地面信息系统中的时间同步范文

《计算机仿真杂志》2014年第六期

1时间同步原理及分析

1.1时间同步关键技术

时间同步关键在于保证时间记录的精确性和消息传递路径的对称性。1)时间戳技术时间戳技术主要用于记录时间信息，是实现消息时间监测的有效方法，图2标示了在时间同步消息传递路径中时间戳标记点的可能位置［3］［4］。时间戳获取得主要位置有应用层、驱动层以及媒体独立接口MII(MAC层和PHY层之间);在同步消息报文传递的过程中，时间同步方法的不同，时间戳获取的位置也不同，但所有时间戳的提取和打包均在应用层。应用层获取时间戳的方法简单，但容易受协议栈和负载的影响，会引起较大的消息处理延时，在该层生成时间戳将会产生最大的不确定性延时抖动，同步精度低。驱动层获取时间戳需考虑网卡中断服务程序的调用和运行，时间获取的准确性受操作系统计时特性和负载的影响。在发送路径上，可在报文接近MAC层时记录时间戳;在接收时，系统调用中断服务程序，将系统时间保存为接收报文的时间戳。驱动层时间戳标记方式可以最大限度的减小由软件方式生成时间戳所引起的抖动误差。由于数字信号在物理介质中传播延迟的不确定性几乎可以忽略，所以时间戳的获取点越靠近传输介质，获取时间的稳定性就越高。因此，最准确的方法是使用底层硬件检测报文时间戳:当报文经过MII时，能够容易的将其捕捉和解码，进行时间标记。2)路径对称处理消息传递路径的稳定性则主要受网络负载和网络拓扑结构的影响，传输延时会影响数据传输的不对称性，式(2)假设将不成立，同步精度将大大降低。消息传递路径可由两部分组成:操作系统与协议栈部分和网络链路部分;在确定的网络环境中，操作系统与协议栈部分的时间抖动更严重，越接近物理层的时间戳技术实现方式越能有效减小该部分的延时抖动;网络链路部分延时抖动主要受网络负载、传输线路、网络路由等影响。

1.2时间同步协议同步协议主要用于节点间时间信息的交换，目前，主要用于网络时间同步的协议有NTP、SNTP、IEEE1588(也称为PTP)。NTP、SNTP的时间戳技术主要在应用层实现，目的是在互联网上传递统一的标准时间［2］。NTP为保证同步精度，具有一系列的复杂算法对时间进行过滤、补偿，一般具有毫秒级的同步精度，在以太网中，NTP协议实现甚至可以达到亚毫秒的量级。在一些应用中秒级的同步精度即可以满足要求，SNTP协议作为NTP协议的简化版本，无须复杂的时间控制算法，在保证一定的同步精确度的前提下，使得对网络时间的开发和应用变得容易。PTP协议主要用于工业以太网自动测试系统中［2］，一般对精度要求较高。该协议可以采用纯软件实现或硬件支持方式实现，硬件支持的方式即是通过支持该协议的时间芯片在物理层对同步消息进行时间戳标记。应用层实现一般可达到毫秒级甚至亚毫秒级的精度，驱动层实现可达到微秒级精度，硬件时间戳的方式可达到亚微米或纳秒级的同步精度，并且PTP网络时钟具备很高的自稳定性，任何时钟节点的移出或添加不影响系统正常运行。由此可见，在同一网络环境下，时间戳技术从根本上决定了时间同步的精度，也决定了不同协议的不同应用范围，同步协议则主要决定了同步网络的动态扩展性和适应性。

2时间同步在地面信息系统中的应用与分析

在某地面信息化处理设备中，采用应用层时间戳的时间同步服务，应用于各类终端同步控制，如图3所示。时间同步服务器能够从外部时统模块获取GPS标准时间，并通过以太网完成对客户端的校时，该同步网络能够进行以太网数据与CAN总线数据的格式转换，完成对CAN网络上客户端的校时

