基于空間網絡的時間同步技術研究

陸翔，劉健，程子敬，林楷，劉建勛

（航天恒星科技有限公司 北京　100086）

基于空間網絡的時間同步技術研究

陸翔，劉健，程子敬，林楷，劉建勛

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

研究了一種基于鄰近空間兩航天器相對靜止條件下，對錯誤包、重復包、亂序包具有一定容錯能力的新型空間網絡時間同步協議。其次，考慮空間網絡時間同步協議中兩航天器相對運動的情況，利用STK與Matlab軟件聯合建立異軌航天器時間同步于分發的仿真過程，并通過兩航天器之間的相對距離、相對距離變化率和時間同步誤差曲線分析航天器相對運動對時間同步精度的影響。最后，在航天器軌道已知的條件下，使用一種誤差曲線擬合的補償方法，降低新型空間網絡時間同步協議在相對運動狀態下應用的同步誤差，明顯改善時間同步的誤差的范圍。

鄰近空間；相對運動；時間同步；空間網絡；仿真計算；曲線擬合

Mills等人以地面網絡中的NTP Interleaver On-Wire［3］協議為藍本，設計了一個基于時間信息交換類似于網絡時間同步協議的PITS（Proximity-1 Space Link Interleaved Time Synchronization Protocol，PITS）協議，該協議結合了CCSDS提出的CCSDS Proximity-1 Space Data Link協議［3］的時間獲取能力，成為未來利用空間網絡進行航天器的時間分發與同步的趨勢。

PITS算法通過在鄰近空間鏈路上進行雙向時間傳遞，提供更快時間同步能力，提高數量日益增長航天器的可量測性，降低采集時間樣本存儲空間，并依靠底層的協議提供健全的防數據丟失與混亂的功能。

1　PITS協議原理及特性分析

在深空通信中，以軌道飛行器作為時間同步服務器，使用時間同步協議向其他各個鄰近航天器提供本地時間同步與分發服務直到地球鏈路恢復認為是今后的發展趨勢。PITS協議最初是為了鄰近空間中航天器的時間同步而設計的，其在火星軌道飛行器與火星車的時間同步應用中得到了很好的運用與發展。

1.1時間戳同步原理

時間戳同步原理是網絡時間同步NTP的核心，同樣也是PITS的重要組成部分。如圖1所示，含有準確時間信息的節點A被定為時間服務器端，需要時間服務器進行時間同步的節點B作為時間客戶端。設從節點A到節點B與從節點B到節點A的路徑是對稱的，光單向傳播時間（one way light time，OWLT）是雙向路徑時間（round-trip time，RTT）延遲的一半。當每個節點獲得4個連續的時間戳：（例如在圖 1中t1、t2、t3、t4對于節點A，t3、t4、t5、t6對于節點B），RTT（雙向路徑時間）延遲和補償將由下面公式計算得到。

圖1　網絡時間同步過程示意圖Fig.1　Illustration of time synchronization process

對于節點A，利用往返時間戳信息可計算兩節點間的時間差后，可進行時間自動校正。

主控制器選用的STM32F103ZET6作為MCU,該芯片在ARM架構下基于Cortex-M3內核,主要有3個優點:(1)最高工作頻率可達72 MHz,內部含有512 kbyte的FLASH和64 kbyte的SRAM,并且可根據需要進行外擴,滿足大內存和大數據存儲,可以保證主控制器的傳輸速度和穩定性;(2)接口眾多且封裝小,有利于減少模塊的尺寸,符合現如今嵌入式設備向微型化和高集成度發展的趨勢;(3)該芯片含有 112個IO口,具有 144 pin 豐富的管腳資源,以及13個通信接口,能夠與外圍設備實現無縫集成,功能強大,在本系統中可同時實現以太網與無線WIFI的高速通信。

式（1）加式（2），得

同理，對于節點B，

1.2PITS協議及其特性

PITS協議是一個全面的時間交換協議，屬于一種簡單詢問與應答機制，其規定在兩個航天器之間交換時間信息的方式。PITS的目的是提供獲取與交換更為精確的、可靠的時間戳方法，降低被標記時間戳的航天器與實際時間信息之間的差異。在PITS算法里，時間信息存入SpNTP（Space NTP）數據包，之后封裝進 CCSDS Proximity-1 Timestamp標準下的SPDU（Supervisory Protocol Data Unit）進行節點之間的信息交換。同時，PITS協議還是一種狀態協議，主要收集有效載荷中SpNTP封裝入的各種時間信息，具體時間戳與狀態變量如表1所示。PITS利用每個節點時間戳信息以及各狀態變量計算RTT時延與時間補償offset。

