作戰(zhàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間偏差修正方法研究

涂二看見(jiàn)，李強(qiáng)，李紅玲

(中國(guó)人民解放軍63870部隊(duì)，陜西 華陰 714200)

作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)一般采用異構(gòu)層次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)融合多種架構(gòu)的通信系統(tǒng)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)分別面向特定使用場(chǎng)景共同為用戶提供隨時(shí)隨地的接入能力。但是，層次化、差異化的混合體系結(jié)構(gòu)使得時(shí)間同步在全局范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)困難，影響了采樣數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)精度，并且作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)特性也引入了傳輸時(shí)延和處理時(shí)延，進(jìn)而影響作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)試驗(yàn)后回放與分析的精確性。

由此，針對(duì)作戰(zhàn)試驗(yàn)異構(gòu)層次網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差問(wèn)題，需要在研究作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)特性的基礎(chǔ)上，深入分析研究作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差的機(jī)理和修正方法，以指導(dǎo)試驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。

1 作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)的特性

作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)包含兩層或多層網(wǎng)絡(luò)，區(qū)分為分組子網(wǎng)和骨干網(wǎng)，試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)或按試驗(yàn)科目靜態(tài)部署，或隨被試對(duì)象的戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)行動(dòng)而遂行轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)出一些獨(dú)有的特征[1]，包括：

1)骨干網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋，節(jié)點(diǎn)通信壓力不均衡。骨干網(wǎng)絡(luò)要完整覆蓋測(cè)試區(qū)域，并為測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸提供干線支撐。由于傳輸距離要求相對(duì)較遠(yuǎn)，設(shè)備質(zhì)量與功率等相對(duì)較大，往往采用車載等方式定點(diǎn)部署。在面向特定試驗(yàn)時(shí)通信傳輸服務(wù)具有區(qū)域性，分布在不同區(qū)域內(nèi)的骨干節(jié)點(diǎn)的通信壓力不均衡。

2)分組網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署。在作戰(zhàn)試驗(yàn)過(guò)程中，面向測(cè)試任務(wù)構(gòu)建的分組網(wǎng)會(huì)依據(jù)測(cè)試任務(wù)隨被試對(duì)象動(dòng)態(tài)部署，一般采用多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)等方式實(shí)現(xiàn)，使得作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)中的局部子網(wǎng)在時(shí)間和空間上均具有動(dòng)態(tài)散布的特性。

3)節(jié)點(diǎn)分布不均勻。依據(jù)不同的測(cè)試環(huán)境與數(shù)據(jù)傳輸需求，作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)在不同區(qū)域內(nèi)部署的通信節(jié)點(diǎn)的類型、數(shù)量以及通信能力等均不同，并且容易受到戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境的影響，如河流、山澗、峽谷等多種復(fù)雜地形條件下，節(jié)點(diǎn)空間位置分布不均勻，即使對(duì)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而言，在同一區(qū)域內(nèi)不同位置處的節(jié)點(diǎn)分布也是不均勻的。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差分析

在作戰(zhàn)試驗(yàn)過(guò)程中，一般按照測(cè)試任務(wù)分區(qū)域布設(shè)分組子網(wǎng)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，匯總至中繼節(jié)點(diǎn)后再通過(guò)骨干網(wǎng)遠(yuǎn)傳至試驗(yàn)數(shù)據(jù)中心。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[2-4]。

多層異構(gòu)的通信拓?fù)浼軜?gòu)使得作戰(zhàn)試驗(yàn)系統(tǒng)中不同分組間的時(shí)間同步性較差，信息傳輸過(guò)程中的通信延遲統(tǒng)計(jì)分析處理較為困難。

基于數(shù)據(jù)的采集、傳輸與回放流程分析，作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差由各子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)時(shí)間偏差wn、系統(tǒng)取標(biāo)識(shí)時(shí)間時(shí)的定時(shí)器隨機(jī)誤差un、信息傳輸過(guò)程中通信延遲導(dǎo)致的隨機(jī)偏差τn和回放條件判斷誤差γn4個(gè)部分組成[5]，模型表示為

e(n)=wn+un+τn+γn.

