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靜止條件下，對錯誤包、重復(fù)包、亂序包具有一定容錯能力的新型空間網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議。其次，考慮空間網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議中兩航天器相對運(yùn)動的情況，利用STK與Matlab軟件聯(lián)合建立異軌航天器時間同步于分發(fā)的仿真過程，并通過兩航天器之間的相對距離、相對距離變化率和時間同步誤差曲線分析航天器相對運(yùn)動對時間同步精度的影響。最后，在航天器軌道已知的條件下，使用一種誤差曲線擬合的補(bǔ)償方法，降低新型空間網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議在相對運(yùn)動狀態(tài)下應(yīng)用的同步誤差，明顯改善時間同步的誤差的范圍。

鄰近空間；相對運(yùn)動；時間同步；空間網(wǎng)絡(luò)；仿真計算；曲線擬合

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)計了一個基于時間信息交換類似于網(wǎng)絡(luò)時間同步協(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］的時間獲取能力，成為未來利用空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航天器的時間分發(fā)與同步的趨勢。

PITS算法通過在鄰近空間鏈路上進(jìn)行雙向時間傳遞，提供更快時間同步能力，提高數(shù)量日益增長航天器的可量測性，降低采集時間樣本存儲空間，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間同步服務(wù)器，使用時間同步協(xié)議向其他各個鄰近航天器提供本地時間同步與分發(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。PITS協(xié)議最初是為了鄰近空間中航天器的時間同步而設(shè)計的，其在火星軌道飛行器與火星車的時間同步應(yīng)用中得到了很好的運(yùn)用與發(fā)展。

1.1時間戳同步原理

時間戳同步原理是網(wǎng)絡(luò)時間同步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)確時間信息的節(jié)點(diǎn)A被定為時間服務(wù)器端，需要時間服務(wù)器進(jìn)行時間同步的節(jié)點(diǎn)B作為時間客戶端。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的路徑是對稱的，光單向傳播時間（one way light time，OWLT）是雙向路徑時間（round-trip time，RTT）延遲的一半。當(dāng)每個節(jié)點(diǎn)獲得4個連續(xù)的時間戳：（例如在圖 1中t1、t2、t3、t4對于節(jié)點(diǎn)A，t3、t4、t5、t6對于節(jié)點(diǎn)B），RTT（雙向路徑時間）延遲和補(bǔ)償將由下面公式計算得到。

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

對于節(jié)點(diǎn)A，利用往返時間戳信息可計算兩節(jié)點(diǎn)間的時間差后，可進(jìn)行時間自動校正。

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),滿足大內(nèi)存和大數(shù)據(jù)存儲,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;(3)該芯片含有 112個IO口,具有 144 pin 豐富的管腳資源,以及13個通信接口,能夠與外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫集成,功能強(qiáng)大,在本系統(tǒng)中可同時實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與無線WIFI的高速通信。

式（1）加式（2），得

同理，對于節(jié)點(diǎn)B，

1.2PITS協(xié)議及其特性

PITS協(xié)議是一個全面的時間交換協(xié)議，屬于一種簡單詢問與應(yīng)答機(jī)制，其規(guī)定在兩個航天器之間交換時間信息的方式。PITS的目的是提供獲取與交換更為精確的、可靠的時間戳方法，降低被標(biāo)記時間戳的航天器與實(shí)際時間信息之間的差異。在PITS算法里，時間信息存入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，PITS協(xié)議還是一種狀態(tài)協(xié)議，主要收集有效載荷中SpNTP封裝入的各種時間信息，具體時間戳與狀態(tài)變量如表1所示。PITS利用每個節(jié)點(diǎn)時間戳信息以及各狀態(tài)變量計算RTT時延與時間補(bǔ)償offset。

表1　PITS使用的時間戳與狀態(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］：基本對稱模式BSM（Basic S-ymmetric Mode）、交叉存取對稱模式ISM（Interleaved Symmetric Mode）和廣播模式BM（Broadcasting Mode）。

