地面信息系統中的時間同步范文

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《計算機仿真雜志》2014年第六期

1時間同步原理及分析

1.1時間同步關鍵技術

時間同步關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)時間戳技術時間戳技術主要用于記錄時間信息，是實現消息時間監測的有效方法，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用層、驅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用層。應用層獲取時間戳的方法簡單，但容易受協議棧和負載的影響，會引起較大的消息處理延時，在該層生成時間戳將會產生最大的不確定性延時抖動，同步精度低。驅動層獲取時間戳需考慮網卡中斷服務程序的調用和運行，時間獲取的準確性受操作系統計時特性和負載的影響。在發送路徑上，可在報文接近MAC層時記錄時間戳;在接收時，系統調用中斷服務程序，將系統時間保存為接收報文的時間戳。驅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。由于數字信號在物理介質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，獲取時間的穩定性就越高。因此，最準確的方法是使用底層硬件檢測報文時間戳:當報文經過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定性則主要受網絡負載和網絡拓撲結構的影響，傳輸延時會影響數據傳輸的不對稱性，式(2)假設將不成立，同步精度將大大降低。消息傳遞路徑可由兩部分組成:操作系統與協議棧部分和網絡鏈路部分;在確定的網絡環境中，操作系統與協議棧部分的時間抖動更嚴重，越接近物理層的時間戳技術實現方式越能有效減小該部分的延時抖動;網絡鏈路部分延時抖動主要受網絡負載、傳輸線路、網絡路由等影響。

1.2時間同步協議同步協議主要用于節點間時間信息的交換，目前，主要用于網絡時間同步的協議有NTP、SNTP、IEEE1588(也稱為PTP)。NTP、SNTP的時間戳技術主要在應用層實現，目的是在互聯網上傳遞統一的標準時間［2］。NTP為保證同步精度，具有一系列的復雜算法對時間進行過濾、補償，一般具有毫秒級的同步精度，在以太網中，NTP協議實現甚至可以達到亞毫秒的量級。在一些應用中秒級的同步精度即可以滿足要求，SNTP協議作為NTP協議的簡化版本，無須復雜的時間控制算法，在保證一定的同步精確度的前提下，使得對網絡時間的開發和應用變得容易。PTP協議主要用于工業以太網自動測試系統中［2］，一般對精度要求較高。該協議可以采用純軟件實現或硬件支持方式實現，硬件支持的方式即是通過支持該協議的時間芯片在物理層對同步消息進行時間戳標記。應用層實現一般可達到毫秒級甚至亞毫秒級的精度，驅動層實現可達到微秒級精度，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網絡時鐘具備很高的自穩定性，任何時鐘節點的移出或添加不影響系統正常運行。由此可見，在同一網絡環境下，時間戳技術從根本上決定了時間同步的精度，也決定了不同協議的不同應用范圍，同步協議則主要決定了同步網絡的動態擴展性和適應性。

2時間同步在地面信息系統中的應用與分析

在某地面信息化處理設備中，采用應用層時間戳的時間同步服務，應用于各類終端同步控制，如圖3所示。時間同步服務器能夠從外部時統模塊獲取GPS標準時間，并通過以太網完成對客戶端的校時，該同步網絡能夠進行以太網數據與CAN總線數據的格式轉換，完成對CAN網絡上客戶端的校時

2．1同步精度測試服務器端和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為在千兆以太網下兩時鐘在同步時刻發出的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定性，隨著時間的推移，守時偏差逐漸增大，經過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守時設備實現，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備。

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

2．3同步性能分析通過對某信息系統同步精度和最大同步誤差的測試，可以看出該信息系統的時間同步網絡具有較高的同步精度，可滿足亞毫秒級的同步要求，然而該系統也存在較多的缺陷:1)系統的穩定性差，規模有限:系統的主從節點關系固定，當主時鐘節點發生故障時，將導致整個網絡時鐘無同步;2)時鐘穩定性差，無補償機制:各節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，若從節點時鐘不能得到及時的同步將導致該節點時鐘的不可信;3)網絡交換設備對同步精度影響較大:數據經過交換機、路由器等網絡設備均會產生處理延時，當消息經過多個交換設備后，同步精度將大大降低;對于同步網絡中的不同類型網絡的數據轉發(如圖3中的轉換模塊)會引入更大的誤差;4)系統的適應性能差:同步網絡采用自定義的協議，不利于廣泛應用。