表1　PITS使用的時間戳與狀態變量Tab.1 Timestamp and state variables used in PITS

1.2.1PITS的工作方式

PITS有以下3種運行模式［5］：基本對稱模式BSM（Basic S-ymmetric Mode）、交叉存取對稱模式ISM（Interleaved Symmetric Mode）和廣播模式BM（Broadcasting Mode）。

1）BSM工作模式

時間服務器A將發送時間戳封裝入SpNTP中，并將Sp-NTP包通過SPDU發送給B。每個torg和trec分別存儲接收到的狀態變量rec，目的地時間戳狀態變量dst。發送起始時間戳之前，狀態變量aorg存儲目前的本機時間。SpNTP包發送結束后，txmt就會含有時鐘信息。B收到SpNTP后，更新本地rec、dst、org等狀態變量，并將新的時間信息通過SpNTP發送回去。從A接收到SpNTP包后，B中的rec狀態變量存儲txmt時間戳；dst狀態變量存儲B當前接收到的本機時鐘。整個BSM方式中數據包的交換過程與圖1相一致，圖2為每個節點內狀態變量在各個時刻的變化過程［3］。其中，有點的方格為航天器的系統時鐘，系統時鐘將SpNTP包的發送或接收時間標記。具體有效載荷數據包的更新以及狀態變量的更改依據文獻［1～3］中的發送與接收過程。

圖2　BSM模式下SpNTP包和狀態變量的示意圖Fig.2　llustration of basic mode showing SpNTP packet and state variables

2）ISM工作模式

ISM工作模式下SpNTP包的格式與基本模式是一樣的。ISM模式比BSM模式多了一個狀態參量borg。此時，aorg存儲每一個偶數（或奇數）時間信息，而borg存儲每一個奇數（或偶數）起始時間戳［3］，如圖3所示。

圖3　ISM模式下SpNTP包和狀態變量的示意圖Fig.3　llustration of interleaved mode showing SpNTP packet and state variables

SpNTP發送過程中，ISM的發送時間戳在其發送SpNTP包后才被得到，其時間戳信息將在下一個發送過程放入SpNTP進行處理。因此，當前發送時間戳與SpNTP包傳輸后即被近物理層記錄的發送時間更為接近，接收方接收帶有發送時間戳信息的SpNTP數據包后，立即得到更加精確的、與物理層發送SpNTP包的時間相接近的發送時間戳。這也造成ISM模式下需要傳送比BSM模式多2輪的SpNTP包用以進行時間信息的同步。

1.2.2PITS的容錯性

由于空間環境的嚴酷性，在SpNTP數據傳輸過程中可能會發生一些錯誤。為了在環節出現嚴重錯誤的情況下還能得到正確的結果，容錯性對協議來說是至關重要的，需要持續保障的。容錯性［6］是指協議不會傳遞錯誤數據包，并將包內不正確的信息傳給更高一層進行offset補償和RTT延時計算。PITS協議提供處理錯誤包、亂序包和重復包等情況的能力，這3種情況下PITS正常工作體現了PITS較好的容錯性。

2　相對運動環境下PITS協議的誤差分析與補償驗證

由于空間環境極其復雜，航天器狀態不斷變化，造成星間的鏈路有可能受到來自各個方面因素影響［9］。本文在忽略太陽輻射、電離層、Sagnac效應等外界空間環境對星間鏈路影響的前提下，突破PITS限制的“進行時間同步的兩個航天器相對靜止”這一條件，利用STK與Matlab聯合仿真分析能力，建立兩個鄰近空間航天器進行PITS過程空間仿真模型，分析由于航天器相對運動造成的PITS同步時間誤差。在

STK采集到的毫秒級數據基礎上，利用大數據曲線擬合的思想，使用Matlab提供的cftool工具箱獲得兩個航天器之間相對距離變化曲線，人為提高計算精度去分析高精度的時間同步誤差。

2.1航天器相對運動下PITS同步性能的Matlab分析

仿真場景中主要有兩個航天器（SS與Small_Sat）。令航天器Small_Sat與航天器SS在同一軌道面，但其為大橢圓軌道，且航天器Small_Sat的軌道周期TSmall_Sat為航天器SS軌道周期TSS的3倍。根據PITS協議的原理，由于航天器之間星間鏈路的傳播時延隨兩個航天器的相對距離變化而變化，兩個有相對運動的航天器，其鏈路往返時延不相等。因此，公式（3）將變為：

