基于空間網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)研究

陸翔，劉健，程子敬，林楷，劉建勛

（航天恒星科技有限公司 北京　100086）

基于空間網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)研究

陸翔，劉健，程子敬，林楷，劉建勛

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

研究了一種基于鄰近空間兩航天器相對(duì)靜止條件下，對(duì)錯(cuò)誤包、重復(fù)包、亂序包具有一定容錯(cuò)能力的新型空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議。其次，考慮空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議中兩航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，利用STK與Matlab軟件聯(lián)合建立異軌航天器時(shí)間同步于分發(fā)的仿真過(guò)程，并通過(guò)兩航天器之間的相對(duì)距離、相對(duì)距離變化率和時(shí)間同步誤差曲線(xiàn)分析航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)間同步精度的影響。最后，在航天器軌道已知的條件下，使用一種誤差曲線(xiàn)擬合的補(bǔ)償方法，降低新型空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議在相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)用的同步誤差，明顯改善時(shí)間同步的誤差的范圍。

鄰近空間；相對(duì)運(yùn)動(dòng)；時(shí)間同步；空間網(wǎng)絡(luò)；仿真計(jì)算；曲線(xiàn)擬合

Mills等人以地面網(wǎng)絡(luò)中的NTP Interleaver On-Wire［3］協(xié)議為藍(lán)本，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于時(shí)間信息交換類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的PITS（Proximity-1 Space Link Interleaved Time Synchronization Protocol，PITS）協(xié)議，該協(xié)議結(jié)合了CCSDS提出的CCSDS Proximity-1 Space Data Link協(xié)議［3］的時(shí)間獲取能力，成為未來(lái)利用空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航天器的時(shí)間分發(fā)與同步的趨勢(shì)。

PITS算法通過(guò)在鄰近空間鏈路上進(jìn)行雙向時(shí)間傳遞，提供更快時(shí)間同步能力，提高數(shù)量日益增長(zhǎng)航天器的可量測(cè)性，降低采集時(shí)間樣本存儲(chǔ)空間，并依靠底層的協(xié)議提供健全的防數(shù)據(jù)丟失與混亂的功能。

1　PITS協(xié)議原理及特性分析

在深空通信中，以軌道飛行器作為時(shí)間同步服務(wù)器，使用時(shí)間同步協(xié)議向其他各個(gè)鄰近航天器提供本地時(shí)間同步與分發(fā)服務(wù)直到地球鏈路恢復(fù)認(rèn)為是今后的發(fā)展趨勢(shì)。PITS協(xié)議最初是為了鄰近空間中航天器的時(shí)間同步而設(shè)計(jì)的，其在火星軌道飛行器與火星車(chē)的時(shí)間同步應(yīng)用中得到了很好的運(yùn)用與發(fā)展。

1.1時(shí)間戳同步原理

時(shí)間戳同步原理是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步NTP的核心，同樣也是PITS的重要組成部分。如圖1所示，含有準(zhǔn)確時(shí)間信息的節(jié)點(diǎn)A被定為時(shí)間服務(wù)器端，需要時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)B作為時(shí)間客戶(hù)端。設(shè)從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B與從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)A的路徑是對(duì)稱(chēng)的，光單向傳播時(shí)間（one way light time，OWLT）是雙向路徑時(shí)間（round-trip time，RTT）延遲的一半。當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得4個(gè)連續(xù)的時(shí)間戳：（例如在圖 1中t1、t2、t3、t4對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，t3、t4、t5、t6對(duì)于節(jié)點(diǎn)B），RTT（雙向路徑時(shí)間）延遲和補(bǔ)償將由下面公式計(jì)算得到。

圖1　網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步過(guò)程示意圖Fig.1　Illustration of time synchronization process

對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，利用往返時(shí)間戳信息可計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差后，可進(jìn)行時(shí)間自動(dòng)校正。

主控制器選用的STM32F103ZET6作為MCU,該芯片在ARM架構(gòu)下基于Cortex-M3內(nèi)核,主要有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)最高工作頻率可達(dá)72 MHz,內(nèi)部含有512 kbyte的FLASH和64 kbyte的SRAM,并且可根據(jù)需要進(jìn)行外擴(kuò),滿(mǎn)足大內(nèi)存和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ),可以保證主控制器的傳輸速度和穩(wěn)定性;(2)接口眾多且封裝小,有利于減少模塊的尺寸,符合現(xiàn)如今嵌入式設(shè)備向微型化和高集成度發(fā)展的趨勢(shì);(3)該芯片含有 112個(gè)IO口,具有 144 pin 豐富的管腳資源,以及13個(gè)通信接口,能夠與外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成,功能強(qiáng)大,在本系統(tǒng)中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)WIFI的高速通信。

