孟祥玉

一 引言

空管自動化系統(tǒng)為民航空管部門的核心，可為管制員提供準確的信息、幫助提高整體空域的可視性、加強與飛行員之間溝通效率。而對空管自動化系統(tǒng)而言，精確可靠的時鐘源是系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、航跡計劃分析處理的基礎(chǔ)，是各系統(tǒng)安全運行的重要組成部分。

目前烏魯木齊空管中心所使用的自動化系統(tǒng)為南京萊斯公司所研發(fā)的NUMEN3000自動化系統(tǒng)，其所引接的時鐘源信號為北京東進公司生產(chǎn)的MTS620D系列網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器。因此本文將基于對NTP協(xié)議工作原理、NTP服務(wù)器工作方式和NTP 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的認識，并以NUMEN3000自動化系統(tǒng)為例進行探究并提出相應(yīng)優(yōu)化方案。

二 工作原理

若計算機不引接外部時鐘源，而以BIOS內(nèi)部的晶振為主要的時間依據(jù)，其晶振實際頻率是受外界多種因素（溫度、電壓、老化等）影響，對于任何晶振其實際工作頻率都是不穩(wěn)定統(tǒng)一的。經(jīng)過一段時間的積累，各類計算機將會出現(xiàn)較大的時間偏差，且在一定范圍內(nèi)很難保證各計算機之間的時間是同步的。因此在1985年由美國德拉瓦大學(xué)的DavidLMils提出一種在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使不同的計算機維持相同時間通信協(xié)議。NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Protocol，簡稱NTP），其采用規(guī)定的端口123作為其端口號，并采用TCP/IP中UDP方式進行數(shù)據(jù)通信。其最終目的是將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個計算機的時間同步至協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC）。

其同步工作原理大致為：在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中客戶端A向時鐘服務(wù)器B發(fā)送查詢請求時間包，該請求包中有離開客戶時的時間戳 T1，以客戶端A時間系統(tǒng)為參照。當時鐘服務(wù)器B接收到該請求包時，依次填入該包到達的時間戳 T2 以及離開時的時間戳 T3，之后返回給客戶端A，以時鐘服務(wù)器B時間系統(tǒng)為參照?？蛻舳薃在接收到響應(yīng)包時再填入包，回到客戶端A的時間戳，以客戶端A時間系統(tǒng)為參照。客戶端A利用這4 個時間戳就能夠計算出兩個關(guān)鍵的參數(shù)：數(shù)據(jù)包交換的往返延遲η，以及客戶端與服務(wù)器之間的時鐘偏差。

客戶端A通過上述參數(shù)后即可對本地時鐘進行補償。再通過計算獲得其中偏差后，對計算結(jié)果進行統(tǒng)計，經(jīng)過多次采樣后，對時間源（NTP服務(wù)器）進行分析比較，選擇時間穩(wěn)定度高的作為可信時間源，經(jīng)過濾波處理，消除網(wǎng)絡(luò)引起的時間波動，當客戶計算機時間大于128毫秒時，采用設(shè)置當前時間T+ 平均offset進行step對時。在小于128毫秒時，以服務(wù)器時間為基準，對客戶計算機的時間晶體振蕩器進行測量，得出和服務(wù)器間的頻率偏差，使用操作系統(tǒng)提供的時鐘控制電路，對時間頻率進行修正，保持和服務(wù)器同步。

三 自動化系統(tǒng)中的時鐘同步

3.1系統(tǒng)時鐘同步方案

空管自動化時鐘同步整體由NTP時間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，其包括時間參考源、一級節(jié)點核心時間服務(wù)器、二級節(jié)點時間服務(wù)器、三級節(jié)點需要時間統(tǒng)一的服務(wù)器、計算機終端及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中NTP時間服務(wù)器和各種需要時間同步的計算機和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備通過以太網(wǎng)互連，使用TCP/IP協(xié)議通信，通過NTP或SNTP協(xié)議實現(xiàn)時間同步。NTP時間網(wǎng)絡(luò)的授時精度在局域網(wǎng)內(nèi)一般1毫秒至10毫秒。

一級時間服務(wù)器為系統(tǒng)核心節(jié)點，其通過接受GPS天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的協(xié)調(diào)世界時（UTC）信號作為外部時間基準信號，輸出時間精度為 0.1μ S的1PPS（即1Pulse Per Second）脈沖。并通過 RS232串行口向服務(wù)器中心處理單元輸送國際標準時間、日期和接收單元所處地理位置（經(jīng)緯度）等信息。相關(guān)信息經(jīng)過中心處理單元處理后，發(fā)送對時報文。對時報文以每秒1幀的輸出頻率，通過RJ45網(wǎng)口形式向下級節(jié)點輸送NTP網(wǎng)絡(luò)對時信號。

