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(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

0 引言

遙測(cè)是集傳感、采集、通信和數(shù)據(jù)處理為一體的一門(mén)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(cè)為飛行試驗(yàn)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了主要數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)帶寬需求日益增長(zhǎng)，雙向傳輸需求日趨緊迫，有力推動(dòng)了遙測(cè)從傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”單向傳輸，朝著雙向的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。遙測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的遠(yuǎn)距無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，是連接高速移動(dòng)試驗(yàn)對(duì)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(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分。遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延和試驗(yàn)對(duì)象間的時(shí)間同步，是影響遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性和同步性的關(guān)鍵因素，必須重點(diǎn)探討和解決。

1 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)時(shí)間同步的概念

傳統(tǒng)的、基于IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的遙測(cè)傳輸模式，采用FM/PCM串行傳輸方式，具有較好的實(shí)時(shí)性。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)遙測(cè)速率、遙測(cè)距離等確定后，傳輸時(shí)延基本上是確定的。由于過(guò)去飛行試驗(yàn)基本上都是“單機(jī)試驗(yàn)”，遙測(cè)監(jiān)控模式也是“單機(jī)監(jiān)控”，“時(shí)間同步”基本上只涉及同一架飛機(jī)內(nèi)測(cè)試參數(shù)的時(shí)間同步問(wèn)題。針對(duì)個(gè)別同一試驗(yàn)中多試驗(yàn)對(duì)象的遙測(cè)監(jiān)控，也是通過(guò)“單機(jī)監(jiān)控”方式實(shí)現(xiàn)的，飛行試驗(yàn)過(guò)程中多試驗(yàn)對(duì)象間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步問(wèn)題基本上未涉及，相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使同一飛行試驗(yàn)中的多個(gè)試驗(yàn)對(duì)象遙測(cè)數(shù)據(jù)融合、實(shí)時(shí)處理、多試驗(yàn)對(duì)象同時(shí)監(jiān)控將成為常態(tài)，多試驗(yàn)對(duì)象間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步成為必須解決的技術(shù)問(wèn)題之一。

飛行試驗(yàn)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的遠(yuǎn)距、寬帶、基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，加之飛行試驗(yàn)對(duì)象(飛行器：空中高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn))具有高速、大機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式不盡相同，使遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姶怒h(huán)境相對(duì)復(fù)雜，影響了遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲和時(shí)間同步。針對(duì)飛行試驗(yàn)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)微妙級(jí)的時(shí)間同步要求(同一試驗(yàn)對(duì)象內(nèi)為1微秒、不同試驗(yàn)對(duì)象間為100 μs)，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對(duì)象間時(shí)間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)都是技術(shù)難題。

在iNET的技術(shù)要求中，把多試驗(yàn)對(duì)象間測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間同步定義為：在測(cè)試過(guò)程和通過(guò)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)、地面站端(GSS)及無(wú)線(xiàn)鏈路(RF)的通信過(guò)程中，從多個(gè)分立試驗(yàn)對(duì)象上同時(shí)讀取到的兩傳感器參數(shù)之間的最大時(shí)差。

從上述定義中可以看出，多試驗(yàn)對(duì)象間測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間同步包括了機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)(aNET)中的數(shù)據(jù)采集同步和遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)傳輸同步兩個(gè)部分。機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(aNET)是一種基于光纜和電纜的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中已采用了PTP精確時(shí)間同步協(xié)議，目前數(shù)據(jù)時(shí)間同步已達(dá)到1微秒級(jí)的應(yīng)用精度；而遙測(cè)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(shí)間同步協(xié)議，不同試驗(yàn)對(duì)象間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r(shí)間同步目前還沒(méi)有實(shí)際使用值，預(yù)計(jì)在毫秒級(jí)。因此，要提高多試驗(yàn)對(duì)象間測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，遙測(cè)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(duì)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)的定義，我們可以把遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)傳輸同步理解為多試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)間的數(shù)據(jù)包的時(shí)間同步，即在遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)RF無(wú)線(xiàn)鏈路傳送，到達(dá)地面站端(GSS)接收后，多個(gè)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)數(shù)據(jù)包收到時(shí)間的最大時(shí)差。顯然，該時(shí)差就是試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)上的數(shù)據(jù)包發(fā)送到地面站端(GSS)接收過(guò)程中的傳輸時(shí)延之差，是遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步協(xié)議和同步原理

