法的事件序列图；

图4是表示具有相对于图3的方法的改进准确性的确定时间偏移的方法的事件序列图；

图5是动态水中声通信装置相对于静态水中声通信装置的移动的第一示例的示意图；

图6是动态水中声通信装置相对于静态水中声通信装置的移动的第二示例的示意图；

图7是构成本发明又一实施例的又一时间同步系统的示意图；以及

图8是构成本发明再一实施例的再一时间同步系统的示意图。

具体实施方式

遍及以下的描述，相同的附图标号将被用于标识相同的部分。

参考图1，水中时间同步系统100包括导航传感器中枢102，该导航传感器中枢102可操作地与GPS导出信号的源104相连，GPS导出信号例如为日期及时间数据流106以及秒脉冲(1PPS)数据流108，与来自GPS导出信号的源104的GPS时间参考信号一起使用以提供一秒间隔的纳秒级精度的源。导航传感器中枢102可以为数据流(例如数据单元，如声数据包)打上时间戳，并使用时间信息以将其他数据(如倾斜数据)关联至数据单元，因而确保其他数据与数据单元(如声数据包)是时间相关的。当然，使用其他功能和/或功能性单元代替导航传感器中枢102的其他配置是可能的，如将在下文中所描述的。

在此示例中，为了支持本文中所述的以太网连接，水中时间同步系统100包括水线之上的(top-side)以太网。然而，相关技术人员将理解到，依照合适的以太网协议操作的硬件单元之间的个别的点对点通信链接可被用作本文中所述的“以太网连接”。

导航传感器中枢102通过以太网连接与个人电脑(PC)或其他合适的计算装置相连。PC 110也通过以太网连接与收发器接口单元112相连。

构成第一通信装置的大体上静态的水中通信装置116，例如应答器信标，如可购买自索纳达因(Sonardyne)国际有限公司的Compatt 6应答器，通过牵绳或环锁(未示出)被安装或固定于海床118或栓于海床118。如此，大体上静态的水中通信装置116大体上不受表面波运动的影响。应答器信标116包括偏移计算器117以及时间数据的第一内部源115。收发器接口单元112通过诸如RS-422接口连接至水中动态通信装置114，例如声收发器，如可购买自索纳达因国际有限公司-英国的HPT超短基线(Ultra-Short BaseLine，USBL)收发器或Dunker 6长基线(Long BaseLine，LBL)收发器。在此示例中，收发器114构成第二通信装置。收发器114在使用时可与应答器信标116在声学上通信，收发器114还包括时间数据的第二源119，例如内部时钟。水中动态声装置114可操作地相连于船舶的水线之上的部分，并在使用时浸没于水中。

在此示例中，应答器信标的移动范围和程度是有限的，并且不像动态通信装置114那样极端，因此可被视为是大体上静态的。在此示例中，大体上静态的通信装置116关于其移动能力受到约束，而动态通信装置114则不受约束。事实上，在此示例中，一个通信装置是大体上静态的而另一个通信装置是动态的，两个状态的差异可简化为可能移动的相对程度的事项。例如，当装置在此被描述为“大体上(基本上)静态的”，应理解，该装置并非被至该装置外面的固定特征的物理连接完全剥夺了移动能力，而是通过该装置外面的其他影响力，例如水的运动，该装置的移动可在以上限制下发生。在上述示例中，尽管收发器114被描述为动态的以及应答器信标是大体上静态的，相关技术人员应理解的是，更一般地，在其他实施中，第一通信装置通常可以是动态的，并且享有与第二通信装置相同或相似的移动自由，如将在后文中关于其他示例所描述的。

重新参考PC 110，PC 110支持合适的操作系统以便执行例如可购买自索纳达因国际有限公司的导航软件以及偏移计算单元120，在该示例中导航软件提供位置参考功能。

