地面信息系統(tǒng)中的時間同步范文

本站小編為你精心準備了地面信息系統(tǒng)中的時間同步參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《計算機仿真雜志》2014年第六期

1時間同步原理及分析

1.1時間同步關(guān)鍵技術(shù)

時間同步關(guān)鍵在于保證時間記錄的精確性和消息傳遞路徑的對稱性。1)時間戳技術(shù)時間戳技術(shù)主要用于記錄時間信息，是實現(xiàn)消息時間監(jiān)測的有效方法，圖2標示了在時間同步消息傳遞路徑中時間戳標記點的可能位置［3］［4］。時間戳獲取得主要位置有應(yīng)用層、驅(qū)動層以及媒體獨立接口MII(MAC層和PHY層之間);在同步消息報文傳遞的過程中，時間同步方法的不同，時間戳獲取的位置也不同，但所有時間戳的提取和打包均在應(yīng)用層。應(yīng)用層獲取時間戳的方法簡單，但容易受協(xié)議棧和負載的影響，會引起較大的消息處理延時，在該層生成時間戳將會產(chǎn)生最大的不確定性延時抖動，同步精度低。驅(qū)動層獲取時間戳需考慮網(wǎng)卡中斷服務(wù)程序的調(diào)用和運行，時間獲取的準確性受操作系統(tǒng)計時特性和負載的影響。在發(fā)送路徑上，可在報文接近MAC層時記錄時間戳;在接收時，系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)程序，將系統(tǒng)時間保存為接收報文的時間戳。驅(qū)動層時間戳標記方式可以最大限度的減小由軟件方式生成時間戳所引起的抖動誤差。由于數(shù)字信號在物理介質(zhì)中傳播延遲的不確定性幾乎可以忽略，所以時間戳的獲取點越靠近傳輸介質(zhì)，獲取時間的穩(wěn)定性就越高。因此，最準確的方法是使用底層硬件檢測報文時間戳:當(dāng)報文經(jīng)過MII時，能夠容易的將其捕捉和解碼，進行時間標記。2)路徑對稱處理消息傳遞路徑的穩(wěn)定性則主要受網(wǎng)絡(luò)負載和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的影響，傳輸延時會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粚ΨQ性，式(2)假設(shè)將不成立，同步精度將大大降低。消息傳遞路徑可由兩部分組成:操作系統(tǒng)與協(xié)議棧部分和網(wǎng)絡(luò)鏈路部分;在確定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，操作系統(tǒng)與協(xié)議棧部分的時間抖動更嚴重，越接近物理層的時間戳技術(shù)實現(xiàn)方式越能有效減小該部分的延時抖動;網(wǎng)絡(luò)鏈路部分延時抖動主要受網(wǎng)絡(luò)負載、傳輸線路、網(wǎng)絡(luò)路由等影響。

1.2時間同步協(xié)議同步協(xié)議主要用于節(jié)點間時間信息的交換，目前，主要用于網(wǎng)絡(luò)時間同步的協(xié)議有NTP、SNTP、IEEE1588(也稱為PTP)。NTP、SNTP的時間戳技術(shù)主要在應(yīng)用層實現(xiàn)，目的是在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞統(tǒng)一的標準時間［2］。NTP為保證同步精度，具有一系列的復(fù)雜算法對時間進行過濾、補償，一般具有毫秒級的同步精度，在以太網(wǎng)中，NTP協(xié)議實現(xiàn)甚至可以達到亞毫秒的量級。在一些應(yīng)用中秒級的同步精度即可以滿足要求，SNTP協(xié)議作為NTP協(xié)議的簡化版本，無須復(fù)雜的時間控制算法，在保證一定的同步精確度的前提下，使得對網(wǎng)絡(luò)時間的開發(fā)和應(yīng)用變得容易。PTP協(xié)議主要用于工業(yè)以太網(wǎng)自動測試系統(tǒng)中［2］，一般對精度要求較高。該協(xié)議可以采用純軟件實現(xiàn)或硬件支持方式實現(xiàn)，硬件支持的方式即是通過支持該協(xié)議的時間芯片在物理層對同步消息進行時間戳標記。應(yīng)用層實現(xiàn)一般可達到毫秒級甚至亞毫秒級的精度，驅(qū)動層實現(xiàn)可達到微秒級精度，硬件時間戳的方式可達到亞微米或納秒級的同步精度，并且PTP網(wǎng)絡(luò)時鐘具備很高的自穩(wěn)定性，任何時鐘節(jié)點的移出或添加不影響系統(tǒng)正常運行。由此可見，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，時間戳技術(shù)從根本上決定了時間同步的精度，也決定了不同協(xié)議的不同應(yīng)用范圍，同步協(xié)議則主要決定了同步網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)擴展性和適應(yīng)性。