2.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP ：Network Time Protocol)是用來(lái)使網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)或設(shè)備單元對(duì)其服務(wù)器或時(shí)鐘源提供高精準(zhǔn)度的時(shí)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(guò)加密確認(rèn)的方式來(lái)防惡毒的協(xié)議攻擊。該協(xié)議是美國(guó)iNET遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間同步采用RFC 1305網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，其工作原理如圖1所示?？蛻?hù)端或設(shè)備首先向時(shí)間服務(wù)器端發(fā)送一個(gè)NTP時(shí)間同步報(bào)文請(qǐng)求，其中包含了該報(bào)文離開(kāi)客戶(hù)端的時(shí)間戳T0(以客戶(hù)機(jī)時(shí)間為參照)，當(dāng)時(shí)間服務(wù)器端接收到該包時(shí)，依次填入報(bào)文到達(dá)的時(shí)間戳T1(以服務(wù)器時(shí)間為參照)和離開(kāi)的時(shí)間戳T2(以服務(wù)器時(shí)間為參照)，然后立即把報(bào)文返回給客戶(hù)端，客戶(hù)端在接收到響應(yīng)報(bào)文時(shí)，記錄報(bào)文返回的時(shí)間戳T3(以客戶(hù)機(jī)時(shí)間為參照)?？蛻?hù)端用上述4個(gè)時(shí)間戳值就能夠計(jì)算出NTP報(bào)文的傳輸遲延和客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)與時(shí)間服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏差?？蛻?hù)端使用時(shí)鐘偏差來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘，使其時(shí)間與時(shí)間服務(wù)器端的時(shí)間一致。NTP協(xié)議假設(shè) NTP 請(qǐng)求和回復(fù)包傳送時(shí)延相等，我們用δ表示往返時(shí)延，則：

圖1 NTP同步原理

我們用θ代表客戶(hù)端與時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)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(wú)關(guān)，即最終的結(jié)果與時(shí)間服務(wù)器上請(qǐng)求處理所需的時(shí)間無(wú)關(guān)。因此，客戶(hù)端可通過(guò)T0、T1、T2、T3計(jì)算出其與時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)差去調(diào)整本地時(shí)鐘，即可完成時(shí)間同步。NTP時(shí)間同步的局限性在于雖然假設(shè)攜帶時(shí)間戳的報(bào)文經(jīng)歷往返相等的時(shí)間遲延，但無(wú)法克服報(bào)文單向時(shí)延所造成的影響，同時(shí)NTP在高層(應(yīng)用層)用軟件方式打時(shí)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(shí)間同步的精度。

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

2.2 精確時(shí)鐘同步協(xié)議(PTP)

精確時(shí)鐘同步協(xié)議(PTP：Precision Time Protocol)是由網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)提出，于2001年中獲得IEEE儀器和測(cè)量委員會(huì)美國(guó)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(huì)通過(guò)，作為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，其全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確定時(shí)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(shí)同步能力不足問(wèn)題，減少傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步所帶來(lái)的額外布線(xiàn)開(kāi)銷(xiāo)，如IRIG-B等。標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)在測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中, 與網(wǎng)絡(luò)交換、本地計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確時(shí)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(jí)的范圍。該協(xié)議提出后就廣泛應(yīng)用于各類(lèi)以太網(wǎng)以及部分地面測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中。

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

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

TM1：同步報(bào)文發(fā)送時(shí)間；TS1：同步報(bào)文接收時(shí)間；TM2：跟隨報(bào)文精確發(fā)送時(shí)間；TS2：跟隨報(bào)文精確接收時(shí)間；TM3：延遲請(qǐng)求報(bào)文精確接收時(shí)間；TS3：延遲請(qǐng)求報(bào)文精確發(fā)送時(shí)間；TM4：延遲回復(fù)報(bào)文精確發(fā)送時(shí)間；TS4：延遲回復(fù)報(bào)文精確接收時(shí)間；TM5、TS5：實(shí)現(xiàn)精確同步時(shí)間；圖2 PTP 同步過(guò)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(shí)請(qǐng)求報(bào)文(Delay_Req) 、延時(shí)請(qǐng)求的回復(fù)報(bào)文(Delay_Resp) 。用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)鐘( 主時(shí)鐘) 來(lái)校正其它的時(shí)鐘(從時(shí)鐘)，主、從時(shí)鐘的時(shí)間差和報(bào)文傳輸延遲計(jì)算如下:

