，，

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展和航天任務(wù)復(fù)雜度的提高，空間探測任務(wù)需要降低航天器對地基系統(tǒng)的依賴性，運(yùn)用新的協(xié)議來支持空間組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時決策。在深空探測任務(wù)中，可能會存在多種航天器和探測設(shè)備共同執(zhí)行的探測任務(wù)，這些相對獨(dú)立的航天器與探測設(shè)備之間可能存在以信息傳輸和交互為主要目的的組網(wǎng)通信，需要對多種不同類型的航天器實(shí)施協(xié)同控制，以實(shí)現(xiàn)航天器與探測設(shè)備之間的相互配合與協(xié)調(diào)工作。在這種場景下，空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間需要具有高度統(tǒng)一的時間參考，以完成時間敏感的航天任務(wù)。許多服務(wù)和應(yīng)用都依賴于高精度的共同時間參考，比如航天器之間的交會對接、不同地點(diǎn)物理量的分布式測量、算法的時序安排、基于位置預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)路由切換，以及通信媒介的時隙接入等等。但是，不同于地面或近地通信，深空組網(wǎng)通信超出了北斗系統(tǒng)、GPS、GLONASS等近地同步源的授時范圍，缺乏支持深空時間同步的地基系統(tǒng)，這就需要航天器本身具有支持時間同步的協(xié)議，以獲得微秒級的高精度時間同步，從而完成深空探測中對于時間敏感的航天任務(wù)。

然而，深空中無線信道環(huán)境具有傳輸時延大、時延抖動不確定、前向與反向鏈路速率不對稱、誤碼率高以及通信鏈路易中斷等特點(diǎn)，且深空環(huán)境中缺乏固定通信基礎(chǔ)設(shè)施，存在不支持時間同步協(xié)議的交換設(shè)備，這些特點(diǎn)會引入很多不可控的時延誤差。這些因素都會給具有高精度要求的深空時間同步帶來了很大挑戰(zhàn)。具體來說，長時延會帶來較大的電磁波傳播損耗，且傳播信號會受到由射電星體、星間物質(zhì)和太陽帶來的宇宙噪聲，引入較高的誤碼率，且長延時還可能會引入正反向傳輸時延的隨機(jī)誤差，對于目前地面以太網(wǎng)所采用的時間同步協(xié)議的同步機(jī)制，正反向傳輸時延不對稱會使主從時鐘鐘差計算產(chǎn)生誤差，造成時延偏移，會導(dǎo)致同步精度大大降低；前反向鏈路速率不對稱會引入由于數(shù)據(jù)報文排隊(duì)機(jī)制導(dǎo)致的時延抖動，同樣會造成正反向傳輸時延的不對稱，而負(fù)載流量過大可能引起毫秒級的排隊(duì)時延。而排隊(duì)時延會計入傳輸時延當(dāng)中，在計算主從時鐘鐘差時引入誤差，使得從時鐘的系統(tǒng)時間按照有誤差的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，造成時鐘輸出非常不穩(wěn)定，并且影響同步精度。

綜上所述，再以多個航天器為基礎(chǔ)的深空探測任務(wù)中，需要進(jìn)行航天器和探測設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同控制和航天器的自主導(dǎo)航。隨著我國深空探測工程的開展，對于深空環(huán)境鄰近空間網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)的研究變得很有必要。

本文首先介紹了PTP協(xié)議的同步原理，并采用飛思卡爾公司的P2020處理器作為核心處理器對PTP協(xié)議進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。隨后結(jié)合深空通信中長延時、高誤碼、延時抖動的特點(diǎn)對PTP協(xié)議的影響進(jìn)行了分析，提出了利用卡爾曼濾波算法和設(shè)定閾值的方法對PTP協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。最后利用損傷儀、測試儀模擬空間無線信道環(huán)境和業(yè)務(wù)負(fù)載情況，利用時鐘分析儀對PTP協(xié)議的時間同步精度和穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，改進(jìn)后的PTP協(xié)議能夠消除信道中由于長時延及業(yè)務(wù)負(fù)載帶來的時延抖動現(xiàn)象對PTP協(xié)議的影響，同步精度達(dá)到亞微秒級，為航天任務(wù)時間同步的功能提供很好的參考。