系统架构(图2)的另一示例包括表面接口单元200，该表面接口单元200提供电力和通信转换功能。PC 110可操作地连接至GPS导出信号(例如日期及时间数据流106)的源104。GPS导出信号的源104还将秒脉冲(1PPS)数据流108提供至另一类型的水中动态通信装置122，如以上关于先前示例所述的，例如另一收发器，如可购买自索纳达因国际有限公司-英国的Dunker 6LBL收发器。就此而言，GPS导出信号的源104通过诸如RS-232通信链接可操作地连接至收发器122。表面接口单元200通过诸如RS-232通信链接连接至PC 110或其他任何合适的计算装置，并通过RS-422通信链接连接至收发器122。收发器122在使用时可与包括偏移计算器117以及时间数据的第一源115的大体上静态的水中通信装置116(例如应答器信标，如以上提及的Compatt 6应答器)在声学上通信。收发器122包括时间数据的第二源119。在此示例中，应答器信标通过牵绳或环锁(未示出)被安装或固定于海床118。

当然，以上硬件配置仅作为示例，且考虑不同的配置。例如，极简配置可包括第一水下收发器和第二水下收发器，第一和第二收发器中的至少一个是动态的，且至少一个动态收发器可响应于从另一收发器接收到的信息。如果期望同步至第一和第二收发器的外部参考(例如GPS时钟参考，或原子钟参考)，则可使用结合1PPS数据流108的时间(TIME)消息。就此而言，时间命令消息由索纳达因国际有限公司的通信协议提供，该协议由上述硬件单元支持。可选地，收发器122可被安排用于支持以太网连通性，或可由支持该连通性并且具有精密时间协议(PTP)能力的收发器替代，从而依照PTP标准所描述地使用时间。

在操作中(图1和图3)，通过向收发器114发送时间命令消息，PC 110所支持的偏移计算单元120通过导航传感器中枢102发起偏移计算会话，以基于通过收到来自GPS导出信号的源104的日期及时间数据流106的方式提供的时间数据，设置(步骤300)收发器114的内部时钟119的时间。之后，收发器114将内部时钟设置为从导航传感器中枢102接收到的时间，且然后发送对由收发器114设置的时间进行确认的另一时间消息(步骤302)至导航传感器中枢102。然后，PC 110通过导航传感器中枢102发送TSYNC命令至收发器114(步骤304)，该命令指示收发器114从应答器116获取计算出的偏移值。尽管在此示例中利用以上操作(步骤300至304)，相关技术人员应理解的是，它们并非对于所有实施都是必须的。在实施需要(例如)从外部源设置收发器114的时间的情况下，相关技术人员应理解，可利用其他技术，例如使用以上提及的PTP。在这样的实施中，导航传感器中枢102可依照PTP标准充当根时钟。

就此而言，在第一时间T_A1，收发器114向应答器116发送第一TSYNC消息(步骤306)。第一TSYNC消息不包含时间数据却包含其他参数，例如地址数据、用以获得或设置时间的命令和/或关于是否补偿多普勒效应的指令，从这个意义上来说，第一TSYNC消息是“空”消息。第一TSYNC消息的目的是发起同步过程。应答器116在第二时间T_B1接收来自收发器114的消息。在第一预定的“固定的”(即已知恒定的)周转时间F_TAT(例如320ms)之后的第三时间T_B2，应答器116向收发器发送第一答复消息(步骤308)，其构成具有第一声传播路径的第一声信号用于此示例中的待被进行的计算。在第四时间T_A2，收发器114从应答器116接收第一答复消息。在第二预定的周转时间F_TAT之后的第五时间T_A3，收发器114向应答器116发送包括第一时间数据(例如第五时间T_A3)的第二答复消息(步骤310)，该第二答复消息由应答器116在第六时间T_B3接收。第二答复消息构成具有第二声传播路径的第二声信号用于此示例中的待被进行的计算。

当接收到第二答复消息时，应答器116的偏移计算器能够以以下的方式计算应答器116的第一时钟115与收发器114的第二时钟119之间的时间偏移。

使用以下方程式计算单向飞行时间T_FAB2：

T_FAB2＝(T_B3-T_B2-F_TAT)/2 (1)

一旦单向飞行时间已被计算完成，则使用以下方程式计算偏移：

Offset_BA＝T_B3-T_A3+T_FAB2 (2)

