遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)及檢測方法研究

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(中國飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

0 引言

遙測是集傳感、采集、通信和數(shù)據(jù)處理為一體的一門綜合性技術(shù)，在軍用和民用飛行試驗(yàn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)飛行試驗(yàn)中，遙測為飛行試驗(yàn)對象的實(shí)時監(jiān)控提供了主要數(shù)據(jù)來源。隨著航空武器裝備的發(fā)展，現(xiàn)代飛行試驗(yàn)從單機(jī)試飛向多機(jī)協(xié)同試飛的模式轉(zhuǎn)變，遙測帶寬需求日益增長，雙向傳輸需求日趨緊迫，有力推動了遙測從傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”單向傳輸，朝著雙向的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。遙測網(wǎng)絡(luò)的概念已經(jīng)出現(xiàn)，技術(shù)框架也初步形成。遙測網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的遠(yuǎn)距無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，是連接高速移動試驗(yàn)對象(飛行器)節(jié)點(diǎn)和地面試驗(yàn)設(shè)施、實(shí)現(xiàn)空地一體化綜合測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分。遙測網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延和試驗(yàn)對象間的時間同步，是影響遙測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的實(shí)時性和同步性的關(guān)鍵因素，必須重點(diǎn)探討和解決。

1 遙測網(wǎng)絡(luò)中試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)時間同步的概念

傳統(tǒng)的、基于IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)的遙測傳輸模式，采用FM/PCM串行傳輸方式，具有較好的實(shí)時性。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)遙測速率、遙測距離等確定后，傳輸時延基本上是確定的。由于過去飛行試驗(yàn)基本上都是“單機(jī)試驗(yàn)”，遙測監(jiān)控模式也是“單機(jī)監(jiān)控”，“時間同步”基本上只涉及同一架飛機(jī)內(nèi)測試參數(shù)的時間同步問題。針對個別同一試驗(yàn)中多試驗(yàn)對象的遙測監(jiān)控，也是通過“單機(jī)監(jiān)控”方式實(shí)現(xiàn)的，飛行試驗(yàn)過程中多試驗(yàn)對象間的數(shù)據(jù)時間同步問題基本上未涉及，相關(guān)數(shù)據(jù)時間同步處理只是在事后數(shù)據(jù)處理中完成。

信息化條件下的多機(jī)協(xié)同試飛和遙測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使同一飛行試驗(yàn)中的多個試驗(yàn)對象遙測數(shù)據(jù)融合、實(shí)時處理、多試驗(yàn)對象同時監(jiān)控將成為常態(tài)，多試驗(yàn)對象間的數(shù)據(jù)時間同步成為必須解決的技術(shù)問題之一。

飛行試驗(yàn)遙測網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的遠(yuǎn)距、寬帶、基于無線傳輸?shù)膶?shí)時測控網(wǎng)絡(luò)，加之飛行試驗(yàn)對象(飛行器：空中高速移動節(jié)點(diǎn))具有高速、大機(jī)動等特點(diǎn)，遙測網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式不盡相同，使遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姶怒h(huán)境相對復(fù)雜，影響了遙測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間延遲和時間同步。針對飛行試驗(yàn)遙測網(wǎng)絡(luò)微妙級的時間同步要求(同一試驗(yàn)對象內(nèi)為1微秒、不同試驗(yàn)對象間為100 μs)，遙測網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對象間時間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與檢測都是技術(shù)難題。

在iNET的技術(shù)要求中，把多試驗(yàn)對象間測量數(shù)據(jù)時間同步定義為：在測試過程和通過試驗(yàn)對象端(TAS)、地面站端(GSS)及無線鏈路(RF)的通信過程中，從多個分立試驗(yàn)對象上同時讀取到的兩傳感器參數(shù)之間的最大時差。