1 PTP協(xié)議

目前，在地面網(wǎng)絡(luò)中被廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)時間同步方法為網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議[1](network time protocol, NTP)和精確時間協(xié)議(precision time protocol，PTP)。NTP協(xié)議采用客戶端對服務(wù)器的工作模式，利用軟件產(chǎn)生時間戳，通過時間戳交換完成時間同步功能，在2 000公里范圍的萬維網(wǎng)內(nèi)的同步精度為幾十毫秒，在局域網(wǎng)內(nèi)同步精度能夠保持在毫秒級，NTP對于具有微秒級同步精度要求的深空鄰近空間組網(wǎng)通信場景并不適用。而由IEEE 1588協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義的PTP協(xié)議，采用主從時鐘的工作模式，支持在硬件發(fā)送接收單元直接插入本地時間戳，避免了軟件處理時延引入的誤差，在使用硬件時鐘輔助的情況下其時間同步精度能夠達(dá)到亞微秒量級[3,6]，滿足深孔鄰近空間網(wǎng)絡(luò)對于精密時間同步的需要。但是由于深空通信環(huán)境復(fù)雜，存在長時延、時延抖動、正反向信道不對稱等特點(diǎn)，深空通信中缺少地基時間同步設(shè)備的支持，而PTP對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高，故需要對其進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)以滿足航天任務(wù)的需要。

圖1 PTP協(xié)議應(yīng)用場景示意

PTP協(xié)議報文交互的過程如圖2所示。PTP協(xié)議利用同步報文、跟隨報文、延遲請求報文和延遲響應(yīng)報文來測量兩個支持PTP狀態(tài)機(jī)的端口之間的路徑延遲delay[2]并由此計算得出從時鐘與主時鐘的時鐘鐘差值offset，從時鐘利用計算得到的鐘差值對本地時鐘進(jìn)行頻率微調(diào)，使本地時鐘盡可能地與主時鐘保持頻率同步和相位同步。具體工作流程和同步原理如下：

圖2 PTP同步報文同步及延遲請求響應(yīng)機(jī)制

1)主時鐘準(zhǔn)備并發(fā)送一個攜帶時間戳t1的同步報文，如果節(jié)點(diǎn)是雙步時鐘，那么還需要準(zhǔn)備并發(fā)送一個包含t1的跟隨報文；

2)從節(jié)點(diǎn)收到主時鐘發(fā)來的同步報文，立即產(chǎn)生一個時間戳t2，并準(zhǔn)備發(fā)送攜帶時間戳t3的延遲請求報文；

3)當(dāng)主時鐘節(jié)點(diǎn)收到延遲請求報文之后，立即生成t4時間戳，并準(zhǔn)備延遲響應(yīng)報文，最后發(fā)出延遲響應(yīng)報文。

4)從時鐘接收到延遲響應(yīng)報文，此時從時鐘已經(jīng)獲得了t1、t2、t3、t4時間戳，通過如下計算方法得到路徑延遲以及主、從時間差：

(1)

得出：

(2)

其中:offset為從時鐘與主時鐘的時間偏移，delay為主、從時鐘之間單向的路徑延時。

時鐘同步是一個周期性的過程。在主、從時鐘達(dá)到時鐘同步以后，從時鐘依然要對主時鐘發(fā)出的每一個時鐘同步報文進(jìn)行計算。如果計算出的偏移值不等于0，則需要重新按照以上流程繼續(xù)不斷修正本地時鐘，進(jìn)行時鐘同步。

2 無線信道對PTP協(xié)議的影響分析及改進(jìn)

