，，

(中國(guó)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(cè)任務(wù)需要降低航天器對(duì)地基系統(tǒng)的依賴性，運(yùn)用新的協(xié)議來(lái)支持空間組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策。在深空探測(cè)任務(wù)中，可能會(huì)存在多種航天器和探測(cè)設(shè)備共同執(zhí)行的探測(cè)任務(wù)，這些相對(duì)獨(dú)立的航天器與探測(cè)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(duì)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(cè)設(shè)備之間的相互配合與協(xié)調(diào)工作。在這種場(chǎng)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(shí)間參考，以完成時(shí)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(shí)間參考，比如航天器之間的交會(huì)對(duì)接、不同地點(diǎn)物理量的分布式測(cè)量、算法的時(shí)序安排、基于位置預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)路由切換，以及通信媒介的時(shí)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(shí)范圍，缺乏支持深空時(shí)間同步的地基系統(tǒng)，這就需要航天器本身具有支持時(shí)間同步的協(xié)議，以獲得微秒級(jí)的高精度時(shí)間同步，從而完成深空探測(cè)中對(duì)于時(shí)間敏感的航天任務(wù)。

然而，深空中無(wú)線信道環(huán)境具有傳輸時(shí)延大、時(shí)延抖動(dòng)不確定、前向與反向鏈路速率不對(duì)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(shí)間同步協(xié)議的交換設(shè)備，這些特點(diǎn)會(huì)引入很多不可控的時(shí)延誤差。這些因素都會(huì)給具有高精度要求的深空時(shí)間同步帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)延會(huì)帶來(lái)較大的電磁波傳播損耗，且傳播信號(hào)會(huì)受到由射電星體、星間物質(zhì)和太陽(yáng)帶來(lái)的宇宙噪聲，引入較高的誤碼率，且長(zhǎng)延時(shí)還可能會(huì)引入正反向傳輸時(shí)延的隨機(jī)誤差，對(duì)于目前地面以太網(wǎng)所采用的時(shí)間同步協(xié)議的同步機(jī)制，正反向傳輸時(shí)延不對(duì)稱會(huì)使主從時(shí)鐘鐘差計(jì)算產(chǎn)生誤差，造成時(shí)延偏移，會(huì)導(dǎo)致同步精度大大降低；前反向鏈路速率不對(duì)稱會(huì)引入由于數(shù)據(jù)報(bào)文排隊(duì)機(jī)制導(dǎo)致的時(shí)延抖動(dòng)，同樣會(huì)造成正反向傳輸時(shí)延的不對(duì)稱，而負(fù)載流量過(guò)大可能引起毫秒級(jí)的排隊(duì)時(shí)延。而排隊(duì)時(shí)延會(huì)計(jì)入傳輸時(shí)延當(dāng)中，在計(jì)算主從時(shí)鐘鐘差時(shí)引入誤差，使得從時(shí)鐘的系統(tǒng)時(shí)間按照有誤差的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，造成時(shí)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(gè)航天器為基礎(chǔ)的深空探測(cè)任務(wù)中，需要進(jìn)行航天器和探測(cè)設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(guó)深空探測(cè)工程的開(kāi)展，對(duì)于深空環(huán)境鄰近空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(duì)PTP協(xié)議進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。隨后結(jié)合深空通信中長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼、延時(shí)抖動(dòng)的特點(diǎn)對(duì)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(duì)PTP協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。最后利用損傷儀、測(cè)試儀模擬空間無(wú)線信道環(huán)境和業(yè)務(wù)負(fù)載情況，利用時(shí)鐘分析儀對(duì)PTP協(xié)議的時(shí)間同步精度和穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(zhǎng)時(shí)延及業(yè)務(wù)負(fù)載帶來(lái)的時(shí)延抖動(dòng)現(xiàn)象對(duì)PTP協(xié)議的影響，同步精度達(dá)到亞微秒級(jí)，為航天任務(wù)時(shí)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(shí)間同步方法為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議[1](network time protocol, NTP)和精確時(shí)間協(xié)議(precision time protocol，PTP)。NTP協(xié)議采用客戶端對(duì)服務(wù)器的工作模式，利用軟件產(chǎn)生時(shí)間戳，通過(guò)時(shí)間戳交換完成時(shí)間同步功能，在2 000公里范圍的萬(wàn)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(jí)，NTP對(duì)于具有微秒級(jí)同步精度要求的深空鄰近空間組網(wǎng)通信場(chǎng)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(shí)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(shí)間戳，避免了軟件處理時(shí)延引入的誤差，在使用硬件時(shí)鐘輔助的情況下其時(shí)間同步精度能夠達(dá)到亞微秒量級(jí)[3,6]，滿足深孔鄰近空間網(wǎng)絡(luò)對(duì)于精密時(shí)間同步的需要。但是由于深空通信環(huán)境復(fù)雜，存在長(zhǎng)時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、正反向信道不對(duì)稱等特點(diǎn)，深空通信中缺少地基時(shí)間同步設(shè)備的支持，而PTP對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高，故需要對(duì)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(chǎng)景示意