2．1同步精度测试服务器端和IP客户端分别模拟生成1PPS信号，利用示波器检测该信号，从而获取两者时钟的相对偏移量，即为实际的同步精度。图4为在千兆以太网下两时钟在同步时刻发出的1PPS信号，通过示波器测得两者的时钟偏差为1.98μs，同步精度较高。该时钟实现时，为了获取高分辨率的时间，采用获取计算机时钟晶振和频率的方式计算时间，同样利用晶振进行守时计算，分别对守时1min、3min、5min后的时钟偏差进行测试，如图5所示，守时偏差分别为55.1μs、121.7μs、241.7μs。影响守时偏差的主要因素为晶振的稳定性，随着时间的推移，守时偏差逐渐增大，经过20分钟后，偏差可达到毫秒的量级。对于单个时钟提高守时精度需专业守时设备实现，费用较高，一般采用提高同步时间频率的方式保持与主时钟的一致，在主时钟采用高精度守时设备。

2．2最大同步误差统计在服务器和IP客户端之间进行同步时，利用同步信息的时间戳计算网络延时，即为最大同步误差。通过模拟多种网络环境对时间同步误差的影响，分别统计了千兆、百兆网络无负荷和满负载下的最大同步误差，如图6所示。无论是百兆网还是千兆网，满负荷时的误差曲线波动远大于无负荷的情况，同步精度受网络负载情况影响较明显;同时，千兆网络同步误差远小于百兆网，表明了同步精度受网络传输速率的影响比较显著。对于较大的网络，消息在网络传递中一般会经过多个交换设备，为了说明交换机对同步精度的影响，统计了在千兆网无负荷情况下服务器和客户端之间分别通过一级交换机和两级交换机互联的最大同步误差，如图7所示:对于千兆网在空闲状态下，消息多通过一级交换设备会带来15μs左右的同步误差。

2．3同步性能分析通过对某信息系统同步精度和最大同步误差的测试，可以看出该信息系统的时间同步网络具有较高的同步精度，可满足亚毫秒级的同步要求，然而该系统也存在较多的缺陷:1)系统的稳定性差，规模有限:系统的主从节点关系固定，当主时钟节点发生故障时，将导致整个网络时钟无同步;2)时钟稳定性差，无补偿机制:各节点时钟的守时性能较差，由晶振引起的守时误差无补偿机制，随着时间的偏移，若从节点时钟不能得到及时的同步将导致该节点时钟的不可信;3)网络交换设备对同步精度影响较大:数据经过交换机、路由器等网络设备均会产生处理延时，当消息经过多个交换设备后，同步精度将大大降低;对于同步网络中的不同类型网络的数据转发(如图3中的转换模块)会引入更大的误差;4)系统的适应性能差:同步网络采用自定义的协议，不利于广泛应用。

3高精度的时间同步服务在地面信息系统中的应用探讨

在网络应用层实现时间戳技术的同步网络构建成本低，开发便捷，可满足同步精度要求不高的应用;同步精度受网络传输速度、负载情况影响较大，局限了该同步方式的使用。对于地面信息系统中实时性要求高的场合，一般需采用基于物理层硬件时间戳技术进行时间同步定时触发，甚至直接采用物理连接实现硬件信号触发。