以上计算基于用于计算第一时钟115和第二时钟119之间的偏移的倒转模型，即关于与源于水面下方但接近于水面(例如来自安装于水面船舶上的水下收发器)的通信及其答复相反的源于接近海床118的通信及其答复，进行此计算。就此而言，且如上所提及的，收发器114是动态的，因此在海水运动的影响下移动。因此，所作的测量受到收发器114有机会移动的影响。这可以发生于周转时间期间，但如果偏移计算是基于源于在水线之上的双向通信，这也可发生于收发器114和应答器116之间的信号的传播(飞行时间)期间。相反，倒转模型要求进行仅在第二周转时间F_TAT内受到收发器114的移动的影响的测量。因此，降低了由在收发器114和应答器116之间的通信的飞行时间内的收发器114的移动导致的不准确性。

在另一实施例中(图4至图6)，使用多普勒频移数据以改进以上计算出的偏移的准确性。参考图4，通过向收发器114发送时间命令消息，PC 110所支持的偏移计算单元200通过导航传感器中枢102发起偏移计算会话，以基于通过收到来自GPS导出信号的源104的日期及时间数据流106的方式提供的时间数据，设置(步骤300)收发器114的内部时钟115的时间。之后，收发器114将内部时钟设置为从导航传感器中枢102接收到的时间，且然后发送对由收发器114设置的时间进行确认的另一时间消息(步骤302)至导航传感器中枢102。然后，PC 110通过导航传感器中枢102发送TSYNC命令至收发器114(步骤304)，该命令指示收发器114从应答器116获取计算的偏移值。

就此而言，在第一时间T_A1，收发器114从第一位置400(图4)向应答器116发送第一TSYNC消息(步骤306)。第一TSYNC消息不包含时间数据却包含其他参数，例如地址数据、用以获得或设置时间的命令和/或关于是否补偿多普勒效应的指令(其在该示例中是需要的)，从这个意义上来说，第一TSYNC消息是“空”消息。应答器116在第二时间T_B1接收来自收发器114的消息。应答器116配备有能够对沿着接收到的信号的声路径的多普勒频移进行精细估计的硬件，并因此计算第一多普勒频移，Dop_B1。

在第一预定的周转时间T_TAT(例如320ms)之后的第三时间T_B2，应答器116向收发器114发送第一答复消息(步骤308)，其构成具有第一声传播路径的第一声信号用于此示例中的待被进行的计算。在第四时间T_A2，收发器114从第二位置402(图4)接收来自应答器116的第一答复消息。收发器114还配备有能够对沿着接收到的信号的声路径的多普勒频移进行精细估计的硬件(未示出)，并因此计算关于从应答器116到收发器114的声路径的第二多普勒频移，Dop_A2。

在第二预定的周转时间F_TAT之后的第五时间T_A3，收发器114从第三位置404(图4)向应答器116发送包括第一时间数据(例如第五时间T_A3)的第二答复消息(步骤310)，其构成具有第二声传播路径的第二声信号用于该示例中待被进行的计算，并由应答器116在第六时间T_B3接收。因此，应答器116计算关于从收发器114到应答器116的声路径的第三多普勒频移，Dop_B3。

应答器116还以以下方式计算应答器116的内部时钟115和收发器114、122的内部时钟119之间的偏移Offset_BA，由于多普勒频移数据的使用，其与以上提出的计算稍有不同。

就此而言，使用以下方程式计算单向飞行时间T_FAB2：

T_FAB2＝(T_B3-T_B2-F_TAT)/2 (3)

使用第二和第三计算出的多普勒频移Dop_A2和Dop_B3，应答器116然后使用以下方程式计算平均多普勒速度：

Dop_TB＝(Dop_B3+Dop_A2)/2 (4)

一旦平均多普勒速度已被计算完成，在(从应答器116至收发器114的)外发传播路程(propagation leg)和(从收发器114至应答器116的)返回传播路程之间的关于动态声通信装置114的第一差异d₁，使用以上的方程式(4)计算如下：

d₁＝F_TAT*Dop_TB (5)