式（1）加式（2），得

同理，對(duì)于節(jié)點(diǎn)B，

1.2PITS協(xié)議及其特性

PITS協(xié)議是一個(gè)全面的時(shí)間交換協(xié)議，屬于一種簡(jiǎn)單詢(xún)問(wèn)與應(yīng)答機(jī)制，其規(guī)定在兩個(gè)航天器之間交換時(shí)間信息的方式。PITS的目的是提供獲取與交換更為精確的、可靠的時(shí)間戳方法，降低被標(biāo)記時(shí)間戳的航天器與實(shí)際時(shí)間信息之間的差異。在PITS算法里，時(shí)間信息存入SpNTP（Space NTP）數(shù)據(jù)包，之后封裝進(jìn) CCSDS Proximity-1 Timestamp標(biāo)準(zhǔn)下的SPDU（Supervisory Protocol Data Unit）進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的信息交換。同時(shí)，PITS協(xié)議還是一種狀態(tài)協(xié)議，主要收集有效載荷中SpNTP封裝入的各種時(shí)間信息，具體時(shí)間戳與狀態(tài)變量如表1所示。PITS利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳信息以及各狀態(tài)變量計(jì)算RTT時(shí)延與時(shí)間補(bǔ)償offset。

表1　PITS使用的時(shí)間戳與狀態(tài)變量Tab.1 Timestamp and state variables used in PITS

1.2.1PITS的工作方式

PITS有以下3種運(yùn)行模式［5］：基本對(duì)稱(chēng)模式BSM（Basic S-ymmetric Mode）、交叉存取對(duì)稱(chēng)模式ISM（Interleaved Symmetric Mode）和廣播模式BM（Broadcasting Mode）。

1）BSM工作模式

時(shí)間服務(wù)器A將發(fā)送時(shí)間戳封裝入SpNTP中，并將Sp-NTP包通過(guò)SPDU發(fā)送給B。每個(gè)torg和trec分別存儲(chǔ)接收到的狀態(tài)變量rec，目的地時(shí)間戳狀態(tài)變量dst。發(fā)送起始時(shí)間戳之前，狀態(tài)變量aorg存儲(chǔ)目前的本機(jī)時(shí)間。SpNTP包發(fā)送結(jié)束后，txmt就會(huì)含有時(shí)鐘信息。B收到SpNTP后，更新本地rec、dst、org等狀態(tài)變量，并將新的時(shí)間信息通過(guò)SpNTP發(fā)送回去。從A接收到SpNTP包后，B中的rec狀態(tài)變量存儲(chǔ)txmt時(shí)間戳；dst狀態(tài)變量存儲(chǔ)B當(dāng)前接收到的本機(jī)時(shí)鐘。整個(gè)BSM方式中數(shù)據(jù)包的交換過(guò)程與圖1相一致，圖2為每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)狀態(tài)變量在各個(gè)時(shí)刻的變化過(guò)程［3］。其中，有點(diǎn)的方格為航天器的系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘將SpNTP包的發(fā)送或接收時(shí)間標(biāo)記。具體有效載荷數(shù)據(jù)包的更新以及狀態(tài)變量的更改依據(jù)文獻(xiàn)［1～3］中的發(fā)送與接收過(guò)程。

圖2　BSM模式下SpNTP包和狀態(tài)變量的示意圖Fig.2　llustration of basic mode showing SpNTP packet and state variables

2）ISM工作模式

ISM工作模式下SpNTP包的格式與基本模式是一樣的。ISM模式比BSM模式多了一個(gè)狀態(tài)參量borg。此時(shí)，aorg存儲(chǔ)每一個(gè)偶數(shù)（或奇數(shù)）時(shí)間信息，而borg存儲(chǔ)每一個(gè)奇數(shù)（或偶數(shù)）起始時(shí)間戳［3］，如圖3所示。

圖3　ISM模式下SpNTP包和狀態(tài)變量的示意圖Fig.3　llustration of interleaved mode showing SpNTP packet and state variables