2時間同步在地面信息系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

在某地面信息化處理設(shè)備中，采用應(yīng)用層時間戳的時間同步服務(wù)，應(yīng)用于各類終端同步控制，如圖3所示。時間同步服務(wù)器能夠從外部時統(tǒng)模塊獲取GPS標準時間，并通過以太網(wǎng)完成對客戶端的校時，該同步網(wǎng)絡(luò)能夠進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN總線數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，完成對CAN網(wǎng)絡(luò)上客戶端的校時

2．1同步精度測試服務(wù)器端和IP客戶端分別模擬生成1PPS信號，利用示波器檢測該信號，從而獲取兩者時鐘的相對偏移量，即為實際的同步精度。圖4為在千兆以太網(wǎng)下兩時鐘在同步時刻發(fā)出的1PPS信號，通過示波器測得兩者的時鐘偏差為1.98μs，同步精度較高。該時鐘實現(xiàn)時，為了獲取高分辨率的時間，采用獲取計算機時鐘晶振和頻率的方式計算時間，同樣利用晶振進行守時計算，分別對守時1min、3min、5min后的時鐘偏差進行測試，如圖5所示，守時偏差分別為55.1μs、121.7μs、241.7μs。影響守時偏差的主要因素為晶振的穩(wěn)定性，隨著時間的推移，守時偏差逐漸增大，經(jīng)過20分鐘后，偏差可達到毫秒的量級。對于單個時鐘提高守時精度需專業(yè)守時設(shè)備實現(xiàn)，費用較高，一般采用提高同步時間頻率的方式保持與主時鐘的一致，在主時鐘采用高精度守時設(shè)備。

2．2最大同步誤差統(tǒng)計在服務(wù)器和IP客戶端之間進行同步時，利用同步信息的時間戳計算網(wǎng)絡(luò)延時，即為最大同步誤差。通過模擬多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對時間同步誤差的影響，分別統(tǒng)計了千兆、百兆網(wǎng)絡(luò)無負荷和滿負載下的最大同步誤差，如圖6所示。無論是百兆網(wǎng)還是千兆網(wǎng)，滿負荷時的誤差曲線波動遠大于無負荷的情況，同步精度受網(wǎng)絡(luò)負載情況影響較明顯;同時，千兆網(wǎng)絡(luò)同步誤差遠小于百兆網(wǎng)，表明了同步精度受網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的影響比較顯著。對于較大的網(wǎng)絡(luò)，消息在網(wǎng)絡(luò)傳遞中一般會經(jīng)過多個交換設(shè)備，為了說明交換機對同步精度的影響，統(tǒng)計了在千兆網(wǎng)無負荷情況下服務(wù)器和客戶端之間分別通過一級交換機和兩級交換機互聯(lián)的最大同步誤差，如圖7所示:對于千兆網(wǎng)在空閑狀態(tài)下，消息多通過一級交換設(shè)備會帶來15μs左右的同步誤差。