二級節(jié)點為區(qū)管中心SDP（監(jiān)視數(shù)據(jù)處理）服務(wù)器，該節(jié)點通過網(wǎng)口與時鐘服務(wù)器直連，采用NTP協(xié)議將該服務(wù)器系統(tǒng)時間與一級節(jié)點進行對時校準。

三級節(jié)點為空管自動化系統(tǒng)內(nèi)各服務(wù)器工作站主機，其通過局域網(wǎng)核心交換機與二級節(jié)點相連接。在系統(tǒng)整體設(shè)計上第n+1層的機器向第n層的機器請求同步，第0層的機器與高精度計時設(shè)備相連。在使用時，客戶機的NTP服務(wù)可以使用冗余服務(wù)器和多條網(wǎng)絡(luò)路徑來獲得時間的高準確性和高可靠性，即使客戶機在長時間無法與某一時間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下，仍有備份冗余節(jié)點服務(wù)器可提供高準確度時間。

3.2節(jié)點配置方案及優(yōu)化

一級節(jié)點網(wǎng)絡(luò)時間校時模塊出廠IP地址為192.168.0.5。將用于校時模塊參數(shù)設(shè)置的客戶端計算機設(shè)為與一級節(jié)點相同的網(wǎng)段，在 windows 的 run 菜單里輸入“telnet 192.168.0. 5 9999"進行遠程設(shè)置。進入設(shè)置界面輸入初始密碼，選擇服務(wù)器配置，并設(shè)置一級節(jié)點規(guī)劃的的IP地址、子網(wǎng)掩碼及廣播地址，最后保存配置方案并退出。

選擇空管自動化系統(tǒng)SDP（監(jiān)視數(shù)據(jù)處理）服務(wù)器作為系統(tǒng)的二級節(jié)點，進入二級節(jié)點客戶端linux系統(tǒng)，選擇root用戶登錄。使用vim編輯器打開/etc/inet/ntp.conf文件，更改其配置文件，并將規(guī)劃的一級節(jié)點時鐘服務(wù)器IP填入文件。其后使用命令servicentpdstop命令停止二級節(jié)點服務(wù)器ntp服務(wù)，使用ntpdate命令將二級節(jié)點強制向一級節(jié)點立刻對時校準，其后使用servicentpdrestart 命令恢復(fù)二級節(jié)點ntp服務(wù)。配置系統(tǒng)時間同步，但服務(wù)器工作站系統(tǒng)硬件晶振時間并未更新，當各種原因?qū)е潞鸵患墪r間服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)斷開后，系統(tǒng)利用晶振時間保持時間統(tǒng)一。因此可采取固定每日特定時間將服務(wù)器硬件時間刷新為對時后的系統(tǒng)時間此種優(yōu)化方案，來保持服務(wù)器工作站系統(tǒng)硬件時間同步。

添加系統(tǒng)定時處理任務(wù)，撰寫crontab系統(tǒng)定時腳本，使用hwclock -systohc命令將二級節(jié)點的系統(tǒng)硬件時間進行同步刷新至最新網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)時。當采取上述優(yōu)化后，系統(tǒng)將在每日特定時間進行硬件時間刷新。三級節(jié)點各服務(wù)器工作站亦修改/etc/inet/ntp.conf文件，更改其配置文件，并將規(guī)劃的二級節(jié)SDP服務(wù)器IP填入文件，并更改系統(tǒng)定時腳本，刷新各自系統(tǒng)硬件時間。在完成上述配置后，登錄一級節(jié)點，使用/home/bin/zlcmd腳本執(zhí)行ntpq命令，查看系統(tǒng)時鐘整體同步情況。

四結(jié)語

通過搭建NTP協(xié)議的時鐘同步網(wǎng)，可消除空管自動化系統(tǒng)各計算機因晶振時鐘、及人為原因手動校時的差錯，使本系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中各計算機設(shè)備的時間同步，保證了全網(wǎng)時鐘信息的精確統(tǒng)一。因此大幅度提高了系統(tǒng)內(nèi)部各信息流轉(zhuǎn)的時效性和記錄的和準確性。

參考文獻

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