SpNTP發(fā)送過(guò)程中，ISM的發(fā)送時(shí)間戳在其發(fā)送SpNTP包后才被得到，其時(shí)間戳信息將在下一個(gè)發(fā)送過(guò)程放入SpNTP進(jìn)行處理。因此，當(dāng)前發(fā)送時(shí)間戳與SpNTP包傳輸后即被近物理層記錄的發(fā)送時(shí)間更為接近，接收方接收帶有發(fā)送時(shí)間戳信息的SpNTP數(shù)據(jù)包后，立即得到更加精確的、與物理層發(fā)送SpNTP包的時(shí)間相接近的發(fā)送時(shí)間戳。這也造成ISM模式下需要傳送比BSM模式多2輪的SpNTP包用以進(jìn)行時(shí)間信息的同步。

1.2.2PITS的容錯(cuò)性

由于空間環(huán)境的嚴(yán)酷性，在SpNTP數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生一些錯(cuò)誤。為了在環(huán)節(jié)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下還能得到正確的結(jié)果，容錯(cuò)性對(duì)協(xié)議來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，需要持續(xù)保障的。容錯(cuò)性［6］是指協(xié)議不會(huì)傳遞錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，并將包內(nèi)不正確的信息傳給更高一層進(jìn)行offset補(bǔ)償和RTT延時(shí)計(jì)算。PITS協(xié)議提供處理錯(cuò)誤包、亂序包和重復(fù)包等情況的能力，這3種情況下PITS正常工作體現(xiàn)了PITS較好的容錯(cuò)性。

2　相對(duì)運(yùn)動(dòng)環(huán)境下PITS協(xié)議的誤差分析與補(bǔ)償驗(yàn)證

由于空間環(huán)境極其復(fù)雜，航天器狀態(tài)不斷變化，造成星間的鏈路有可能受到來(lái)自各個(gè)方面因素影響［9］。本文在忽略太陽(yáng)輻射、電離層、Sagnac效應(yīng)等外界空間環(huán)境對(duì)星間鏈路影響的前提下，突破PITS限制的“進(jìn)行時(shí)間同步的兩個(gè)航天器相對(duì)靜止”這一條件，利用STK與Matlab聯(lián)合仿真分析能力，建立兩個(gè)鄰近空間航天器進(jìn)行PITS過(guò)程空間仿真模型，分析由于航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的PITS同步時(shí)間誤差。在

STK采集到的毫秒級(jí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)曲線(xiàn)擬合的思想，使用Matlab提供的cftool工具箱獲得兩個(gè)航天器之間相對(duì)距離變化曲線(xiàn)，人為提高計(jì)算精度去分析高精度的時(shí)間同步誤差。

2.1航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)下PITS同步性能的Matlab分析

仿真場(chǎng)景中主要有兩個(gè)航天器（SS與Small_Sat）。令航天器Small_Sat與航天器SS在同一軌道面，但其為大橢圓軌道，且航天器Small_Sat的軌道周期TSmall_Sat為航天器SS軌道周期TSS的3倍。根據(jù)PITS協(xié)議的原理，由于航天器之間星間鏈路的傳播時(shí)延隨兩個(gè)航天器的相對(duì)距離變化而變化，兩個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的航天器，其鏈路往返時(shí)延不相等。因此，公式（3）將變?yōu)椋?/p>

在航天器有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的前提下，PITS的同步誤差主要來(lái)源于時(shí)間同步數(shù)據(jù)包往返時(shí)延不一致，造成航天器每次時(shí)間同步其誤差與相對(duì)距離變化率和相對(duì)距離有關(guān)，而這個(gè)誤差值為圖4為航天器Small_Sat周期內(nèi)與航天器SS相對(duì)距離和相對(duì)距離變化率的曲線(xiàn)。

圖4　航天器Small_Sat周期內(nèi)相對(duì)距離與相對(duì)距離變化率Fig.4　Range and range rate between Small_Sat and SS in period of Small_Sat

利用Matlab大數(shù)據(jù)曲線(xiàn)擬合的方式構(gòu)造兩個(gè)航天器相對(duì)距離的曲線(xiàn)方程，按照PITS協(xié)議的BSM工作模式、單向傳播時(shí)延公式（設(shè)定航天器PITS硬件處理時(shí)延為1μs）以及高階最小二乘（或傅里葉）擬合逼近的兩個(gè)航天器相對(duì)距離曲線(xiàn)，計(jì)算得到一次時(shí)間同步過(guò)程中的時(shí)間同步誤差，圖5、圖6、圖7中的藍(lán)線(xiàn)為第一、二、三可見(jiàn)時(shí)間范圍的PITS時(shí)間同步誤差。