從上述定義中可以看出，多試驗(yàn)對象間測量數(shù)據(jù)的時間同步包括了機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)(aNET)中的數(shù)據(jù)采集同步和遙測網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)傳輸同步兩個部分。機(jī)載測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(aNET)是一種基于光纜和電纜的測控網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中已采用了PTP精確時間同步協(xié)議，目前數(shù)據(jù)時間同步已達(dá)到1微秒級的應(yīng)用精度；而遙測網(wǎng)絡(luò)(rfNET)目前還處于研究與試驗(yàn)階段，iNET標(biāo)準(zhǔn)中推薦采用NTP時間同步協(xié)議，不同試驗(yàn)對象間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間同步目前還沒有實(shí)際使用值，預(yù)計(jì)在毫秒級。因此，要提高多試驗(yàn)對象間測量數(shù)據(jù)的時間同步，遙測網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)包傳輸環(huán)節(jié)是主要因素，需要重點(diǎn)研究和探討。

按照iNET標(biāo)準(zhǔn)對遙測網(wǎng)絡(luò)的定義，我們可以把遙測網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)傳輸同步理解為多試驗(yàn)對象端(TAS)間的數(shù)據(jù)包的時間同步，即在遙測網(wǎng)絡(luò)中，多個試驗(yàn)對象端(TAS)同時發(fā)送的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過RF無線鏈路傳送，到達(dá)地面站端(GSS)接收后，多個試驗(yàn)對象端(TAS)數(shù)據(jù)包收到時間的最大時差。顯然，該時差就是試驗(yàn)對象端(TAS)上的數(shù)據(jù)包發(fā)送到地面站端(GSS)接收過程中的傳輸時延之差，是遙測網(wǎng)絡(luò)中多個試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時延不相等所造成，必須采用相關(guān)同步技術(shù)給以修正。

2 遙測網(wǎng)絡(luò)中的時間同步協(xié)議和同步原理

2.1 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP ：Network Time Protocol)是用來使網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)或設(shè)備單元對其服務(wù)器或時鐘源提供高精準(zhǔn)度的時間校正(LAN上與標(biāo)準(zhǔn)間差小于1毫秒，WAN上幾十毫秒)，且可通過加密確認(rèn)的方式來防惡毒的協(xié)議攻擊。該協(xié)議是美國iNET遙測網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的遙測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時間同步協(xié)議。RF網(wǎng)絡(luò)單元標(biāo)準(zhǔn)中的第10條：通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù)中的10.3 款，指明遙測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間同步采用RFC 1305網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，其工作原理如圖1所示?？蛻舳嘶蛟O(shè)備首先向時間服務(wù)器端發(fā)送一個NTP時間同步報(bào)文請求，其中包含了該報(bào)文離開客戶端的時間戳T0(以客戶機(jī)時間為參照)，當(dāng)時間服務(wù)器端接收到該包時，依次填入報(bào)文到達(dá)的時間戳T1(以服務(wù)器時間為參照)和離開的時間戳T2(以服務(wù)器時間為參照)，然后立即把報(bào)文返回給客戶端，客戶端在接收到響應(yīng)報(bào)文時，記錄報(bào)文返回的時間戳T3(以客戶機(jī)時間為參照)?？蛻舳擞蒙鲜?個時間戳值就能夠計(jì)算出NTP報(bào)文的傳輸遲延和客戶端節(jié)點(diǎn)與時間服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)之間的時鐘偏差。客戶端使用時鐘偏差來調(diào)整本地時鐘，使其時間與時間服務(wù)器端的時間一致。NTP協(xié)議假設(shè) NTP 請求和回復(fù)包傳送時延相等，我們用δ表示往返時延，則：

圖1 NTP同步原理

我們用θ代表客戶端與時間服務(wù)器之間的時間偏差，則：

θ= [(T1-T0)-(T3-T2)]/2

可以看出δ和θ只與T1、T0差值及T2、T3差值相關(guān)，而與T1、T2差值無關(guān)，即最終的結(jié)果與時間服務(wù)器上請求處理所需的時間無關(guān)。因此，客戶端可通過T0、T1、T2、T3計(jì)算出其與時間服務(wù)器之間的時差去調(diào)整本地時鐘，即可完成時間同步。NTP時間同步的局限性在于雖然假設(shè)攜帶時間戳的報(bào)文經(jīng)歷往返相等的時間遲延，但無法克服報(bào)文單向時延所造成的影響，同時NTP在高層(應(yīng)用層)用軟件方式打時間戳，越靠近應(yīng)用層，同步精度越低，且具有不確定性，影響了時間同步的精度。

