靶場時統(tǒng)裝置同步誤差實時校準方法與分析

余學鋒，楊 標，張開維

(63870部隊， 陜西 華陰 714200)

【裝備理論與裝備技術】

靶場時統(tǒng)裝置同步誤差實時校準方法與分析

余學鋒，楊 標，張開維

(63870部隊， 陜西 華陰 714200)

針對靶場時統(tǒng)裝置同步誤差校準過程中無法實時獲取校準結果的問題，提出了基于精密時鐘協(xié)議(PTP)的時統(tǒng)裝置同步誤差遠程實時校準新方法，對時統(tǒng)裝置同步誤差實時校準系統(tǒng)的不確定度進行了分析；實驗與分析結果表明：新方法可對同步誤差為1 μs的時統(tǒng)裝置開展實時校準，為事后的數據處理提供時間修正，也可滿足靶場裝備信息化管理需要。

時統(tǒng)裝置；實時校準；同步誤差

時統(tǒng)裝置是構建靶場統(tǒng)一的時間基準和頻率基準，確保測量控制設備同步精確工作的重要保證，也是武器鑒定試驗的關鍵設備之一。在鑒定試驗中，通過該裝置可向參試設備提供標準時間信號和頻率信號。由于測量控制點位多，綿延幾十公里，各分散測控點位之間的時間同步非常重要。因此，時統(tǒng)裝置的時間同步誤差就成為最主要也是最關鍵的技術指標[1]。目前，對時統(tǒng)裝置同步誤差的校準，是將各時統(tǒng)分站搬運到校準中心進行。在實際操作過程中，發(fā)現該技術方法存在不足：一是無法滿足實時性，不能獲得使用過程中的同步誤差漂移數值。由于需要把各測控點的時統(tǒng)裝置拆下，搬運到校準試驗室進行檢測，時統(tǒng)裝置有效工作時間變短。各時統(tǒng)主分站搬運到試驗室校準，得到的只是在試驗室期間各分站與標準時鐘間的同步誤差，只能作為評價設備性能的參考，不能真實反映在試驗現場各分站工作時的時間同步狀態(tài)。二是不能滿足裝備信息化管理需要。由于對裝置的關鍵參數無法實現實時監(jiān)測，因此不能通過監(jiān)測數據預測設備技術性能。另外，如果由于某種原因，各站點測試設備間的時間出現異步，只能在試驗后的數據處理過程中發(fā)現，無法進行修正。

關于時間同步誤差校準問題，文獻[2]提出了采用SOPC技術和GPS授時相結合，通過GPS接收機輸出1 ppm脈沖信號作為測站的時間基準信號進行校準。文獻[3]提出先用短波或電視信號進行一次校時，再用交叉定位精度高的區(qū)域進行二次校時的時間校準。文獻[4]提出了以GPS秒脈沖信號為基準信號，通過CPLD獲得時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖與基準秒脈沖之間的時間差值的方式進行同步誤差校準。這些方法都沒有解決靶場時統(tǒng)裝置同步誤差實時校準的問題。本文提出了一種新的技術方法，就是依托靶場現有的測試控制網絡，建立基于IEEE1588精密時鐘協(xié)議的同步誤差遠程實時校準系統(tǒng)。

1 實時校準方法

1.1 同步誤差校準原理結構

同步誤差遠程實時校準方法拓撲結構如圖1所示。

圖1 同步誤差遠程實時校準方法

由于一般的局域網進行時間信息傳遞時傳遞路由不確定，延時抖動較大(幾百微秒級)，而時統(tǒng)裝置同步誤差的技術指標為1 μs，按照GJB5109對計量校準的有關要求，測量不確定度比應為1∶4以上。因此，直接通過局域網進行時統(tǒng)裝置同步誤差網上校準是不可想象的。必須在現有網絡平臺上進行二次開發(fā)，采用新技術，使網上時間信息傳遞能夠滿足同步誤差校準需要。

IEEE 1588精密時鐘同步協(xié)議(PTP)的出現[5]，在測量控制領域引起一場技術性革命，它使原來基于順序的收發(fā)命令式的數據采集傳輸模式，轉變成以精確時間為基準的時間表模式的主動數據采集傳輸模式，增加了測量控制系統(tǒng)的靈活性和主動性。因此，根據IEEE 1588協(xié)議，設計出滿足時統(tǒng)裝置同步誤差測試需要的校準方法，將會給目前的高精度遠程實時測量控制領域提供一個新的應用實踐。

1.2 基于PTP的時間同步誤差校準系統(tǒng)測量原理

時間同步誤差校準系統(tǒng)主要由自行研發(fā)的時間校準儀、同步精度實時測量儀以及計算機組成。時間校準儀通過局域網將UTC時間以高精度傳遞給同步精度實時測量儀，同步精度實時測量儀則實時測量各時統(tǒng)分站的B碼秒脈沖輸出與UTC的時間同步誤差。所有測量結果經計算機專用軟件處理，給出時統(tǒng)各分站間的同步誤差。實際測量分三個過程，分別是調諧過程、偏移測量和延遲測量過程。