3．1高精度的时间同步应用地面信息系统为武器信息系统的重要组成部分，检测武器状态信息，收集战场态势信息，为作战提供全面的作战指挥、作战保障等信息。时间同步服务在地面信息系统中的作用主要体现在两个方面:提供统一的时空信息和实现地面仪器设备LXI总线自动测试功能。在作战过程中，保持作战时空的一致性是作战的基础，只有在统一的环境下才能保证正确的作战时序，做到作战行动的一致。如在导弹发射时，为待发射的导弹下达最终的发射指令，各节点需保持高度的一致性，时间同步技术可为其提供微秒甚至纳秒级别的同步精度，满足作战需求。又如在收集战场信息时，信息的时序客观反映了战场态势，时序的混乱将导致信息的不可判读甚至表达错误的战场信息，时间同步技术可实现信息的统一时间空间，保证数据的可靠融合。在地面测试系统中，计算机技术和大规模集成电路在导弹中大规模的应用，提高了导弹的可靠性和制导系统的准确性，同时，也增加了装备测试的复杂性。在对导弹的综合参数进行测试时，一般需要开展两方面工作［5］:一方面是通过激励/响应的方法进行数据采集，另一方面是应用数字信号进行功能测试。当数据采集时，通常需要激励响应间能够获得最佳的握手关系;当进行功能测试时，则需要数字信号能够符合数据高速率传输的定时和相位关系。因此在导弹测试系统的构建中，必须考虑时间同步，实现对组网仪器的同步控制。如果测试数据在时间上能够保持相关性，那么就有助于现场对导弹故障进行定位，有助于对测试数据进行后续分析和处理，也就有助于进一步改进导弹的性能。LXI总线技术是基于局域网技术的模块自动化测试平台，为简化导弹测试提供了有效的解决方案;该技术能够实现对组网仪器设备的严格同步控制，实现地面系统的自动测试，关键原因在于实现了PTP高精度时钟同步协议。

3．2高精度时间同步系统构建在地面信息系统不同的应用环境中对时间同步的精度要求不同，PTP协议的可以在现有网络连接环境下组建不同精度、不同分辨率和高稳定性的混合时钟系统，即保证了系统的继承性和可扩展性，同时也节约了系统构建的成本。针对目前时间同步网络的缺陷，采用如图8所示的方式构建基于PTP协议的地面信息系统的时间同步网络。1)搭建PTP主时钟模块:主时钟模块为整个网络环境的时钟源，时钟需具备高分辨率、稳定等特性。主时钟接受卫星信号保持与卫星系统(北斗、GPS)时钟的严格同步，具备很高的守时性能，支持硬件模式的PTP协议，可对外提供各种同步信号，通过LAN口接入网络。网络主时钟也可通过最优时钟算法自动产生，当前网络主时钟故障时仍可保证系统能正常工作。2)建立透传时钟:对于网络中使用的中继器、交换机、路由器在处理信息包时，由于设备对数据处理的方式不同，同步消息在网络传时会造成一定的传输延时，设备类型不同引入的误差也不同［6］［7］:中继器误差在纳秒级，交换机在微秒级(与图7结果一致)，路由器则在毫秒级。透传时钟通过校正字段将消息通过交换机的时间进行累加获得整个路径的图8地面系统时间同步网络构建示意图驻留时间，通过该字段校正主从时钟间的偏差。高精度的透传时钟需硬件支持。3)建立边界时钟:随着网络连接的逐渐庞大，从时钟与主时钟间的距离会逐渐增大，受网络延时抖动的影响越大，对计算结果就会引入较大的非对称性误差，影响同步精度。PTP边界时钟可建立起逐级的同步机制，边界时钟即是上级时钟的从时钟又是下级时钟的主时钟，可有效降低非对称性的影响。4)实现普通时钟:对于不同的同步精度要求，各个终端可实现不同方式的PTP时钟实现。主时钟模块为整个网络提供可靠的时钟源，透传时钟和边界时钟可在满足精度的前提下实现很复杂的网络拓扑结构，普通时钟可根据精度需要部署不同实现方式的PTP时钟。网络设备类型的不同引入的传输延时也不同，所以在构建网络时需根据需要选择使用不同的物理设备，或则使用具备透传时钟功能的设备降低误差。PTP底层通信网络也可通过无线的方式组网实现。

4结束语

信息化建设在军事领域已占据十分重要的地位，网络中心战、一体化联合作战等概念提出增强了对作战信息系统时空一致性的要求，时间同步服务作为武器信息系统的一项关键技术具有广泛的应用空间，构建高精度、高稳定性的时间同步网络为地面信息系统数据采集、系统监测提供高效、准确的信息。

作者：左军涛朱恩成付建川单位：北京控制与电子技术研究所信息系统工程重点实验室