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)是典型的網(wǎng)絡(luò)授時同步協(xié)議，通過在時間服務(wù)器和客戶端之間互相傳遞時間戳，計(jì)算出客戶端相對于服務(wù)器的時延和偏差，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時間的同步。NTP協(xié)議機(jī)制嚴(yán)格、實(shí)用、有效，網(wǎng)絡(luò)開銷少，可以在各種網(wǎng)絡(luò)上獲取毫秒級的可靠時間同步。在遙測網(wǎng)絡(luò)中，我們可以假設(shè)飛行器上試驗(yàn)對象端(TAS)為客戶機(jī)端，地面上的遙測地面站端(GSS)為服務(wù)器端，應(yīng)用NTP協(xié)議即可為整個遙測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的時間同步問題提供了一種解決途徑。

2.2 精確時鐘同步協(xié)議(PTP)

精確時鐘同步協(xié)議(PTP：Precision Time Protocol)是由網(wǎng)絡(luò)精密時鐘同步委員會提出，于2001年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)的支持，并于2002年底獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會通過，作為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，其全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確定時同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)旨在解決以太網(wǎng)的定時同步能力不足問題，減少傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時間同步所帶來的額外布線開銷，如IRIG-B等。標(biāo)準(zhǔn)定義了一個在測控網(wǎng)絡(luò)中, 與網(wǎng)絡(luò)交換、本地計(jì)算和分配對象有關(guān)的精確時鐘同步協(xié)議( PTP) 。此協(xié)議特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù), 精度可以達(dá)到微秒級的范圍。該協(xié)議提出后就廣泛應(yīng)用于各類以太網(wǎng)以及部分地面測控網(wǎng)絡(luò)中。

針對現(xiàn)代飛行試驗(yàn)遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步的新需求和遙測網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，以及網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)毫秒級的同步精度和固有缺點(diǎn)，難以滿足多機(jī)協(xié)同試飛高精度的時間同步要求。并開始逐步將該協(xié)議推廣到飛行試驗(yàn)遙測網(wǎng)絡(luò)中，例如機(jī)載采集系統(tǒng)的精準(zhǔn)時間同步等。利用該議并采用軟硬結(jié)合的方法，可以把遙測網(wǎng)絡(luò)的時間同步精度提高到微秒級。

精確時鐘同步協(xié)議(PTP) 使用時間戳來同步本地時間。一個簡單的PTP系統(tǒng)包括一個主時鐘節(jié)點(diǎn)和多個從屬時鐘節(jié)點(diǎn)。具有主從時鐘設(shè)備的節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收有時間信息的報(bào)文, 并且在每一個發(fā)送和接收的報(bào)文中加上發(fā)送和接收的時間戳。有了時間戳，接收方就可以計(jì)算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時鐘誤差和延時。具體同步過程如圖2 所示。

TM1：同步報(bào)文發(fā)送時間；TS1：同步報(bào)文接收時間；TM2：跟隨報(bào)文精確發(fā)送時間；TS2：跟隨報(bào)文精確接收時間；TM3：延遲請求報(bào)文精確接收時間；TS3：延遲請求報(bào)文精確發(fā)送時間；TM4：延遲回復(fù)報(bào)文精確發(fā)送時間；TS4：延遲回復(fù)報(bào)文精確接收時間；TM5、TS5：實(shí)現(xiàn)精確同步時間；圖2 PTP 同步過程

從圖2 可知,發(fā)送的報(bào)文包括：同步報(bào)文( Sync) 、同步報(bào)文之后的跟隨報(bào)文( Follow_Up) 、延時請求報(bào)文(Delay_Req) 、延時請求的回復(fù)報(bào)文(Delay_Resp) 。用一個標(biāo)準(zhǔn)時間的時鐘( 主時鐘) 來校正其它的時鐘(從時鐘)，主、從時鐘的時間差和報(bào)文傳輸延遲計(jì)算如下:

主、從時鐘節(jié)點(diǎn)間傳輸延遲 = 同步報(bào)文接收時間TS1- 同步報(bào)文發(fā)送時間TM1；

從、主時鐘節(jié)點(diǎn)間傳輸延遲 = 延遲請求報(bào)文接收時間TM3-延遲請求報(bào)文接收時間TS3；

延遲時間 =(主、從時鐘節(jié)點(diǎn)間傳輸延遲 + 從、主時鐘節(jié)點(diǎn)間傳輸延遲)/2

偏離時間 = 同步報(bào)文接收時間 - 同步報(bào)文發(fā)送時間 -延遲時間

用δ表示延遲時間，則：δ= [(TS1-TM1)+(TM3-TS3)]/2

用θ代表主時鐘端與從時鐘端之間的時間偏差，則：θ=(TS1-TM1)-δ

根據(jù)偏離時間可以精確地對從時鐘進(jìn)行時間校正，在這個過程中，假設(shè)傳輸介質(zhì)是對稱均勻的。

PTP協(xié)議的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中最精確的時鐘(主時鐘)以包交換的方式同步所有其它時鐘(從時鐘)，需要專用的硬件，在底層(物理層)打時間戳(越靠近物理介質(zhì)層，同步精度越高)，支持在物理介質(zhì)層、驅(qū)動程序?qū)踊驊?yīng)用軟件層檢測和記錄報(bào)文發(fā)送和接收的時間戳，避免了報(bào)文處理時間的不確定性，時間同步可達(dá)到微秒級。因此PTP協(xié)議是飛行試驗(yàn)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時間同步的最佳選擇，在該領(lǐng)域的深入應(yīng)用還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)與驗(yàn)證。

3 基于IEEE 1588的遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

按照前述遙測網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)傳輸同步的概念，多試驗(yàn)對象端(TAS)間的數(shù)據(jù)時間同步，即在遙測網(wǎng)絡(luò)中，多個試驗(yàn)對象端(TAS)同時發(fā)送的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過RF無線鏈路傳送，到達(dá)地面站端(GSS)接收后，多個試驗(yàn)對象端(TAS)數(shù)據(jù)包收到時間的最大時差，技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑是在試驗(yàn)對象端(TAS)和地面站端(GSS)的核心部件：RF收發(fā)器中集成1588 IP核組件。RF收發(fā)器中的1588 IP核組件應(yīng)具備三個基本功能，一是實(shí)現(xiàn)主、從時鐘功能；二是在物理層用硬件方法打時間戳；三是輔助PTP協(xié)議的運(yùn)行。1588 IP核組件的常見實(shí)現(xiàn)形式是1588芯片或FPGA邏輯。

3.2 支持IEEE 1588協(xié)議的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器技術(shù)方案

一種基于DP83640芯片、支持IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器技術(shù)方案如圖3所示。

圖3 支持IEEE 1588協(xié)議的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器技術(shù)方案框圖

該方案是在常規(guī)的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器中嵌入DP83640 1588芯片，輔助精確時間同步的實(shí)現(xiàn)。DP83640 芯片是美國國家半導(dǎo)體公司推出的具備IEEE 1588 協(xié)議硬件支持功能的以太網(wǎng)物理層芯片，它內(nèi)置了一個精度為8ns、可BDS/GPS授時的IEEE 1588 數(shù)字時鐘，能夠在報(bào)文發(fā)送和接收時精確標(biāo)記時間戳。DP83640 是物理層(PHY)芯片，不能直接與沒有MAC網(wǎng)絡(luò)控制器的MPU處理器通信，需要在二者之間加入MAC控制器芯片，通過介質(zhì)無關(guān)接口(MII)與MPU處理器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時間戳等控制信息的交換。MPU同時還要運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議，與MAC一起構(gòu)成一個完備的TCP/IP棧，提供對RF網(wǎng)絡(luò)和PTP協(xié)議的運(yùn)行支持。

3.3 遙測網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)間時間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

遙測網(wǎng)絡(luò)中兩試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)時間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。兩個試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)和一個遙測地面站端均配備有支持IEEE 1588協(xié)議的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。我們假設(shè)遙測地面站端中的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器時鐘為主時鐘，兩個試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)中的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器時鐘為從時鐘，按照PTP協(xié)議同步原理，主時鐘節(jié)點(diǎn)周期性向從時鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)同步請求報(bào)文，首先實(shí)現(xiàn)主時鐘和從時鐘的對準(zhǔn)(同步)，并分別測量出兩個試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包到遙測地面站端的傳輸延遲時間，通過計(jì)算和修正，即可實(shí)現(xiàn)兩個試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)時間同步。