2．3同步性能分析通過對某信息系統(tǒng)同步精度和最大同步誤差的測試，可以看出該信息系統(tǒng)的時間同步網(wǎng)絡(luò)具有較高的同步精度，可滿足亞毫秒級的同步要求，然而該系統(tǒng)也存在較多的缺陷:1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，規(guī)模有限:系統(tǒng)的主從節(jié)點關(guān)系固定，當(dāng)主時鐘節(jié)點發(fā)生故障時，將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)時鐘無同步;2)時鐘穩(wěn)定性差，無補償機制:各節(jié)點時鐘的守時性能較差，由晶振引起的守時誤差無補償機制，隨著時間的偏移，若從節(jié)點時鐘不能得到及時的同步將導(dǎo)致該節(jié)點時鐘的不可信;3)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備對同步精度影響較大:數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均會產(chǎn)生處理延時，當(dāng)消息經(jīng)過多個交換設(shè)備后，同步精度將大大降低;對于同步網(wǎng)絡(luò)中的不同類型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(如圖3中的轉(zhuǎn)換模塊)會引入更大的誤差;4)系統(tǒng)的適應(yīng)性能差:同步網(wǎng)絡(luò)采用自定義的協(xié)議，不利于廣泛應(yīng)用。

3高精度的時間同步服務(wù)在地面信息系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層實現(xiàn)時間戳技術(shù)的同步網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本低，開發(fā)便捷，可滿足同步精度要求不高的應(yīng)用;同步精度受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、負載情況影響較大，局限了該同步方式的使用。對于地面信息系統(tǒng)中實時性要求高的場合，一般需采用基于物理層硬件時間戳技術(shù)進行時間同步定時觸發(fā)，甚至直接采用物理連接實現(xiàn)硬件信號觸發(fā)。

3．1高精度的時間同步應(yīng)用地面信息系統(tǒng)為武器信息系統(tǒng)的重要組成部分，檢測武器狀態(tài)信息，收集戰(zhàn)場態(tài)勢信息，為作戰(zhàn)提供全面的作戰(zhàn)指揮、作戰(zhàn)保障等信息。時間同步服務(wù)在地面信息系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在兩個方面:提供統(tǒng)一的時空信息和實現(xiàn)地面儀器設(shè)備LXI總線自動測試功能。在作戰(zhàn)過程中，保持作戰(zhàn)時空的一致性是作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，只有在統(tǒng)一的環(huán)境下才能保證正確的作戰(zhàn)時序，做到作戰(zhàn)行動的一致。如在導(dǎo)彈發(fā)射時，為待發(fā)射的導(dǎo)彈下達最終的發(fā)射指令，各節(jié)點需保持高度的一致性，時間同步技術(shù)可為其提供微秒甚至納秒級別的同步精度，滿足作戰(zhàn)需求。又如在收集戰(zhàn)場信息時，信息的時序客觀反映了戰(zhàn)場態(tài)勢，時序的混亂將導(dǎo)致信息的不可判讀甚至表達錯誤的戰(zhàn)場信息，時間同步技術(shù)可實現(xiàn)信息的統(tǒng)一時間空間，保證數(shù)據(jù)的可靠融合。在地面測試系統(tǒng)中，計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路在導(dǎo)彈中大規(guī)模的應(yīng)用，提高了導(dǎo)彈的可靠性和制導(dǎo)系統(tǒng)的準確性，同時，也增加了裝備測試的復(fù)雜性。在對導(dǎo)彈的綜合參數(shù)進行測試時，一般需要開展兩方面工作［5］:一方面是通過激勵/響應(yīng)的方法進行數(shù)據(jù)采集，另一方面是應(yīng)用數(shù)字信號進行功能測試。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時，通常需要激勵響應(yīng)間能夠獲得最佳的握手關(guān)系;當(dāng)進行功能測試時，則需要數(shù)字信號能夠符合數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)亩〞r和相位關(guān)系。因此在導(dǎo)彈測試系統(tǒng)的構(gòu)建中，必須考慮時間同步，實現(xiàn)對組網(wǎng)儀器的同步控制。如果測試數(shù)據(jù)在時間上能夠保持相關(guān)性，那么就有助于現(xiàn)場對導(dǎo)彈故障進行定位，有助于對測試數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析和處理，也就有助于進一步改進導(dǎo)彈的性能。LXI總線技術(shù)是基于局域網(wǎng)技術(shù)的模塊自動化測試平臺，為簡化導(dǎo)彈測試提供了有效的解決方案;該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對組網(wǎng)儀器設(shè)備的嚴格同步控制，實現(xiàn)地面系統(tǒng)的自動測試，關(guān)鍵原因在于實現(xiàn)了PTP高精度時鐘同步協(xié)議。