PTP協(xié)議以其穩(wěn)定的亞微秒級同步精度，被廣泛應(yīng)用于地面以太網(wǎng)環(huán)境中，但是，不同于地面以太網(wǎng)的通信環(huán)境，深空通信具有傳輸時延大、時延抖動不確定、前向與反向信道不對稱、誤碼率高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)給具有高精度要求的時間同步帶來了很大挑戰(zhàn)。以火星探測任務(wù)為例，火星同步軌道高度距火星赤道約為17 000 km，這會給航天器與火星表面的雙向通信帶來上百毫秒的時延，這對于有著高精度要求的PTP協(xié)議來說有較大影響。此外，上下行鏈路的帶寬存在較大差距，在低速鏈路中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)排隊(duì)或緩沖的情況，或者業(yè)務(wù)負(fù)載發(fā)生較大變化的情況，都會導(dǎo)致時延抖動的發(fā)生。并且時延抖動的產(chǎn)生往往是隨機(jī)發(fā)生的，有時候難以避免。另外，在長時延空間網(wǎng)絡(luò)中，可能會存在不支持PTP協(xié)議的交換機(jī)、路由器等交換設(shè)備，這些交換設(shè)備都會產(chǎn)生包封裝、隊(duì)列及串行化的時延[9]。而PTP同步節(jié)點(diǎn)并不能檢測到傳輸?shù)牟粚ΨQ。PTP能夠?qū)崿F(xiàn)高精度時間同步的一個重要前提假設(shè)，就是正反向時延是對稱的，長時延及時延抖動的出現(xiàn)，會影響到正反向時延的對稱性[8]，進(jìn)而計算得到不準(zhǔn)確的路徑時延以及主從時鐘鐘差，給從時鐘對于本地時鐘的調(diào)節(jié)帶來誤差，降低同步精度。嚴(yán)重情況下，時延抖動會帶來毫秒級的同步誤差。

而在同步的過程中，隨著每一次同步的進(jìn)行，從時鐘不斷計算與主時鐘的偏差，并調(diào)整本地時鐘，使從時鐘與主時鐘之間的時間偏差逐漸縮小。但出現(xiàn)鐘差出現(xiàn)異常值時，從時鐘不能判斷該值是否為異常值，會繼續(xù)根據(jù)測得的結(jié)果計算出的主從鐘差對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致實(shí)際的主從時鐘之間鐘差被放大，延長了收斂所需時間，同時也降低了同步精度?？梢哉f，如何處理鐘差由于時延抖動產(chǎn)生的跳變，是實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定時間同步的關(guān)鍵。

本文提出的改進(jìn)方法是一種基于估值濾波的方法：利用卡爾曼濾波器，對從時鐘與主時鐘的時間偏差進(jìn)行估計，同時，對從時鐘與主時鐘的時間偏差的增量設(shè)置門限值，當(dāng)當(dāng)前的測量值與估計值之差超過了該門限值，說明從時鐘計算出的從主時間偏移異常，這時，從時鐘用估值濾波得到的估計值代替異常時間偏移值，并根據(jù)估計值調(diào)整本地時鐘，即可減小時鐘偏移量跳變過大對時鐘同步的穩(wěn)定性帶來的影響。

2.1 卡爾曼濾波鐘差估計算法

卡爾曼濾波是以最小均方誤差為準(zhǔn)則的最佳線性估計，它不要求信號的平穩(wěn)性，不需要之前全部的觀測數(shù)據(jù)，只是根據(jù)前一個估計值和最近一個觀測數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)方程和遞推方法來估計信號的當(dāng)前值[7]。卡爾曼濾波器具有實(shí)時性高且存儲計算量小等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于對存儲和處理速度敏感的時間同步協(xié)議中[10]。具體算法如下。

根據(jù)卡爾曼濾波器的信號模型，建立時間同步系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型：

(3)

式中分別為時鐘狀態(tài)方程和時鐘觀測方程。其中，x[k]為第k次同步中時鐘的狀態(tài)向量；y[k]為第k次同步的時鐘觀測向量；H為測量系統(tǒng)的參數(shù)矩陣方程，它將真實(shí)的狀態(tài)空間映射到觀測空間。A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，與ΔT有關(guān)。ω[k]和v[k]分別為均值為零的過程噪聲和觀測噪聲，且兩者互不相關(guān)。

卡爾曼濾波估計的遞推公式：

(4)

均方誤差矩陣為：

(5)

使最小均方誤差Pk為最小的Hk應(yīng)為：

(6)

對應(yīng)最小均方誤差矩陣為：

Pk=(I-HkCk)Pk

(7)