圖4 遙測網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)時間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖

4 遙測網(wǎng)絡(luò)中的時間同步檢測方法

常規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)中的時間延遲檢測，長期以來也一直是一個難以解決的技術(shù)難題。原因之一是常規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間時間沒有統(tǒng)一的授時，時間并不同步；原因之二是常用的通信協(xié)議不能使信息包攜帶信息包經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時間信息。而遙測網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的測控網(wǎng)絡(luò)，各試驗(yàn)對象和遙測地面站節(jié)點(diǎn)，均有基于GPS/BDS授時的精確時統(tǒng)，遙測網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時鐘高度同步(納秒級)，同時，遙測網(wǎng)絡(luò)中采用了NTP或PTP時間同步協(xié)議，信息包均帶有精確的發(fā)送、接收時間戳，因而，遙測網(wǎng)絡(luò)中的時間延遲和時間同步檢測相對容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，遙測網(wǎng)絡(luò)也有它的特殊性，如上所述，遙測網(wǎng)絡(luò)中時間同步的實(shí)現(xiàn)可以采用不同的同步協(xié)議和方法, 但前提條件均是“假設(shè)傳輸介質(zhì)是對稱均勻的”，而實(shí)際中的遙測網(wǎng)絡(luò)具有多種組網(wǎng)方式，在點(diǎn)對點(diǎn)組網(wǎng)方式中，可以認(rèn)為傳輸介質(zhì)是對稱均勻的，而在多點(diǎn)對一點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，傳輸介質(zhì)對稱均勻是不現(xiàn)實(shí)的。因此，作為一種通用性和準(zhǔn)確性的遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步檢測方法，必須采用一種與時間同步協(xié)議無關(guān)、可適應(yīng)各種遙測網(wǎng)絡(luò)模式的方法來進(jìn)行時間同步檢測。同時，還應(yīng)對“傳輸介質(zhì)不對稱均勻”的情況進(jìn)行分析，提供必要的修正方法。

檢測方法：遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步檢測方法如圖5 所示。圖中是由兩個試驗(yàn)對象端(TAS1、TAS2)到一個地面站端(GSS)，組成的兩點(diǎn)到一點(diǎn)的典型遙測網(wǎng)絡(luò)，每個端點(diǎn)都具有GPS/BDS授時的精確的時鐘，測試計(jì)算機(jī)在相關(guān)軟件配合下，實(shí)現(xiàn)兩個試驗(yàn)對象端(TAS1、TAS2)對地面站端的數(shù)據(jù)傳輸時延測量、時間同步計(jì)算、顯示和數(shù)據(jù)存儲。

圖5 遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步檢測方案

檢測原理：如圖6所示，由檢測計(jì)算機(jī)啟動，地面站端在T0時刻，以廣播方式發(fā)送一條報(bào)文作為檢測請求報(bào)文， 兩個試驗(yàn)對象端(TAS1、TAS2)分別接收到檢測請求報(bào)文后， 打上各自的本地時間戳T1、T2，放入檢測響應(yīng)報(bào)文中，然后在T3、T5時刻分別向地面站端(GSS)返回檢測響應(yīng)報(bào)文， 地面站端(GSS)收到檢測響應(yīng)報(bào)文后打上本地時間戳T4、T6，檢測計(jì)算機(jī)從地面站端(GSS)中獲取檢測響應(yīng)報(bào)文后，取出各自的發(fā)送和接收時間戳, 發(fā)送和接收時間差，就是檢測報(bào)文的傳輸時間延遲，兩個試驗(yàn)對象端(TAS1、TAS2)到地面站端(GSS)的傳輸時間延遲之差，即是兩個試驗(yàn)對象端(TAS1、TAS2)的同步時間，如圖6所示。

圖6 兩個試驗(yàn)端同步時間

計(jì)算方法：

TAS1到GSS的傳輸時間延遲 =(T4-T3)

TAS2到GSS的傳輸時間延遲 =(T6-T5)

TAS2和TAS1同步時差 = (TAS2到GSS的傳輸時延- TAS1到GSS的傳輸時延)