3高精度的時間同步服務在地面信息系統中的應用探討

在網絡應用層實現時間戳技術的同步網絡構建成本低，開發便捷，可滿足同步精度要求不高的應用;同步精度受網絡傳輸速度、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進行時間同步定時觸發，甚至直接采用物理連接實現硬件信號觸發。

3．1高精度的時間同步應用地面信息系統為武器信息系統的重要組成部分，檢測武器狀態信息，收集戰場態勢信息，為作戰提供全面的作戰指揮、作戰保障等信息。時間同步服務在地面信息系統中的作用主要體現在兩個方面:提供統一的時空信息和實現地面儀器設備LXI總線自動測試功能。在作戰過程中，保持作戰時空的一致性是作戰的基礎，只有在統一的環境下才能保證正確的作戰時序，做到作戰行動的一致。如在導彈發射時，為待發射的導彈下達最終的發射指令，各節點需保持高度的一致性，時間同步技術可為其提供微秒甚至納秒級別的同步精度，滿足作戰需求。又如在收集戰場信息時，信息的時序客觀反映了戰場態勢，時序的混亂將導致信息的不可判讀甚至表達錯誤的戰場信息，時間同步技術可實現信息的統一時間空間，保證數據的可靠融合。在地面測試系統中，計算機技術和大規模集成電路在導彈中大規模的應用，提高了導彈的可靠性和制導系統的準確性，同時，也增加了裝備測試的復雜性。在對導彈的綜合參數進行測試時，一般需要開展兩方面工作［5］:一方面是通過激勵/響應的方法進行數據采集，另一方面是應用數字信號進行功能測試。當數據采集時，通常需要激勵響應間能夠獲得最佳的握手關系;當進行功能測試時，則需要數字信號能夠符合數據高速率傳輸的定時和相位關系。因此在導彈測試系統的構建中，必須考慮時間同步，實現對組網儀器的同步控制。如果測試數據在時間上能夠保持相關性，那么就有助于現場對導彈故障進行定位，有助于對測試數據進行后續分析和處理，也就有助于進一步改進導彈的性能。LXI總線技術是基于局域網技術的模塊自動化測試平臺，為簡化導彈測試提供了有效的解決方案;該技術能夠實現對組網儀器設備的嚴格同步控制，實現地面系統的自動測試，關鍵原因在于實現了PTP高精度時鐘同步協議。

3．2高精度時間同步系統構建在地面信息系統不同的應用環境中對時間同步的精度要求不同，PTP協議的可以在現有網絡連接環境下組建不同精度、不同分辨率和高穩定性的混合時鐘系統，即保證了系統的繼承性和可擴展性，同時也節約了系統構建的成本。針對目前時間同步網絡的缺陷，采用如圖8所示的方式構建基于PTP協議的地面信息系統的時間同步網絡。1)搭建PTP主時鐘模塊:主時鐘模塊為整個網絡環境的時鐘源，時鐘需具備高分辨率、穩定等特性。主時鐘接受衛星信號保持與衛星系統(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協議，可對外提供各種同步信號，通過LAN口接入網絡。網絡主時鐘也可通過最優時鐘算法自動產生，當前網絡主時鐘故障時仍可保證系統能正常工作。2)建立透傳時鐘:對于網絡中使用的中繼器、交換機、路由器在處理信息包時，由于設備對數據處理的方式不同，同步消息在網絡傳時會造成一定的傳輸延時，設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地面系統時間同步網絡構建示意圖駐留時間，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:隨著網絡連接的逐漸龐大，從時鐘與主時鐘間的距離會逐漸增大，受網絡延時抖動的影響越大，對計算結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)實現普通時鐘:對于不同的同步精度要求，各個終端可實現不同方式的PTP時鐘實現。主時鐘模塊為整個網絡提供可靠的時鐘源，透傳時鐘和邊界時鐘可在滿足精度的前提下實現很復雜的網絡拓撲結構，普通時鐘可根據精度需要部署不同實現方式的PTP時鐘。網絡設備類型的不同引入的傳輸延時也不同，所以在構建網絡時需根據需要選擇使用不同的物理設備，或則使用具備透傳時鐘功能的設備降低誤差。PTP底層通信網絡也可通過無線的方式組網實現。

4結束語

信息化建設在軍事領域已占據十分重要的地位，網絡中心戰、一體化聯合作戰等概念提出增強了對作戰信息系統時空一致性的要求，時間同步服務作為武器信息系統的一項關鍵技術具有廣泛的應用空間，構建高精度、高穩定性的時間同步網絡為地面信息系統數據采集、系統監測提供高效、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研究所信息系統工程重點實驗室