黃富良

摘要：針對(duì)當(dāng)前靶場(chǎng)試驗(yàn)艦時(shí)間同步系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一種基于PTP協(xié)議的高可靠性時(shí)間同步系統(tǒng)。研究分析PTP同步原理，重點(diǎn)結(jié)合試驗(yàn)艦測(cè)控同步需求和艦載網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提供了具體的方案設(shè)計(jì)和PTP授時(shí)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化通用模塊設(shè)計(jì)，兼容原有時(shí)間同步系統(tǒng)，并具有良好的擴(kuò)展性。仿真測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)在非PTP鏈路上可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)同步，適用于試驗(yàn)艦分布式測(cè)控場(chǎng)景下的高精度時(shí)間的靈活接入，為試驗(yàn)艦時(shí)間同步系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化遷移部署提供有益參考。

關(guān)鍵詞：時(shí)間同步;PTP協(xié)議;IEEE1588標(biāo)準(zhǔn);測(cè)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0165-05

0 引言

試驗(yàn)艦是靶場(chǎng)開(kāi)展海上試驗(yàn)任務(wù)的重要平臺(tái)。試驗(yàn)艦中安裝多類(lèi)型的測(cè)量控制系統(tǒng)，各系統(tǒng)間的聯(lián)合測(cè)量需要精密的時(shí)間統(tǒng)一。目前部分試驗(yàn)艦安裝了專(zhuān)用的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，采用專(zhuān)線(xiàn)方式將IRIG-B碼從時(shí)間服務(wù)器傳輸至艙室固定安裝的末端轉(zhuǎn)接箱，再通過(guò)轉(zhuǎn)接箱將時(shí)間信息接入至各測(cè)控系統(tǒng)。由于采用專(zhuān)線(xiàn)與固定末端轉(zhuǎn)接箱，且接口有限，限定了測(cè)控系統(tǒng)的安裝位置和接入數(shù)量，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代試驗(yàn)艦大量分布式測(cè)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步信號(hào)靈活接入需求。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代艦船具有通達(dá)全艦的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用艦載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接入與傳輸高精度時(shí)間，可有效解決現(xiàn)有試驗(yàn)艦現(xiàn)有時(shí)統(tǒng)接口不足及布線(xiàn)問(wèn)題。通用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議主要有NTP（Network Time Protocol）和PTP（Precision Time Protocol）[1]。其中，NTP協(xié)議應(yīng)用廣泛，但其同步精度通常為毫秒級(jí)[2-3]，不能滿(mǎn)足試驗(yàn)測(cè)控高精度同步要求。PTP協(xié)議可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的時(shí)間同步精度[4]，且較NTP協(xié)議占用更少的網(wǎng)絡(luò)資源，更適合在以太網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用[5]。采用基于PTP協(xié)議和現(xiàn)有艦載網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少專(zhuān)用線(xiàn)纜的重新布設(shè)，便于多設(shè)備靈活接入，可很好地解決原有時(shí)間同步系統(tǒng)的不足，非常適用于試驗(yàn)艦分布式測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間同步。

1 PTP時(shí)頻同步原理

PTP協(xié)議，也稱(chēng)為IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，是利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制時(shí)鐘精確同步的協(xié)議[6]。PTP協(xié)議通過(guò)記錄主從時(shí)鐘設(shè)備之間事件報(bào)文交換時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間戳，計(jì)算出主從時(shí)鐘之間的路徑延遲和時(shí)間偏移，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘設(shè)備之間的時(shí)間和頻率同步[7]。

PTP計(jì)算平均路徑時(shí)延包括延時(shí)請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制（E2E）和對(duì)端時(shí)延機(jī)制（P2P）兩種。本文以E2E機(jī)制在雙步時(shí)鐘模式為例說(shuō)明PTP時(shí)間同步原理，其同步過(guò)程如圖1所示。

（1）建立主從關(guān)系后，主時(shí)鐘設(shè)備在時(shí)刻Tm1向從時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送Sync報(bào)文，從時(shí)鐘設(shè)備在時(shí)刻Ts1接收到Sync報(bào)文;

（2）隨后主時(shí)鐘設(shè)備在Follow_Up報(bào)文中將時(shí)間戳Tm1傳送至從時(shí)鐘設(shè)備，從時(shí)鐘設(shè)備從接收到的Follow_Up報(bào)文中提取時(shí)間戳Tm1;

（3）從時(shí)鐘設(shè)備在時(shí)刻Ts2發(fā)送Delay_Req報(bào)文給主時(shí)鐘設(shè)備;

（4）主時(shí)鐘設(shè)備在時(shí)刻Tm2接收到Delay_Req報(bào)文，隨后通過(guò)Delay_Resp報(bào)文將時(shí)間戳Tm2發(fā)送給從時(shí)鐘設(shè)備。經(jīng)過(guò)一個(gè)報(bào)文周期后得到Tm1、Ts1、Tm2、Tm2四個(gè)時(shí)值戳[8]。

上述報(bào)文離開(kāi)和到達(dá)時(shí)打戳的時(shí)鐘都是基于本設(shè)備內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘。

