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一种UAV-USV-UUV跨域协同时钟同步算法

于建宇 林景胜 闫敬 曹文强 张诗杭 杨睍

于建宇, 林景胜, 闫敬, 等. 一种UAV-USV-UUV跨域协同时钟同步算法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(4): 678-687 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0097
引用本文: 于建宇, 林景胜, 闫敬, 等. 一种UAV-USV-UUV跨域协同时钟同步算法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(4): 678-687 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0097
YU Jianyu, LIN Jingsheng, YAN Jing, CAO Wenqiang, ZHANG Shihang, YANG Xian. Clock Synchronization Algorithm of UAV-USV-UUV Cross-Domain Cooperation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(4): 678-687. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0097
Citation: YU Jianyu, LIN Jingsheng, YAN Jing, CAO Wenqiang, ZHANG Shihang, YANG Xian. Clock Synchronization Algorithm of UAV-USV-UUV Cross-Domain Cooperation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(4): 678-687. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0097

一种UAV-USV-UUV跨域协同时钟同步算法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0097
基金项目: 国家自然科学基金项目(62222314, 62033011); 河北省自然科学基金杰出青年科学基金项目(F2022203001); 河北省中央引导地方科技发展基金项目(226Z3201G); 河北省“三三三”基金项目(C20221019); 河北省自然科学基金燕赵青年科学家基金项目(F2024203047).
详细信息
    通讯作者:

    闫 敬(1985-), 男, 教授, 主要研究方向为水声传感网络协同监测.

  • 中图分类号: TJ6; U675.7

Clock Synchronization Algorithm of UAV-USV-UUV Cross-Domain Cooperation

  • 摘要: 随着海洋科学技术的发展, 水下任务更加强调跨平台系统的协作, 然而不同应用场景对时钟同步的要求不同, 由于水下通信的弱通信与高延迟, 对涉及多场景的异构系统, 需要新的同步方法。针对随机时延影响下的全网时钟同步问题, 文中提出了基于神经网络的无人机(UAV)-无人水面艇(USV)-无人水下航行器(UUV)跨域协同的时钟同步算法。首先, 考虑随机时延影响, 将USV时钟作为基准时钟; 其次, 通过递推滤波和神经网络对UAV时钟偏差进行校正; 最后, USV辅助UUV估计水下的长时延, 设计了神经网络算法估计时钟漂移和时钟偏移。通过仿真验证了上述算法的有效性。

     

  • 图  1  UAV-USV-UUV跨域同步场景

    Figure  1.  Cross-domain synchronisation scenario of the UAV-USV-UUV

    图  2  PTP协议同步过程

    Figure  2.  Synchronization process of PTP

    图  3  USV辅助UUV定位过程

    Figure  3.  Positioning process of UUV assisted by USV

    图  4  UAV时钟偏差估计

    Figure  4.  Estimation of UAV clock offset

    图  5  UUV神经网络估计器

    Figure  5.  Neural network estimator of UUV

    图  6  UAV-USV-UUV时钟同步过程

    Figure  6.  Clock synchronization process of UAV-USV-UUV

    图  7  时钟偏差估计

    Figure  7.  Estimation of clock offset

    图  8  对比时钟偏差估计

    Figure  8.  Comparison of clock offset estimates

    图  9  精确时间同步估计

    Figure  9.  Accurate time-synchronized estimation

    图  10  时钟漂移系数

    Figure  10.  Clock drift coefficient

    图  11  时钟偏移精度

    Figure  11.  Clock skew accuracy

    图  12  误差收敛过程

    Figure  12.  Process of error convergence

    图  13  时钟同步后误差

    Figure  13.  Errors after clock synchronization

    图  14  时钟漂移系数和时钟偏移

    Figure  14.  Clock drift coefficient and clock skew

    图  15  最小二乘法误差曲线

    Figure  15.  Error curve of least squares

    图  16  TSHL算法误差曲线

    Figure  16.  Error curve of TSHL algorithm

    图  17  神经网络误差曲线

    Figure  17.  Error curve of neural network

    图  18  干扰放大后最小二乘法误差曲线

    Figure  18.  Error curve of least squares after interference amplification

    图  19  干扰放大后TSHL算法误差曲线

    Figure  19.  Error curve of TSHL algorithm after interference amplification

    表  1  参数列表

    Table  1.   Parameter list

    名称 参数 数值
    时钟偏差/s $ \mathit{O}_k^{\text{A}} $ 0.02
    漂移系数/s $ {\alpha ^{\text{U}}} $ 0.001
    时钟偏移/s $ {\beta ^{\text{U}}} $ 0.02
    学习率 $ {\alpha _{{\text{DPN}}}} $ 0.000 08
    样本数量 $ {N_{{\text{AFN}}}} $、$ N_{\text{DPN}} $ 256
    队列长度 $ {N_{{\text{AF}}}} $ 10
    学习率 $ {\alpha _{{\text{AFN}}}} $ 0.002 5
    采样周期/s T 0.05
    随机误差/s $\delta $ 0~0.01
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-29
  • 修回日期:  2024-07-15
  • 录用日期:  2024-07-24
  • 网络出版日期:  2024-08-05

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