1）BSM工作模式

時間服務(wù)器A將發(fā)送時間戳封裝入SpNTP中，并將Sp-NTP包通過SPDU發(fā)送給B。每個torg和trec分別存儲接收到的狀態(tài)變量rec，目的地時間戳狀態(tài)變量dst。發(fā)送起始時間戳之前，狀態(tài)變量aorg存儲目前的本機(jī)時間。SpNTP包發(fā)送結(jié)束后，txmt就會含有時鐘信息。B收到SpNTP后，更新本地rec、dst、org等狀態(tài)變量，并將新的時間信息通過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txmt時間戳；dst狀態(tài)變量存儲B當(dāng)前接收到的本機(jī)時鐘。整個BSM方式中數(shù)據(jù)包的交換過程與圖1相一致，圖2為每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)狀態(tài)變量在各個時刻的變化過程［3］。其中，有點(diǎn)的方格為航天器的系統(tǒng)時鐘，系統(tǒng)時鐘將SpNTP包的發(fā)送或接收時間標(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模式多了一個狀態(tài)參量borg。此時，aorg存儲每一個偶數(shù)（或奇數(shù)）時間信息，而borg存儲每一個奇數(shù)（或偶數(shù)）起始時間戳［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)送過程中，ISM的發(fā)送時間戳在其發(fā)送SpNTP包后才被得到，其時間戳信息將在下一個發(fā)送過程放入SpNTP進(jìn)行處理。因此，當(dāng)前發(fā)送時間戳與SpNTP包傳輸后即被近物理層記錄的發(fā)送時間更為接近，接收方接收帶有發(fā)送時間戳信息的SpNTP數(shù)據(jù)包后，立即得到更加精確的、與物理層發(fā)送SpNTP包的時間相接近的發(fā)送時間戳。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)行時間信息的同步。

1.2.2PITS的容錯性

由于空間環(huán)境的嚴(yán)酷性，在SpNTP數(shù)據(jù)傳輸過程中可能會發(fā)生一些錯誤。為了在環(huán)節(jié)出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤的情況下還能得到正確的結(jié)果，容錯性對協(xié)議來說是至關(guān)重要的，需要持續(xù)保障的。容錯性［6］是指協(xié)議不會傳遞錯誤數(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延時計算。PITS協(xié)議提供處理錯誤包、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較好的容錯性。

2　相對運(yùn)動環(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自各個方面因素影響［9］。本文在忽略太陽輻射、電離層、Sagnac效應(yīng)等外界空間環(huán)境對星間鏈路影響的前提下，突破PITS限制的“進(jìn)行時間同步的兩個航天器相對靜止”這一條件，利用STK與Matlab聯(lián)合仿真分析能力，建立兩個鄰近空間航天器進(jìn)行PITS過程空間仿真模型，分析由于航天器相對運(yùn)動造成的PITS同步時間誤差。在

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

2.1航天器相對運(yùn)動下PITS同步性能的Matlab分析

仿真場景中主要有兩個航天器（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延隨兩個航天器的相對距離變化而變化，兩個有相對運(yùn)動的航天器，其鏈路往返時延不相等。因此，公式（3）將變?yōu)椋?/p>

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

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

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

圖5　時間同步誤差與補(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時間同步誤差補(bǔ)償

由以上曲線可以看出，在航天器［9］相對距離較遠(yuǎn)、相對運(yùn)動較大的時候，PITS的時間同步誤差相對較大；在航天器相對距離較遠(yuǎn)、相對運(yùn)動較小以及航天器相對距離較近、相對運(yùn)動較大的情況下，由相對運(yùn)動引起的PITS時間同步誤差則比較小。在兩個航天器軌道已知的情況下，可以預(yù)估PITS時間同步誤差曲線，利用誤差曲線構(gòu)造補(bǔ)償曲線變成為可能?？紤]星載計算機(jī)的性能與功耗，使用相對接近誤差曲線的對稱曲線進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可以有效的降低PITS時間同步的誤差。在上面仿真場景中，使用3階誤差補(bǔ)償曲線，能將時間同步誤差將低1個數(shù)量級。補(bǔ)償后的時間同步誤差如圖5、圖6、圖7中的灰色曲線。

3　結(jié)　論

在所建場景下通過以上圖示，可以看出隨著相對速度與相對距離的變化，使用PITS協(xié)議進(jìn)行空間網(wǎng)絡(luò)時間同步的誤差一般多為十幾微秒級，且同步精度與航天器相對距離和徑向速度有關(guān)，相對距離越小、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，在航天器相對運(yùn)動的情況下，PITS時間同步誤差可控制在毫秒量級以下。利用預(yù)測已知軌道時間同步誤差曲線擬合補(bǔ)償方法，可以明顯降低誤差的范圍，使本場景下的同步誤差曲線更為平滑。在深空通信中，只需利用軌道器上精確的時鐘，便可為行星地表的探測器與相鄰航天器提供時間同步的服務(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，可為我國深空探測［10］及天地一體化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供可靠的時間分發(fā)與同步手段。

［1］朱俊.基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道確定及時間同步方法研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

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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：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)。