PTP協(xié)議報(bào)文交互的過(guò)程如圖2所示。PTP協(xié)議利用同步報(bào)文、跟隨報(bào)文、延遲請(qǐng)求報(bào)文和延遲響應(yīng)報(bào)文來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)支持PTP狀態(tài)機(jī)的端口之間的路徑延遲delay[2]并由此計(jì)算得出從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)鐘鐘差值offset，從時(shí)鐘利用計(jì)算得到的鐘差值對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行頻率微調(diào)，使本地時(shí)鐘盡可能地與主時(shí)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(bào)文同步及延遲請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制

1)主時(shí)鐘準(zhǔn)備并發(fā)送一個(gè)攜帶時(shí)間戳t1的同步報(bào)文，如果節(jié)點(diǎn)是雙步時(shí)鐘，那么還需要準(zhǔn)備并發(fā)送一個(gè)包含t1的跟隨報(bào)文；

2)從節(jié)點(diǎn)收到主時(shí)鐘發(fā)來(lái)的同步報(bào)文，立即產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間戳t2，并準(zhǔn)備發(fā)送攜帶時(shí)間戳t3的延遲請(qǐng)求報(bào)文；

3)當(dāng)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)收到延遲請(qǐng)求報(bào)文之后，立即生成t4時(shí)間戳，并準(zhǔn)備延遲響應(yīng)報(bào)文，最后發(fā)出延遲響應(yīng)報(bào)文。

4)從時(shí)鐘接收到延遲響應(yīng)報(bào)文，此時(shí)從時(shí)鐘已經(jīng)獲得了t1、t2、t3、t4時(shí)間戳，通過(guò)如下計(jì)算方法得到路徑延遲以及主、從時(shí)間差：

(1)

得出：

(2)

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

時(shí)鐘同步是一個(gè)周期性的過(guò)程。在主、從時(shí)鐘達(dá)到時(shí)鐘同步以后，從時(shí)鐘依然要對(duì)主時(shí)鐘發(fā)出的每一個(gè)時(shí)鐘同步報(bào)文進(jìn)行計(jì)算。如果計(jì)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(shí)鐘，進(jìn)行時(shí)鐘同步。

2 無(wú)線信道對(duì)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(jí)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(shí)延大、時(shí)延抖動(dòng)不確定、前向與反向信道不對(duì)稱、誤碼率高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)給具有高精度要求的時(shí)間同步帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。以火星探測(cè)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(huì)給航天器與火星表面的雙向通信帶來(lái)上百毫秒的時(shí)延，這對(duì)于有著高精度要求的PTP協(xié)議來(lái)說(shuō)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(huì)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(huì)導(dǎo)致時(shí)延抖動(dòng)的發(fā)生。并且時(shí)延抖動(dòng)的產(chǎn)生往往是隨機(jī)發(fā)生的，有時(shí)候難以避免。另外，在長(zhǎng)時(shí)延空間網(wǎng)絡(luò)中，可能會(huì)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(huì)產(chǎn)生包封裝、隊(duì)列及串行化的時(shí)延[9]。而PTP同步節(jié)點(diǎn)并不能檢測(cè)到傳輸?shù)牟粚?duì)稱。PTP能夠?qū)崿F(xiàn)高精度時(shí)間同步的一個(gè)重要前提假設(shè)，就是正反向時(shí)延是對(duì)稱的，長(zhǎng)時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)的出現(xiàn)，會(huì)影響到正反向時(shí)延的對(duì)稱性[8]，進(jìn)而計(jì)算得到不準(zhǔn)確的路徑時(shí)延以及主從時(shí)鐘鐘差，給從時(shí)鐘對(duì)于本地時(shí)鐘的調(diào)節(jié)帶來(lái)誤差，降低同步精度。嚴(yán)重情況下，時(shí)延抖動(dòng)會(huì)帶來(lái)毫秒級(jí)的同步誤差。