在航天器有相對運動的前提下，PITS的同步誤差主要來源于時間同步數據包往返時延不一致，造成航天器每次時間同步其誤差與相對距離變化率和相對距離有關，而這個誤差值為圖4為航天器Small_Sat周期內與航天器SS相對距離和相對距離變化率的曲線。

圖4　航天器Small_Sat周期內相對距離與相對距離變化率Fig.4　Range and range rate between Small_Sat and SS in period of Small_Sat

利用Matlab大數據曲線擬合的方式構造兩個航天器相對距離的曲線方程，按照PITS協議的BSM工作模式、單向傳播時延公式（設定航天器PITS硬件處理時延為1μs）以及高階最小二乘（或傅里葉）擬合逼近的兩個航天器相對距離曲線，計算得到一次時間同步過程中的時間同步誤差，圖5、圖6、圖7中的藍線為第一、二、三可見時間范圍的PITS時間同步誤差。

圖5　時間同步誤差與補償后誤差（第一段可視范圍）Fig.5　Time synchronization errors and time synchronization errors after offset（Section 1）

圖6　時間同步誤差與補償后誤差（第二段可視范圍）Fig.6　Time synchronization errors and time synchronization errors after offset（Section 2）

圖7　時間同步誤差與補償后誤差（第三段可視范圍）Fig.7　Time synchronization errors and time synchronization errors after offset（Section 3）

2.2PITS時間同步誤差補償

由以上曲線可以看出，在航天器［9］相對距離較遠、相對運動較大的時候，PITS的時間同步誤差相對較大；在航天器相對距離較遠、相對運動較小以及航天器相對距離較近、相對運動較大的情況下，由相對運動引起的PITS時間同步誤差則比較小。在兩個航天器軌道已知的情況下，可以預估PITS時間同步誤差曲線，利用誤差曲線構造補償曲線變成為可能。考慮星載計算機的性能與功耗，使用相對接近誤差曲線的對稱曲線進行誤差補償，可以有效的降低PITS時間同步的誤差。在上面仿真場景中，使用3階誤差補償曲線，能將時間同步誤差將低1個數量級。補償后的時間同步誤差如圖5、圖6、圖7中的灰色曲線。

3　結　論

在所建場景下通過以上圖示，可以看出隨著相對速度與相對距離的變化，使用PITS協議進行空間網絡時間同步的誤差一般多為十幾微秒級，且同步精度與航天器相對距離和徑向速度有關，相對距離越小、徑向速度越快，則PITS同步誤差越小。考慮鄰近空間的定義與PITS應用條件的限制，在航天器相對運動的情況下，PITS時間同步誤差可控制在毫秒量級以下。利用預測已知軌道時間同步誤差曲線擬合補償方法，可以明顯降低誤差的范圍，使本場景下的同步誤差曲線更為平滑。在深空通信中，只需利用軌道器上精確的時鐘，便可為行星地表的探測器與相鄰航天器提供時間同步的服務。PITS還處于剛剛起步階段，深入研究PITS的使用機理與補償方式，可為我國深空探測［10］及天地一體化網絡服務提供可靠的時間分發與同步手段。

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The research of space network time synchronization technology is on the base of the orbit prediction

LU Xiang，LIU Jian，CHENG Zi-jing，LIN Kai，LIU Jian-xun
（Space Star Technology CO.，Ltd，Beijing 100086，China）

In this work，we consider a new space network time synchronization protocol which is capable of cope with error packets，duplicate packets as well as disorder packets base on two spacecraft under relatively static condition in proximity-1 space.Secondly，we analyze the synchronization performance of this protocol via relative range and range rate between the two spacecraft with combinations of Matlab and STK simulation software in case of the relative motion with spacecraft.Finally，this paper utilizes a error curve fitting compensating method to improve space network time synchronization protocol time synchronization accuracy in the application of the relative movement condition.It is significant improvement in time synchronization errors.

proximity space；relative motion；time synchronization；space network；simulation；curve fitting

TN915

A

1674－6236（2016）05-0138-04

2015-04-08稿件編號：201504069

陸 翔（1989—），男，北京人，碩士研究生。研究方向：空間通信與空間網絡。