3．2高精度時間同步系統(tǒng)構(gòu)建在地面信息系統(tǒng)不同的應(yīng)用環(huán)境中對時間同步的精度要求不同，PTP協(xié)議的可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境下組建不同精度、不同分辨率和高穩(wěn)定性的混合時鐘系統(tǒng)，即保證了系統(tǒng)的繼承性和可擴展性，同時也節(jié)約了系統(tǒng)構(gòu)建的成本。針對目前時間同步網(wǎng)絡(luò)的缺陷，采用如圖8所示的方式構(gòu)建基于PTP協(xié)議的地面信息系統(tǒng)的時間同步網(wǎng)絡(luò)。1)搭建PTP主時鐘模塊:主時鐘模塊為整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時鐘源，時鐘需具備高分辨率、穩(wěn)定等特性。主時鐘接受衛(wèi)星信號保持與衛(wèi)星系統(tǒng)(北斗、GPS)時鐘的嚴格同步，具備很高的守時性能，支持硬件模式的PTP協(xié)議，可對外提供各種同步信號，通過LAN口接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)主時鐘也可通過最優(yōu)時鐘算法自動產(chǎn)生，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)主時鐘故障時仍可保證系統(tǒng)能正常工作。2)建立透傳時鐘:對于網(wǎng)絡(luò)中使用的中繼器、交換機、路由器在處理信息包時，由于設(shè)備對數(shù)據(jù)處理的方式不同，同步消息在網(wǎng)絡(luò)傳時會造成一定的傳輸延時，設(shè)備類型不同引入的誤差也不同［6］［7］:中繼器誤差在納秒級，交換機在微秒級(與圖7結(jié)果一致)，路由器則在毫秒級。透傳時鐘通過校正字段將消息通過交換機的時間進行累加獲得整個路徑的圖8地面系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建示意圖駐留時間，通過該字段校正主從時鐘間的偏差。高精度的透傳時鐘需硬件支持。3)建立邊界時鐘:隨著網(wǎng)絡(luò)連接的逐漸龐大，從時鐘與主時鐘間的距離會逐漸增大，受網(wǎng)絡(luò)延時抖動的影響越大，對計算結(jié)果就會引入較大的非對稱性誤差，影響同步精度。PTP邊界時鐘可建立起逐級的同步機制，邊界時鐘即是上級時鐘的從時鐘又是下級時鐘的主時鐘，可有效降低非對稱性的影響。4)實現(xiàn)普通時鐘:對于不同的同步精度要求，各個終端可實現(xiàn)不同方式的PTP時鐘實現(xiàn)。主時鐘模塊為整個網(wǎng)絡(luò)提供可靠的時鐘源，透傳時鐘和邊界時鐘可在滿足精度的前提下實現(xiàn)很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，普通時鐘可根據(jù)精度需要部署不同實現(xiàn)方式的PTP時鐘。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型的不同引入的傳輸延時也不同，所以在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時需根據(jù)需要選擇使用不同的物理設(shè)備，或則使用具備透傳時鐘功能的設(shè)備降低誤差。PTP底層通信網(wǎng)絡(luò)也可通過無線的方式組網(wǎng)實現(xiàn)。

4結(jié)束語

信息化建設(shè)在軍事領(lǐng)域已占據(jù)十分重要的地位，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、一體化聯(lián)合作戰(zhàn)等概念提出增強了對作戰(zhàn)信息系統(tǒng)時空一致性的要求，時間同步服務(wù)作為武器信息系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間，構(gòu)建高精度、高穩(wěn)定性的時間同步網(wǎng)絡(luò)為地面信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)測提供高效、準確的信息。

作者：左軍濤朱恩成付建川單位：北京控制與電子技術(shù)研究所信息系統(tǒng)工程重點實驗室