使用计算出的距离差异d₁，在应答器116计算的等于水中的声音传播时间的一半的平均多普勒频移的时移分量T_DopB，可使用水中的声速SS计算：

T_DopB＝d₁/(2*SS) (6)

如果发生了多普勒频移，则以上计算的单向飞行时间T_FAB2将成为发送和接收时间的中点，假设多普勒频移在周转时间F_TAT内是线性的。因此，需要从单向飞行时间T_FAB2减去此移动的一半。

一旦单向飞行时间以及传播时间的一半T_DopB已被计算完成，具有改进的准确性的偏移可使用以下方程式计算：

Offset_BA＝T_B3-T_A3+T_FAB2-T_DopB (7)

然后，应答器116将第二时间T_B1、偏移Offset_BA、第三多普勒频移Dop_B3以及第一多普勒频移Dop_B1传送至收发器114(步骤312)。之后，收发器114从第四位置406(图4)接收来自应答器116的第二时间T_B1、偏移Offset_BA、第三多普勒频移Dop_B3以及第一多普勒频移Dop_B1，并随后计算第四多普勒频移Dop_A4。

然后，收发器114以以下方式计算另一偏移Offset_AB。单向飞行时间T_FAB1使用以下方程式计算：

T_FAB1＝(T_A2-T_A1-F_TAT)/2 (8)

然后，收发器114使用以下方程式计算平均多普勒速度：

Dop_TA＝(Dop_A2+Dop_B1)/2 (9)

一旦平均多普勒速度已被计算完成，在(从收发器114至应答器116的)引入传播路程和(从应答器116至收发器114的)返回传播路程之间的关于动态声通信装置114的第二差异d₂，使用以上的方程式(9)计算如下：

d₂＝F_TAT*Dop_TA (10)

使用计算出的距离差异d₂，在收发器114计算的等于水中的声音传播时间的一半的平均多普勒频移的时移分量T_DopA，可使用水中的声速SS计算：

T_DopA＝d₂/(2*SS) (11)

如果发生了多普勒频移，则以上计算的单向飞行时间T_FAB1将是发送和接收时间的中点，假设多普勒频移在周转时间T_TAT内是线性的。因此，需要将关于此移动的时间的一半与单向飞行时间T_FAB1相加。

一旦单向飞行时间以及传播时间的一半T_DopA已被计算完成，具有改进的准确性的偏移可使用以下方程式计算：

Offset_AB＝T_B1-T_A1+T_FAB1+T_DopA (12)

之后，收发器114将TSYNC答复消息传送至导航传感器中枢102(步骤314)，其包括本地计算的Offset_AB、远程计算的Offset_BA、关于从应答器116至收发器114的通信的第二多普勒频移Dop_A2、关于从收发器114至应答器116的通信的第一多普勒频移Dop_B1、以及关于从收发器114至应答器116的通信的第三多普勒频移Dop_B3。可选地，第四多普勒频移Dop_A4可从收发器114被传送至导航传感器中枢102。导航传感器中枢102将接收到的数据传输至PC 110。然后，偏移计算单元120向PC 110所支持的其他应用(例如导航软件或监控系统)传送偏移数据。

参考图6，可关于浅水以及收发器114的水平速率高(例如高达20ms^-1如5ms^-1)的环境使用以上提及的方法及装置。

转向图7，在另一实施例中，在水下环境中以间隔的方式布置多个应答器。与之前的实施例相反，收发器114被包含准确内部时钟502以及偏移计算器117的第一应答器500替代。第二应答器504、第三应答器506以及第四应答器508以关于彼此以及第一应答器500间隔开的关系坐落。第二、第三以及第四应答器504、506、508中的每个具有比第一应答器500的内部时钟502较低的准确性的内部时钟。与以上提出的配置相反，水中时间同步系统不包括表面侧设备，例如导航传感器中枢102、GPS导出信号的源104、PC 100或收发器接口单元112。使用在之前实施例中所提出的以上方法，第二、第三以及第四应答器504、506、508中的每个以上述方式彼此独立地与第一应答器500通信，以计算各自的偏移和时钟漂移率，从而与第一应答器500保持同步。第一、第二、第三以及第四应答器500、504、506、508中的每个配备有合适的硬件以实施其间的通信。就此而言，第一应答器500被指定为响应声通信装置，其为动态的，(例如从第二、第三或第四应答器504、506、508中的一个)接收第一声信号并向第一声信号所源自的第二、第三或第四应答器504、506、508中的一个答复第二声信号。将在后文中更详细地描述动态声通信装置履行响应第一声信号的作用的此一般原理。可选地，在给出的两个通信装置是移动的情况下，二者都可包括运动检测器，以确定哪个将充当大体上静态的装置用于计算时间偏移。