而在同步的過(guò)程中，隨著每一次同步的進(jìn)行，從時(shí)鐘不斷計(jì)算與主時(shí)鐘的偏差，并調(diào)整本地時(shí)鐘，使從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差逐漸縮小。但出現(xiàn)鐘差出現(xiàn)異常值時(shí)，從時(shí)鐘不能判斷該值是否為異常值，會(huì)繼續(xù)根據(jù)測(cè)得的結(jié)果計(jì)算出的主從鐘差對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致實(shí)際的主從時(shí)鐘之間鐘差被放大，延長(zhǎng)了收斂所需時(shí)間，同時(shí)也降低了同步精度?？梢哉f(shuō)，如何處理鐘差由于時(shí)延抖動(dòng)產(chǎn)生的跳變，是實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定時(shí)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(duì)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)，對(duì)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差的增量設(shè)置門限值，當(dāng)當(dāng)前的測(cè)量值與估計(jì)值之差超過(guò)了該門限值，說(shuō)明從時(shí)鐘計(jì)算出的從主時(shí)間偏移異常，這時(shí)，從時(shí)鐘用估值濾波得到的估計(jì)值代替異常時(shí)間偏移值，并根據(jù)估計(jì)值調(diào)整本地時(shí)鐘，即可減小時(shí)鐘偏移量跳變過(guò)大對(duì)時(shí)鐘同步的穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。

2.1 卡爾曼濾波鐘差估計(jì)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(jì)，它不要求信號(hào)的平穩(wěn)性，不需要之前全部的觀測(cè)數(shù)據(jù)，只是根據(jù)前一個(gè)估計(jì)值和最近一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)方程和遞推方法來(lái)估計(jì)信號(hào)的當(dāng)前值[7]。卡爾曼濾波器具有實(shí)時(shí)性高且存儲(chǔ)計(jì)算量小等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于對(duì)存儲(chǔ)和處理速度敏感的時(shí)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(hào)模型，建立時(shí)間同步系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型：

(3)

式中分別為時(shí)鐘狀態(tài)方程和時(shí)鐘觀測(cè)方程。其中，x[k]為第k次同步中時(shí)鐘的狀態(tài)向量；y[k]為第k次同步的時(shí)鐘觀測(cè)向量；H為測(cè)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(cè)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(guò)程噪聲和觀測(cè)噪聲，且兩者互不相關(guān)。

卡爾曼濾波估計(jì)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(duì)應(yīng)最小均方誤差矩陣為：

Pk=(I-HkCk)Pk

(7)

其中:Pk為測(cè)量噪聲v[k]的協(xié)方差矩陣。

2.2 鐘差增量門限設(shè)定

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

每次選取n組觀測(cè)數(shù)據(jù)，包含主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的路徑時(shí)延(MTSD)、從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的路徑時(shí)延(STMD)、以及通過(guò)PTP協(xié)議算法得到的主從時(shí)間偏移(OFM)，分別計(jì)算從主時(shí)延的均值、最小值和最大值，以及主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的時(shí)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(jì)算主從時(shí)延的均值、最小值和最大值，以及從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的時(shí)延變化范圍：

dev_min_stmd = mean_stmd - min_stmd

dev_max_stmd = max_tmsd - mean_stmd

計(jì)算時(shí)鐘偏移量的門限值threshold：threshold=MAX(dev_min_mtsd, dev_max_mtsd, dev_min_stmd, dev_min_stmd)

計(jì)算第k+1個(gè)offset值與其之前n-1個(gè)offset值的標(biāo)準(zhǔn)差dev，將dev與threshold進(jìn)行比較，當(dāng)threshold>dev時(shí)，說(shuō)明第k+1個(gè)offset值符合時(shí)間同步要求，從時(shí)鐘可以利用該時(shí)間偏移對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，完成本次同步；當(dāng)dev>threshold時(shí)，說(shuō)明第k+1個(gè)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(gè)offset估計(jì)值替代第k+1個(gè)offset測(cè)量值，從時(shí)鐘利用offset的估計(jì)值來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘，進(jìn)行本次時(shí)間同步。