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

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

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

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

用δ表示延遲時(shí)間，則：δ= [(TS1-TM1)+(TM3-TS3)]/2

用θ代表主時(shí)鐘端與從時(shí)鐘端之間的時(shí)間偏差，則：θ=(TS1-TM1)-δ

根據(jù)偏離時(shí)間可以精確地對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間校正，在這個(gè)過(guò)程中，假設(shè)傳輸介質(zhì)是對(duì)稱(chēng)均勻的。

PTP協(xié)議的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中最精確的時(shí)鐘(主時(shí)鐘)以包交換的方式同步所有其它時(shí)鐘(從時(shí)鐘)，需要專(zhuān)用的硬件，在底層(物理層)打時(shí)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(dòng)程序?qū)踊驊?yīng)用軟件層檢測(cè)和記錄報(bào)文發(fā)送和接收的時(shí)間戳，避免了報(bào)文處理時(shí)間的不確定性，時(shí)間同步可達(dá)到微秒級(jí)。因此PTP協(xié)議是飛行試驗(yàn)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)(rfNET)中的數(shù)據(jù)傳輸同步的概念，多試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步，即在遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)RF無(wú)線(xiàn)鏈路傳送，到達(dá)地面站端(GSS)接收后，多個(gè)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS)數(shù)據(jù)包收到時(shí)間的最大時(shí)差，技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑是在試驗(yàn)對(duì)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(gè)基本功能，一是實(shí)現(xiàn)主、從時(shí)鐘功能；二是在物理層用硬件方法打時(shí)間戳；三是輔助PTP協(xié)議的運(yùn)行。1588 IP核組件的常見(jiàn)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(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)。DP83640 芯片是美國(guó)國(guó)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(gè)精度為8ns、可BDS/GPS授時(shí)的IEEE 1588 數(shù)字時(shí)鐘，能夠在報(bào)文發(fā)送和接收時(shí)精確標(biāo)記時(shí)間戳。DP83640 是物理層(PHY)芯片，不能直接與沒(méi)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(guò)介質(zhì)無(wú)關(guān)接口(MII)與MPU處理器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)間戳等控制信息的交換。MPU同時(shí)還要運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議，與MAC一起構(gòu)成一個(gè)完備的TCP/IP棧，提供對(duì)RF網(wǎng)絡(luò)和PTP協(xié)議的運(yùn)行支持。

3.3 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中兩試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)和一個(gè)遙測(cè)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(cè)地面站端中的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器時(shí)鐘為主時(shí)鐘，兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)中的RF網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器時(shí)鐘為從時(shí)鐘，按照PTP協(xié)議同步原理，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)周期性向從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)同步請(qǐng)求報(bào)文，首先實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的對(duì)準(zhǔn)(同步)，并分別測(cè)量出兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包到遙測(cè)地面站端的傳輸延遲時(shí)間，通過(guò)計(jì)算和修正，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步。

圖4 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)時(shí)間同步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖

4 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步檢測(cè)方法

常規(guī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間延遲檢測(cè)，長(zhǎng)期以來(lái)也一直是一個(gè)難以解決的技術(shù)難題。原因之一是常規(guī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間沒(méi)有統(tǒng)一的授時(shí)，時(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息。而遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，各試驗(yàn)對(duì)象和遙測(cè)地面站節(jié)點(diǎn)，均有基于GPS/BDS授時(shí)的精確時(shí)統(tǒng)，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘高度同步(納秒級(jí))，同時(shí)，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中采用了NTP或PTP時(shí)間同步協(xié)議，信息包均帶有精確的發(fā)送、接收時(shí)間戳，因而，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間延遲和時(shí)間同步檢測(cè)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)也有它的特殊性，如上所述，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)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(duì)稱(chēng)均勻的”，而實(shí)際中的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有多種組網(wǎng)方式，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)方式中，可以認(rèn)為傳輸介質(zhì)是對(duì)稱(chēng)均勻的，而在多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，傳輸介質(zhì)對(duì)稱(chēng)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(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步檢測(cè)方法，必須采用一種與時(shí)間同步協(xié)議無(wú)關(guān)、可適應(yīng)各種遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)模式的方法來(lái)進(jìn)行時(shí)間同步檢測(cè)。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)“傳輸介質(zhì)不對(duì)稱(chēng)均勻”的情況進(jìn)行分析，提供必要的修正方法。