(1)

wn表示作戰(zhàn)試驗(yàn)各子系統(tǒng)服務(wù)器之間的系統(tǒng)時(shí)間偏差。作戰(zhàn)試驗(yàn)各子系統(tǒng)服務(wù)器時(shí)間取自于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，該時(shí)間同步于服務(wù)器的硬件時(shí)鐘，在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)讀取硬件時(shí)間，并顯示為系統(tǒng)時(shí)鐘，并被各子系統(tǒng)服務(wù)器獲取。該偏差主要源于兩個(gè)方面，一是在硬件時(shí)鐘不同步的情況下，系統(tǒng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)偏差[6]；二是隨著計(jì)算機(jī)的使用時(shí)間的增加，硬件時(shí)鐘會(huì)出現(xiàn)漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)間不同步。

un表示時(shí)標(biāo)間隔隨機(jī)偏差，與標(biāo)識(shí)機(jī)制相關(guān)。作戰(zhàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)識(shí)有兩種方法：一是在接收到或生成測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)時(shí)獲取本地系統(tǒng)時(shí)間，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)時(shí)間后緩存下來(lái)，再通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)記錄線程進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入文件操作；其二是在按數(shù)據(jù)處理的頻率，通過(guò)一個(gè)定時(shí)器周期性獲取本地系統(tǒng)時(shí)間，并記錄為全局變量，在接收到或生成測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)并緩存。針對(duì)第1種方法，本地系統(tǒng)時(shí)間的準(zhǔn)確性主要由系統(tǒng)偏差決定，由于采用異構(gòu)層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)缺乏系統(tǒng)時(shí)間同步機(jī)制，所以系統(tǒng)偏差是導(dǎo)致時(shí)標(biāo)誤差的主要因素，這也同樣影響到第2種標(biāo)識(shí)方法；針對(duì)第2種方法，由于標(biāo)識(shí)時(shí)間是通過(guò)定時(shí)器方式獲取的，定時(shí)器的性能及應(yīng)用機(jī)制直接影響時(shí)標(biāo)精度，這導(dǎo)致標(biāo)識(shí)時(shí)間實(shí)際上是滯后于真實(shí)時(shí)間，并且呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。

τn表示通信延遲隨機(jī)偏差，主要源于各子系統(tǒng)原始采樣后傳送至存儲(chǔ)服務(wù)器過(guò)程中的通信延遲，包含數(shù)據(jù)排隊(duì)等待時(shí)間、數(shù)據(jù)處理時(shí)間及信道傳輸時(shí)間等[7-8]。如果數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)是在傳送至存儲(chǔ)服務(wù)器后獲得的，則τn需要考慮；如果是在采樣時(shí)即完成了時(shí)間標(biāo)識(shí)，則τn基本可忽略。由于作戰(zhàn)試驗(yàn)各類數(shù)據(jù)是在傳送至存儲(chǔ)服務(wù)器后進(jìn)行時(shí)間標(biāo)識(shí)的，需要考慮τn.

γn表示回放條件判斷誤差，主要源于回放步長(zhǎng)、時(shí)刻與數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)時(shí)間的偏差。在作戰(zhàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放過(guò)程中，系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)記錄起始時(shí)間t0，解析出待回放數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)t1，計(jì)算與數(shù)據(jù)幀時(shí)標(biāo)跨度Δt=t1-t0，與當(dāng)前回放時(shí)間跨度Δt′進(jìn)行比對(duì)，若Δt>Δt′，則判定數(shù)據(jù)符合回放條件，否則不回放。這時(shí)，回放過(guò)程中產(chǎn)生了回放條件判斷誤差為Δt-Δt′.

3 測(cè)試數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差修正方法

作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差修正的目的是對(duì)待回放的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上只能回放對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息。筆者基于作戰(zhàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)特點(diǎn)，研究偏差修正方法，使全局累計(jì)誤差最小。

作戰(zhàn)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)是離散數(shù)據(jù)，不同分組子網(wǎng)記錄的數(shù)據(jù)在不同的時(shí)間段包含的時(shí)間偏差不同，如圖2所示。

圖2中，數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2是動(dòng)態(tài)采樣數(shù)據(jù)，在發(fā)生時(shí)刻、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度上具有隨機(jī)性，每幀數(shù)據(jù)在回放開(kāi)始時(shí)間上的偏差會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的系統(tǒng)誤差；數(shù)據(jù)3是周期采集的定長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相鄰數(shù)據(jù)間具有較為固定的時(shí)間間隔，由于采樣周期與回放步長(zhǎng)不一致，在回放時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏差。為保證回放精度，就需要消除網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的同時(shí)做對(duì)齊處理。通過(guò)進(jìn)一步分析，作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)存在以下特點(diǎn)[9]：

1)同一分組網(wǎng)上報(bào)的測(cè)試數(shù)據(jù)幀的時(shí)標(biāo)存在關(guān)系：tn

2)同一分組網(wǎng)上報(bào)的測(cè)試數(shù)據(jù)存在固定周期，傳輸時(shí)存在網(wǎng)絡(luò)延遲，也存在丟包現(xiàn)象，假定周期為ΔT，則tn+1-tn>ΔT+δ，其中δ為網(wǎng)絡(luò)延遲。

3)同一分組網(wǎng)上報(bào)的測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)tn之間存在累計(jì)采樣時(shí)間偏差。