假設(shè)主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的發(fā)送路徑延時(shí)是Tms，從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的發(fā)送路徑延時(shí)是Tsm，從時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差為T(mén)offset，則有：

PTP協(xié)議不僅可實(shí)現(xiàn)主從鐘的時(shí)間同步，還可實(shí)現(xiàn)主從鐘的頻率同步。主時(shí)鐘設(shè)備周期性地發(fā)送Sync報(bào)文，主從時(shí)鐘分別記錄收發(fā)對(duì)應(yīng)的時(shí)戳值，通過(guò)比較相同時(shí)間間隔內(nèi)主從時(shí)鐘的時(shí)戳值差，利用差值修正從鐘的頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主從鐘的頻率同步。

2 PTP時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間同步系統(tǒng)是靶場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)控體系不可缺少的組成部分，其工作狀態(tài)及精度影響著整個(gè)試驗(yàn)任務(wù)的質(zhì)量與成敗。相比岸基時(shí)統(tǒng)站，試驗(yàn)艦平臺(tái)的時(shí)間同步手段少，在保證同步精度前提下，需重點(diǎn)關(guān)注其可靠性設(shè)計(jì)。同時(shí)還需考慮與現(xiàn)有時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)、用戶(hù)設(shè)備的兼容性，以及滿(mǎn)足未來(lái)精度提升和功能拓展的可擴(kuò)展性需求。

2.1 時(shí)間同步系統(tǒng)功能組成

試驗(yàn)艦PTP時(shí)間同步系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由PTP服務(wù)器、艦載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、PTP同步終端組成。艦船PTP服務(wù)器通過(guò)北斗衛(wèi)星授時(shí)獲得時(shí)間參考源，實(shí)現(xiàn)與岸基主站以及其他艦船時(shí)統(tǒng)站的基源時(shí)間統(tǒng)一。采用PTP協(xié)議通過(guò)艦載網(wǎng)絡(luò)將基準(zhǔn)時(shí)間信息傳遞至各PTP同步終端，通過(guò)PTP同步終端向測(cè)控設(shè)備提供所需的時(shí)碼信號(hào)。這樣，通過(guò)艦船PTP時(shí)間同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星接收到的上游基準(zhǔn)時(shí)間傳輸至末端的測(cè)控設(shè)備的功能，保證了艦岸、艦艦以及全艦艦載分布式測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。

系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)同步方式，如圖2虛線(xiàn)部分所示，在輸入方向保留了1pps+TOD作為參考源，在輸出方向保留IRIG-B碼、1pps+TOD等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻信號(hào)接口。這種冗余式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了新舊系統(tǒng)的兼容銜接，同時(shí)提升了時(shí)間同步系統(tǒng)保障試驗(yàn)任務(wù)的靈活性和可靠性。

2.2 PTP時(shí)間服務(wù)器

PTP時(shí)間服務(wù)器是試驗(yàn)艦PTP時(shí)間同步系統(tǒng)的核心，作為系統(tǒng)主時(shí)鐘和全網(wǎng)時(shí)鐘源，其工作狀影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，總體及組件堅(jiān)持冗余設(shè)計(jì)原則，以提高系統(tǒng)的可靠性。采用雙時(shí)間服務(wù)器設(shè)計(jì)，可設(shè)置手動(dòng)或者采用最佳主時(shí)鐘BMC（Best Master Clock）算法[9-10]自動(dòng)選擇最優(yōu)時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，采取雙機(jī)熱備方式實(shí)現(xiàn)在單臺(tái)服務(wù)器故障時(shí)無(wú)縫切換。

PTP時(shí)間服務(wù)器采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖3所示，主要由北斗、時(shí)頻輸入、頻標(biāo)、時(shí)頻輸出、PTP授時(shí)、B碼輸出、電源、顯示等模塊組成，各模塊間通過(guò)背板總線(xiàn)互聯(lián)并交互信息。采取雙參考模塊設(shè)計(jì)，北斗模塊通過(guò)北斗衛(wèi)星，時(shí)頻輸入模塊通過(guò)1pps+TOD參考信號(hào)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，模塊內(nèi)部配置時(shí)差測(cè)量單元，測(cè)量參考與設(shè)備本地時(shí)間，并將兩者時(shí)差信息送往頻標(biāo)模塊;配置雙冗余原子鐘銣頻標(biāo)模塊，接收參考模塊的時(shí)差信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)本地頻率源校準(zhǔn)和時(shí)間同步，具備守時(shí)功能，并產(chǎn)生1pps+TOD、B（DC）、10MHz等時(shí)標(biāo)信號(hào)，送往總線(xiàn);PTP模塊通過(guò)選切開(kāi)關(guān)選取總線(xiàn)上相應(yīng)頻標(biāo)的1pps+TOD、10MHz信號(hào)維持網(wǎng)絡(luò)時(shí)戳實(shí)現(xiàn)PTP授時(shí)功能;同時(shí)保留1pps+TOD、10MHz、B（DC）三種傳統(tǒng)時(shí)標(biāo)信號(hào)輸出功能。