檢測(cè)方法：遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步檢測(cè)方法如圖5 所示。圖中是由兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS1、TAS2)到一個(gè)地面站端(GSS)，組成的兩點(diǎn)到一點(diǎn)的典型遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)端點(diǎn)都具有GPS/BDS授時(shí)的精確的時(shí)鐘，測(cè)試計(jì)算機(jī)在相關(guān)軟件配合下，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象端(TAS1、TAS2)對(duì)地面站端的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延測(cè)量、時(shí)間同步計(jì)算、顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖5 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步檢測(cè)方案

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

圖6 兩個(gè)試驗(yàn)端同步時(shí)間

計(jì)算方法：

TAS1到GSS的傳輸時(shí)間延遲 =(T4-T3)

TAS2到GSS的傳輸時(shí)間延遲 =(T6-T5)

TAS2和TAS1同步時(shí)差 = (TAS2到GSS的傳輸時(shí)延- TAS1到GSS的傳輸時(shí)延)

或：TAS2和TAS1同步時(shí)差=(T6-T4)/2

5 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)延分析和同步時(shí)差修正

5.1 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)延因素分析

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延可以定義為：從試驗(yàn)對(duì)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(gè)傳輸過(guò)程中的最大延遲時(shí)間。

參考常規(guī)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲劃分，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延也應(yīng)包括：

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

2) 訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間(Access Time)：鏈路層協(xié)議等待信道空閑的時(shí)間，主要依賴(lài)信道負(fù)載；

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

4) 傳播時(shí)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(shí)間，該時(shí)間依賴(lài)于收發(fā)方的物理距離和傳播媒質(zhì)特性；

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

6) 接收處理時(shí)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(shí)間；

5.2 遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)中多試驗(yàn)對(duì)象間同步時(shí)差的修正

如前所述，網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(chēng)”，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(shí)延基本上是相同的。那么，影響網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的主要因素：各節(jié)點(diǎn)中的時(shí)鐘同步和傳輸時(shí)延，通過(guò)NTP或PTP時(shí)間同步協(xié)議均可得到修正，使常規(guī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)間同步精度可達(dá)到毫秒級(jí)或微秒級(jí)。

針對(duì)特殊的飛行試驗(yàn)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，通常多試驗(yàn)對(duì)象若在同一空域中試飛，使用同一遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議、遙測(cè)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(chēng)”的假設(shè)條件成立，也就是說(shuō)各試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)的地面站端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延應(yīng)該基本相同，通過(guò)PTP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延之差(時(shí)間同步)應(yīng)可滿(mǎn)足要求。但是，針對(duì)一些特殊試驗(yàn)，若試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)不在同一空域(到地面站的距離不同)，試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包大小不一樣、遙測(cè)速率不同等因素，使“傳輸介質(zhì)是均勻?qū)ΨQ(chēng)”的假設(shè)條件并不成立，也就是說(shuō)各試驗(yàn)對(duì)象的地面站傳輸時(shí)延不相同，例如，若兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象到地面站的距離相差為300 km，傳播時(shí)延就差1 ms，導(dǎo)致時(shí)間同步時(shí)差過(guò)大。在這種情況下，必須通過(guò)分析，找到修正方法，進(jìn)行修正。

另外，在準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸情況下，對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步處理，可采用“事后時(shí)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(shí)間對(duì)齊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確同步。

6 結(jié)束語(yǔ)

遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)是空地一體化綜合測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心組成部分，由于試驗(yàn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)(飛行器)的快速移動(dòng)，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，具有諸多的不確定性，傳輸時(shí)延長(zhǎng)短，影響遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，時(shí)延之差，影響遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步性。目前，遙測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路和檢測(cè)方法，有待在遙測(cè)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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