4)作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)存在傳輸時(shí)延。

基于此，可采用聚類分析方法，對(duì)大量的作戰(zhàn)試驗(yàn)周期測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，抵消網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間值，然后再進(jìn)行對(duì)齊操作，處理步驟是：

1)對(duì)同一分組網(wǎng)上報(bào)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理操作，獲取鄰近兩個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差值Δtn=tn+1-tn，獲取延遲近似值δn=Δtn/INT(Δtn/ΔT),其中ΔT為采樣周期。

通過(guò)以上步驟，可獲得最小的偏差距離測(cè)度d=t′-200×INT(t′/200)，其中t′即為回放步長(zhǎng)，可使全局累計(jì)誤差最小。

4 基于虛擬時(shí)鐘的數(shù)據(jù)回放控制

回放過(guò)程中使用了由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的絕對(duì)時(shí)間軸、數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)對(duì)應(yīng)的記錄時(shí)間軸?；胤砰_(kāi)始時(shí)刻，絕對(duì)時(shí)間軸時(shí)刻與記錄時(shí)間軸時(shí)刻存在確定的時(shí)間偏差值；回放開(kāi)始后，記錄時(shí)間軸隨絕對(duì)時(shí)間軸同步向前。由于數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間，所以由于采用絕對(duì)時(shí)間軸作為回放時(shí)鐘時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)正常倍速的回放控制。為實(shí)現(xiàn)變速回放，需要在絕對(duì)時(shí)間軸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)虛擬時(shí)間軸來(lái)驅(qū)動(dòng)回放過(guò)程[10]。

虛擬時(shí)間軸的基礎(chǔ)是虛擬時(shí)鐘，具有以下特性：

1)虛擬時(shí)鐘是記錄初始偏差的函數(shù)，記錄初始偏差是每一數(shù)據(jù)幀時(shí)標(biāo)與文件錄取開(kāi)始時(shí)刻的差值；

2)虛擬時(shí)鐘的零時(shí)與文件錄取開(kāi)始時(shí)刻對(duì)應(yīng)；

3)回放過(guò)程中，虛擬時(shí)鐘的步長(zhǎng)是穩(wěn)定的，即回放速度保持不變；

4)回放暫停時(shí)，虛擬時(shí)鐘處于暫停狀態(tài)；

5)調(diào)整回放時(shí)刻時(shí)，虛擬時(shí)鐘的零時(shí)更新；

6)回放結(jié)束后，虛擬時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)。

4.1 時(shí)刻值計(jì)算

基于虛擬時(shí)鐘的回放控制過(guò)程需要實(shí)時(shí)計(jì)算虛擬時(shí)鐘的時(shí)刻值，然后與待回放緩存中每幀數(shù)據(jù)幀的時(shí)標(biāo)進(jìn)行比對(duì)。如假定一個(gè)典型的回放過(guò)程如下：用戶在t0時(shí)刻選擇好待回放的文件后設(shè)定按照正常速度開(kāi)始回放，在回放至t1時(shí)刻后，用戶設(shè)定系統(tǒng)以2倍速快速回放，持續(xù)運(yùn)行Δt1時(shí)長(zhǎng)后，至t2時(shí)刻，用戶暫停Δt2時(shí)長(zhǎng)，至t3時(shí)刻，拖動(dòng)回放時(shí)間軸，設(shè)定當(dāng)前播放位置為t4時(shí)刻，其后繼續(xù)以2倍速快速回放,如圖3所示。

虛擬時(shí)鐘與絕對(duì)時(shí)鐘間存在如下關(guān)系：

t0～t1：f(t)=t-t0；

t1～t2：f(t)=f(t1)+2(t-t1) ；

t2～t3：f(t)=f(t2)；

t3～t4：f(t)=f(t3)；

t4～t5：f(t)=f(t4)+2(t-t4).

用公式表示為

(2)

4.2 回放條件判斷

記錄數(shù)據(jù)的回放條件為

(Ti-T0)≥∑(f(t)-f(t)0m),

(3)

式中：Ti為記錄數(shù)據(jù)幀的時(shí)標(biāo)；T0為記錄數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始時(shí)刻，如圖3中的T0和T3.

由此可得：

Ti≥∑(f(t)-f(t)0m)+T0.

(4)

這是一個(gè)累加的過(guò)程，且f(t)的計(jì)算需要記憶回放控制狀態(tài)。

回放條件判斷流程如下：

3)如果Δf(t)+T0≤Ti，則允許回放，否則不回放。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者在研究作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)回放時(shí)間偏差進(jìn)行了分析，給出了基于最優(yōu)劃分的偏差修正方法和基于虛擬時(shí)鐘的數(shù)據(jù)回放控制流程，為保證試驗(yàn)后周期大數(shù)據(jù)回放與分析處理的精確性提供了一種解決方法。