第一应答器500可被栓于水下或连接于或集成于或至潜水器，例如水下远程操控航行器(ROV)或自主水下航行器(AUV)，或任意其他合适的水下平台。

相关技术人员应理解，不同于以上提出的实施的其他实施是可能的。就此而言，以上示例利用能够与动态水中第二声通信装置在声学上通信的水中第一声通信装置。大体上静态或动态的第一声通信装置能够向第二声通信装置传输第一声信号。尽管是动态的，第二声通信装置能够在相对短的时间内提供响应于第一声信号的第二声信号，从而减小了在收到第一声信号和传输第二声信号的时间内的第二声通信装置的位置变化。由于在接收到第一声信号的时间和传输第二声信号的时间之间的第二声通信装置移动的距离仅在周转时间内是有关的，时钟偏移计算，例如关于第一声通信装置的第一时钟与第二声通信装置的第二时钟之间的偏移，受到第一和第二声通信装置其中之一或两者的移动的影响较小。然而，现有系统允许传输声通信装置在双程的时间内以移动显著地影响时间偏移计算结果的效果移动，当使用大体上静态的传输声通信装置来传输第一声信号并接收第二声信号时，指定动态声通信装置响应第一声信号而非起到传输第一声信号并接收响应于第一声信号的第二声信号的作用，将改进计算出的时间偏移的准确性。就此而言，接收第一声信号并传输第二声信号的动态声通信装置可被布置于水下朝向于水体的表面或可被浸没于水中并进一步朝向(例如)海床。

参考图8，可变化图2的示例以支持水下动态平台，例如AUV 700，其中水线之上的设备702例如由于锚定装置或使用动态定位系统的船舶维护站的使用而是大体上静态的。就此而言，水线之上的设备702包括以以上关于图2所述的方式布置的表面接口单元200、收发器122、GPS导出信号的源104以及PC 110。AUV构成第二动态通信装置，并在周转时间内响应TSYNC消息作为以上关于图1和图2的操作所述的过程的部分。如此，例如，图7的偏移计算单元120可依照以上关于图3所提出的方法计算时间偏移。可选地，为了确定收发器122或AUV 700是否至少正在移动，并因此充当用于计算时间偏移的大体上静态的装置，AUV 700以及收发器122中的每个可包括运动检测器。

在上述的示例中，包括时间偏移数据的时间数据已在水线之上被声学地通信。然而，相关技术人员应理解，需要时可以直接检索装置存储在水下的数据。例如，第一水中声通信装置可包括输出端口并可被安排用于通过该输出端口传送与确定的时间偏移相关联的时间数据。就此而言，包括偏移计算器的处理节点可与输出端口连接，并可被安排用于接收时间数据；处理节点可以是水下处理节点。然后，处理节点可在随后被检索或可传送在水线之上的检索和/或计算的数据。

在水中时间同步系统中偏移被计算的位置可随期望的实施而改变。因此，偏移计算器可被提供于第二声通信装置或PC 110中。

本发明的可选实施例可被实施为与计算机系统一起使用的计算机程序产品，计算机程序产品是，例如，存储于有形数据记录介质如磁盘、CD-ROM、ROM或硬盘上或具现于在有形介质或诸如微波或红外线的无线介质上传输的计算机数据信号中的一系列计算机指令。一系列计算机指令可构成全部或部分的上述功能，并可存储于任意的存储设备，易失性或非易失性的，如半导体、磁性、光学性或其他存储设备。