其中:Pk為測量噪聲v[k]的協(xié)方差矩陣。

2.2 鐘差增量門限設(shè)定

對于時鐘偏移增量門限值的設(shè)定，采用如下方案：分別計算主從時間差和從主時間差的均值與其最大值和最小值的差，然后取計算結(jié)果中的最大值作為門限值，利用此門限值來限制主從時間差的變化范圍。這個方法的好處是，能夠保證主從時間差處于收斂狀態(tài)，門限值能夠過濾時鐘偏移的跳變。具體算法如下：

每次選取n組觀測數(shù)據(jù)，包含主時鐘到從時鐘的路徑時延(MTSD)、從時鐘到主時鐘的路徑時延(STMD)、以及通過PTP協(xié)議算法得到的主從時間偏移(OFM)，分別計算從主時延的均值、最小值和最大值，以及主時鐘到從時鐘的時延變化范圍，本方案中n取10：

dev_min_mtsd = mean_mtsd - min_mtsd

dev_max_mtsd = max_mtsd - mean_mtsd

分別計算主從時延的均值、最小值和最大值，以及從時鐘到主時鐘的時延變化范圍：

dev_min_stmd = mean_stmd - min_stmd

dev_max_stmd = max_tmsd - mean_stmd

計算時鐘偏移量的門限值threshold：threshold=MAX(dev_min_mtsd, dev_max_mtsd, dev_min_stmd, dev_min_stmd)

計算第k+1個offset值與其之前n-1個offset值的標(biāo)準(zhǔn)差dev，將dev與threshold進(jìn)行比較，當(dāng)threshold>dev時，說明第k+1個offset值符合時間同步要求，從時鐘可以利用該時間偏移對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整，完成本次同步；當(dāng)dev>threshold時，說明第k+1個offset值不滿足同步要求，那么就利用卡爾曼濾波算法得到的第k+1個offset估計值替代第k+1個offset測量值，從時鐘利用offset的估計值來調(diào)整本地時鐘，進(jìn)行本次時間同步。

3 時間同步精度測試

為了驗(yàn)證PTP協(xié)議在深空鄰近空間無線信道環(huán)境中的時間同步性能，我們將所設(shè)計的支持PTP協(xié)議時鐘同步功能的板卡分別作為主時鐘和從時鐘[5]，接入測試環(huán)境進(jìn)行測試，測試環(huán)境如圖3所示。采用Spirent CalnexAttero損傷儀模擬無線信道環(huán)境，并利用Spirent TestCenter測試儀模擬場景中的業(yè)務(wù)負(fù)載，分別探究空間無線信道環(huán)境和負(fù)載環(huán)境對于PTP同步性能的影響，為了保證測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，采用Spirent ParagonX時鐘分析儀對主從兩端的鐘差值進(jìn)行采集。

圖3 測試配置框圖

測試過程中，每一次交互后，從時鐘會測出本地時鐘與主時鐘的路徑傳輸時延并由此計算出主從時鐘鐘差值并輸出至控制端，通過時鐘鐘差值調(diào)整本地時鐘的壓控晶振，以達(dá)到與主時鐘頻率和相位同步的目的。兩端同步報文的收發(fā)速率為8次/秒，每次實(shí)驗(yàn)的采樣時間為10分鐘，采樣4 800次。

3.1 長延時對于時間同步精度的影響

火星軌道衛(wèi)星距火星表面約為17 000千米，故測試中將正反向固定延時設(shè)置為120毫秒，探究長延時網(wǎng)絡(luò)中時間同步的性能[5]。先啟動主時鐘端的PTP協(xié)議棧軟件，再啟動從時鐘端PTP協(xié)議棧軟件，在控制端輸出并記錄從時鐘與主時鐘的路徑延時和時鐘鐘差offset值，選取600個樣本點(diǎn)，PTP協(xié)議在長延時環(huán)境下的同步結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，同步開始時，主、從時間差為設(shè)定的300毫秒，在同步過程開始之后，從時鐘端不斷計算與主時鐘之間的時間偏差與路徑延時，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整本地時鐘，逐漸縮短主、從時鐘之間的時間偏移，最終達(dá)到穩(wěn)定在100納秒左右的同步精度。由此可見，長延時的信道環(huán)境使得達(dá)到同步所需的時間變長，但是對于時間同步的精度和穩(wěn)定性影響不大，PTP協(xié)議仍然可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級的同步精度。