圖5　時(shí)間同步誤差與補(bǔ)償后誤差（第一段可視范圍）Fig.5　Time synchronization errors and time synchronization errors after offset（Section 1）

圖6　時(shí)間同步誤差與補(bǔ)償后誤差（第二段可視范圍）Fig.6　Time synchronization errors and time synchronization errors after offset（Section 2）

圖7　時(shí)間同步誤差與補(bǔ)償后誤差（第三段可視范圍）Fig.7　Time synchronization errors and time synchronization errors after offset（Section 3）

2.2PITS時(shí)間同步誤差補(bǔ)償

由以上曲線(xiàn)可以看出，在航天器［9］相對(duì)距離較遠(yuǎn)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)較大的時(shí)候，PITS的時(shí)間同步誤差相對(duì)較大；在航天器相對(duì)距離較遠(yuǎn)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小以及航天器相對(duì)距離較近、相對(duì)運(yùn)動(dòng)較大的情況下，由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的PITS時(shí)間同步誤差則比較小。在兩個(gè)航天器軌道已知的情況下，可以預(yù)估PITS時(shí)間同步誤差曲線(xiàn)，利用誤差曲線(xiàn)構(gòu)造補(bǔ)償曲線(xiàn)變成為可能?？紤]星載計(jì)算機(jī)的性能與功耗，使用相對(duì)接近誤差曲線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可以有效的降低PITS時(shí)間同步的誤差。在上面仿真場(chǎng)景中，使用3階誤差補(bǔ)償曲線(xiàn)，能將時(shí)間同步誤差將低1個(gè)數(shù)量級(jí)。補(bǔ)償后的時(shí)間同步誤差如圖5、圖6、圖7中的灰色曲線(xiàn)。

3　結(jié)　論

在所建場(chǎng)景下通過(guò)以上圖示，可以看出隨著相對(duì)速度與相對(duì)距離的變化，使用PITS協(xié)議進(jìn)行空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的誤差一般多為十幾微秒級(jí)，且同步精度與航天器相對(duì)距離和徑向速度有關(guān)，相對(duì)距離越小、徑向速度越快，則PITS同步誤差越小?？紤]鄰近空間的定義與PITS應(yīng)用條件的限制，在航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，PITS時(shí)間同步誤差可控制在毫秒量級(jí)以下。利用預(yù)測(cè)已知軌道時(shí)間同步誤差曲線(xiàn)擬合補(bǔ)償方法，可以明顯降低誤差的范圍，使本場(chǎng)景下的同步誤差曲線(xiàn)更為平滑。在深空通信中，只需利用軌道器上精確的時(shí)鐘，便可為行星地表的探測(cè)器與相鄰航天器提供時(shí)間同步的服務(wù)。PITS還處于剛剛起步階段，深入研究PITS的使用機(jī)理與補(bǔ)償方式，可為我國(guó)深空探測(cè)［10］及天地一體化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供可靠的時(shí)間分發(fā)與同步手段。

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The research of space network time synchronization technology is on the base of the orbit prediction

LU Xiang，LIU Jian，CHENG Zi-jing，LIN Kai，LIU Jian-xun
（Space Star Technology CO.，Ltd，Beijing 100086，China）

In this work，we consider a new space network time synchronization protocol which is capable of cope with error packets，duplicate packets as well as disorder packets base on two spacecraft under relatively static condition in proximity-1 space.Secondly，we analyze the synchronization performance of this protocol via relative range and range rate between the two spacecraft with combinations of Matlab and STK simulation software in case of the relative motion with spacecraft.Finally，this paper utilizes a error curve fitting compensating method to improve space network time synchronization protocol time synchronization accuracy in the application of the relative movement condition.It is significant improvement in time synchronization errors.

proximity space；relative motion；time synchronization；space network；simulation；curve fitting

TN915

A

1674－6236（2016）05-0138-04

2015-04-08稿件編號(hào)：201504069

陸 翔（1989—），男，北京人，碩士研究生。研究方向：空間通信與空間網(wǎng)絡(luò)。