3 時(shí)間同步精度測(cè)試

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

圖3 測(cè)試配置框圖

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

3.1 長(zhǎng)延時(shí)對(duì)于時(shí)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(cè)試中將正反向固定延時(shí)設(shè)置為120毫秒，探究長(zhǎng)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的性能[5]。先啟動(dòng)主時(shí)鐘端的PTP協(xié)議棧軟件，再啟動(dòng)從時(shí)鐘端PTP協(xié)議棧軟件，在控制端輸出并記錄從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的路徑延時(shí)和時(shí)鐘鐘差offset值，選取600個(gè)樣本點(diǎn)，PTP協(xié)議在長(zhǎng)延時(shí)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(kāi)始時(shí)，主、從時(shí)間差為設(shè)定的300毫秒，在同步過(guò)程開(kāi)始之后，從時(shí)鐘端不斷計(jì)算與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差與路徑延時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整本地時(shí)鐘，逐漸縮短主、從時(shí)鐘之間的時(shí)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(jiàn)，長(zhǎng)延時(shí)的信道環(huán)境使得達(dá)到同步所需的時(shí)間變長(zhǎng)，但是對(duì)于時(shí)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(jí)的同步精度。

圖4 長(zhǎng)時(shí)延下主從時(shí)鐘同步結(jié)果

3.2 延時(shí)抖動(dòng)對(duì)時(shí)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(shí)存在抖動(dòng)的情況，會(huì)造成路徑延時(shí)的不對(duì)稱，影響協(xié)議的同步精度。于是采用損傷儀對(duì)對(duì)信道的延時(shí)抖動(dòng)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(shí)延抖動(dòng)，與第一組的對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，有延時(shí)抖動(dòng)的情況下，與無(wú)抖動(dòng)時(shí)的時(shí)間同步趨勢(shì)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(dòng)的情況下達(dá)到相同精度所需的時(shí)間要比無(wú)抖動(dòng)的情況多用時(shí)約12秒，需要更長(zhǎng)時(shí)間完成時(shí)間同步，性能有所下降。

圖5 時(shí)延和抖動(dòng)環(huán)境下主從時(shí)鐘同步結(jié)果

3.3 業(yè)務(wù)負(fù)載對(duì)于時(shí)間同步精度的影響

利用Spirent TestCenter測(cè)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(wú)負(fù)載條件下的對(duì)比情況，其中有負(fù)載的情況下，主時(shí)鐘到從時(shí)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(duì)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(shí)鐘之間的時(shí)間偏移隔一段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生100毫秒左右的跳變，這之后還要重新收斂時(shí)間偏移量。

這里因?yàn)橐肓素?fù)載流量，CPU處理數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生中斷，造成同步報(bào)文獲取的時(shí)間戳存在誤差，導(dǎo)致從時(shí)鐘計(jì)算得到的主、從時(shí)間差產(chǎn)生了±100毫秒左右的誤差，而當(dāng)從時(shí)鐘根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整本地時(shí)鐘后，主從時(shí)鐘鐘差測(cè)量值大于實(shí)際的偏差，導(dǎo)致從時(shí)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(shí)鐘同步結(jié)果

圖7 有負(fù)載條件下主從時(shí)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(duì)PTP協(xié)議進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果的局部放大圖如圖8所示。由測(cè)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(guò)大對(duì)時(shí)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(shí)間同步結(jié)果，可靠性較高，滿足深空鄰近空間網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(yǔ)

本文探究了精確時(shí)間同步協(xié)議在空間無(wú)線信道下的適用性問(wèn)題。通過(guò)在長(zhǎng)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)環(huán)境下的仿真測(cè)試，可以看出，基于硬件標(biāo)記時(shí)間戳的PTP協(xié)議夠?qū)崿F(xiàn)亞微秒級(jí)的時(shí)間同步精度，同時(shí)能夠適應(yīng)空間無(wú)線信道中長(zhǎng)延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)的環(huán)境，并且具有較好的穩(wěn)定性。但是對(duì)于有負(fù)載的情況下，主、從時(shí)鐘之間的時(shí)鐘偏差會(huì)產(chǎn)生跳變，不能夠達(dá)到穩(wěn)定的同步精度。針對(duì)這一情況，采用卡爾曼估值濾波算法以及對(duì)時(shí)鐘偏移設(shè)置門限值的方法，以減小時(shí)鐘偏移跳變對(duì)同步穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，通過(guò)最終的測(cè)試，采用改進(jìn)的算法后能夠使時(shí)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(duì)于深空鄰近空間無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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