圖4 長時延下主從時鐘同步結(jié)果

3.2 延時抖動對時間同步性能的影響

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸距離遙遠(yuǎn)，路徑延時存在抖動的情況，會造成路徑延時的不對稱，影響協(xié)議的同步精度。于是采用損傷儀對對信道的延時抖動進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)條件為：雙向300～350毫秒服從高斯分布的時延抖動，與第一組的對比測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，有延時抖動的情況下，與無抖動時的時間同步趨勢基本一致，且能夠達(dá)到100納秒的同步精度，但是有延遲抖動的情況下達(dá)到相同精度所需的時間要比無抖動的情況多用時約12秒，需要更長時間完成時間同步，性能有所下降。

圖5 時延和抖動環(huán)境下主從時鐘同步結(jié)果

3.3 業(yè)務(wù)負(fù)載對于時間同步精度的影響

利用Spirent TestCenter測試儀模擬在有業(yè)務(wù)負(fù)載的條件下，IEEE1588的同步性能與無負(fù)載條件下的對比情況，其中有負(fù)載的情況下，主時鐘到從時鐘方向的業(yè)務(wù)負(fù)載速率為512 kbps，反向業(yè)務(wù)負(fù)載速率為5 Mbps，對比結(jié)果如圖5所示。從圖5和圖6可以看出，在有負(fù)載的情況下，主、從時鐘之間的時間偏移隔一段時間會產(chǎn)生100毫秒左右的跳變，這之后還要重新收斂時間偏移量。

這里因?yàn)橐肓素?fù)載流量，CPU處理數(shù)據(jù)會產(chǎn)生中斷，造成同步報文獲取的時間戳存在誤差，導(dǎo)致從時鐘計算得到的主、從時間差產(chǎn)生了±100毫秒左右的誤差，而當(dāng)從時鐘根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整本地時鐘后，主從時鐘鐘差測量值大于實(shí)際的偏差，導(dǎo)致從時鐘需要繼續(xù)在鐘差很大的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，造成了不穩(wěn)定的同步精度。

圖6 有負(fù)載條件下主從時鐘同步結(jié)果

圖7 有負(fù)載條件下主從時鐘同步結(jié)果局部圖像

隨后，我們利用卡爾曼濾波算法和設(shè)定鐘差閾值的方法對PTP協(xié)議進(jìn)行了測試，測試結(jié)果的局部放大圖如圖8所示。由測試結(jié)果可以看出，采用卡爾曼濾波算法和設(shè)定鐘差閾值結(jié)合的方法，能夠有效地減小由于業(yè)務(wù)負(fù)載流量過大對時鐘同步性能造成的影響。使同步精度穩(wěn)定在200納秒的精度范圍內(nèi)，且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的時間同步結(jié)果，可靠性較高，滿足深空鄰近空間網(wǎng)絡(luò)時間同步的需求。

圖8 采用卡爾曼濾波算法改進(jìn)后的主從鐘同步結(jié)果局部圖像

4 結(jié)束語

本文探究了精確時間同步協(xié)議在空間無線信道下的適用性問題。通過在長時延和時延抖動環(huán)境下的仿真測試，可以看出，基于硬件標(biāo)記時間戳的PTP協(xié)議夠?qū)崿F(xiàn)亞微秒級的時間同步精度，同時能夠適應(yīng)空間無線信道中長延時和延時抖動的環(huán)境，并且具有較好的穩(wěn)定性。但是對于有負(fù)載的情況下，主、從時鐘之間的時鐘偏差會產(chǎn)生跳變，不能夠達(dá)到穩(wěn)定的同步精度。針對這一情況，采用卡爾曼估值濾波算法以及對時鐘偏移設(shè)置門限值的方法，以減小時鐘偏移跳變對同步穩(wěn)定性帶來的影響，通過最終的測試，采用改進(jìn)的算法后能夠使時間同步精度穩(wěn)定地保持在200納秒的精度范圍內(nèi)，滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要，對于深空鄰近空間無線網(wǎng)絡(luò)中的時間同步應(yīng)用具有一定的參考價值。

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