或：TAS2和TAS1同步時差=(T6-T4)/2

5 遙測網(wǎng)絡(luò)中傳輸時延分析和同步時差修正

5.1 遙測網(wǎng)絡(luò)中傳輸時延因素分析

遙測網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸時延可以定義為：從試驗(yàn)對象端(TAS)發(fā)送數(shù)據(jù)包，到地面站端(GSS)接收到數(shù)據(jù)包的整個傳輸過程中的最大延遲時間。

參考常規(guī)無線網(wǎng)絡(luò)時間延遲劃分，遙測網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延也應(yīng)包括：

1)發(fā)送時間(Send Time)：源節(jié)點(diǎn)完成一幀數(shù)據(jù)和發(fā)送請求到MAC層所需時間；

2) 訪問時間(Access Time)：鏈路層協(xié)議等待信道空閑的時間，主要依賴信道負(fù)載；

3) 傳輸時間(Transmission Time)：物理層發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間，該時間取決于數(shù)據(jù)包的大小和遙測發(fā)射速率；

4) 傳播時間(Propagation Time)：數(shù)據(jù)包在發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)傳輸介質(zhì)中的傳播時間，該時間依賴于收發(fā)方的物理距離和傳播媒質(zhì)特性；

5) 接收時間(Reception Time)：物理層接收數(shù)據(jù)包所花費(fèi)的時間，接收時延與傳輸時延相對應(yīng)，并且與傳輸時延有重疊：

6) 接收處理時間(Receive Time)：接收節(jié)點(diǎn)重新組裝消息并傳遞給上層應(yīng)用所需的時間；

5.2 遙測網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對象間同步時差的修正

如前所述，網(wǎng)絡(luò)時間同步不管是使用NTP協(xié)議還是PTP協(xié)議，同步原理均假設(shè)“傳輸介質(zhì)是均勻?qū)ΨQ”，在此假設(shè)條件和局域網(wǎng)環(huán)境下，多節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時延基本上是相同的。那么，影響網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)間時間同步的主要因素：各節(jié)點(diǎn)中的時鐘同步和傳輸時延，通過NTP或PTP時間同步協(xié)議均可得到修正，使常規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時間同步精度可達(dá)到毫秒級或微秒級。

針對特殊的飛行試驗(yàn)遙測網(wǎng)絡(luò)來說，通常多試驗(yàn)對象若在同一空域中試飛，使用同一遙測網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議、遙測速率、傳輸條件等軟硬件環(huán)境基本相同，可以認(rèn)定“傳輸介質(zhì)是均勻?qū)ΨQ”的假設(shè)條件成立，也就是說各試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)的地面站端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時延應(yīng)該基本相同，通過PTP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸時延之差(時間同步)應(yīng)可滿足要求。但是，針對一些特殊試驗(yàn)，若試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)不在同一空域(到地面站的距離不同)，試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包大小不一樣、遙測速率不同等因素，使“傳輸介質(zhì)是均勻?qū)ΨQ”的假設(shè)條件并不成立，也就是說各試驗(yàn)對象的地面站傳輸時延不相同，例如，若兩個試驗(yàn)對象到地面站的距離相差為300 km，傳播時延就差1 ms，導(dǎo)致時間同步時差過大。在這種情況下，必須通過分析，找到修正方法，進(jìn)行修正。

另外，在準(zhǔn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸情況下，對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步處理，可采用“事后時間同步處理方法”，即先到的數(shù)據(jù)包等待后到的數(shù)據(jù)包，然后按數(shù)據(jù)包發(fā)送時間對齊的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確同步。

6 結(jié)束語

遙測網(wǎng)絡(luò)是空地一體化綜合測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心組成部分，由于試驗(yàn)對象節(jié)點(diǎn)(飛行器)的快速移動，遙測網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對復(fù)雜，具有諸多的不確定性，傳輸時延長短，影響遙測網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性，時延之差，影響遙測網(wǎng)絡(luò)的時間同步性。目前，遙測網(wǎng)絡(luò)還處于研究與演示驗(yàn)證階段，本文提出的一些遙測網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路和檢測方法，有待在遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研發(fā)和飛行試驗(yàn)演示驗(yàn)證中進(jìn)行驗(yàn)證和不斷完善。

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