1) 調諧過程。時間校準儀和同步精度實時測量儀在進行同步之前，首先需要進行調諧，利用調諧的結果修正同步精度實時測量儀時鐘產生的時間戳。

時間校準儀時鐘周期性(默認每2 s一次，可設)地發(fā)送Sync報文，其發(fā)出時間為Mi(由時間校準儀時鐘提供并經過鏈路延遲補償)，接收時間為Si(由同步精度實時測量儀時鐘提供)，經過一段時間以后，利用一系列的Mi和一系列的Si，使同步精度實時測量儀時鐘的時間變化率與時間校準儀時鐘的時間變化率對齊，調整同步精度實時測量儀時鐘的時間變化率，這一過程稱為同步精度實時測量儀時鐘與時間校準儀時鐘的調諧過程?？梢允褂枚邥r鐘頻率的比值RCF，對同步精度實時測量儀時鐘的時間變化率進行調整。RCF是以某一幀Sync報文為起點(時間校準儀時鐘的時間為Mi，同步精度實時測量儀時鐘的時間為Si)，到下一幀發(fā)送間隔后的Sync報文(時間校準儀時鐘的時間為Mi+1，同步精度實時測量儀時鐘的時間為Si+1)之間，二者時鐘的流逝時間的比值[6]，即：

(1)

2) 偏移測量過程。在調諧穩(wěn)定后即進入偏移測量過程。如圖2(a)所示，時間校準儀發(fā)出同步報文，采用多播形式發(fā)出，在測試網上的N個同步精度實時測量儀都將收到同步報文。同步精度實時測量儀收到同步報文后，根據同步報文的時間戳和報文在網絡傳輸中的時間延時，計算出與時間校準儀的時間偏差[7]。同步計算方式如下：

(2)

(3)

從端口A到端口B的延時為：

(4)

假設端口A到端口B和端口B到端口A的平均網路延遲時間相同，即Dms=Dsm，則端口A與端口B間的網路延遲時間D為：

(5)

把式(3)和式(4)代入式(5)化簡得：

(6)

利用Pdelay_Req信息包來測量平均網路延遲時間不需要Sync信息包，是一個獨立的測量過程，可以直接使用預先測量的時間校準儀與同步精度實時測量儀之間的點對點平均網路延遲時間。延遲測量是不規(guī)則進行的，其測量間隔時間為1～30 s 之間的隨機值，這樣可以使網絡的負荷不會太大。這種測量模式的引入使得在同步的執(zhí)行過程中更加精確、靈活、方便。

當時間校準儀和同步精度實時測量儀完成時間同步后，就意味著同步精度實時測量儀具備了時間同步測量校準的條件，可以通過采集B碼時間信息實現對分控站同步精度的校準。

(7)

偏移測量和延遲測量過程如圖2所示。時間校準儀將準確的發(fā)送時間通過跟隨報文Follow_Up發(fā)出，同步精度實時測量儀收到Follow_Up報文后，根據計算出與時間校準儀時間的偏差，對自身時鐘進行調整，完成同步過程。

圖2 偏移測量和延遲測量示意圖

2 校準系統(tǒng)同步誤差實驗分析

為了通過實驗驗證時間校準儀與同步精度實時測量儀的時間同步性能，將時間校準儀時鐘設置為接入GPS時間源的主時鐘，同步精度實時測量儀時鐘為端節(jié)點時鐘，對時統(tǒng)終端輸出的B(DC)碼1 pps 信號進行測量。同步精度實時測量儀時鐘與時間校準儀時鐘分兩種情況連接，一是用光纖直連，二是與中間有五臺交換機的局域網相連。與此同時，采用Agilent 53132A計數器也對時統(tǒng)終端輸出的B(DC)碼1 pps信號進行測量，Tektronix7104C數字示波器作為輔助監(jiān)測。對同步精度實時測量儀與53132A計數器測量結果進行比對。即用計數器測得的時間校準儀1 pps輸出與時統(tǒng)終端1 pps輸出的差值作為標稱值，與用同步精度實時測量儀測得的時統(tǒng)終端的1 pps輸出值進行比較，從而得到經過網路傳輸后同步精度實時測量儀與時間校準儀同步誤差。測試驗證如圖3所示。

首先，將時間校準儀與同步精度實時測量儀通過一根光纖網線直接連接，對時統(tǒng)終端輸出的B(DC)碼1 pps信號進行測量，將其測得值與用計數器測量值進行比較。然后，將時間校準儀與同步精度實時測量儀之間接入5個支持IEEE-1588透明時鐘的網絡交換機，待二者的IEEE1588時鐘節(jié)點同步后，記錄同步精度實時測量儀測得的時統(tǒng)終端的1 pps輸出值。測量過程均通過計算機自動采集10 000次同步精度實時測量儀與計數器比對結果，觸發(fā)電平為1.5 V，數據處理結果如圖4所示?？梢钥闯?，當時間校準儀與同步精度實時測量儀之間為光纖直連情況下，二者網路傳輸引起的平均誤差為59 ns。中間有五臺交換機的局域網相連情況下，網路傳輸引起的平均誤差為161 ns。由實驗可以看到時間校準儀與同步精度實時測量儀時鐘之間保持了200 ns以下的時間同步精度，可以滿足對發(fā)控系統(tǒng)同步精度1 μs時的測試要求。

圖3 同步精度實時測量儀同步性能實驗驗證原理圖

圖4 時間校準儀與同步精度實時測量儀同步性能誤差分布

上述測試是在校準系統(tǒng)同步誤差專用測試網中進行，搭載在試驗測試網時應考慮運行程序時網絡的拓撲結構和流量的影響，因此還需對校準系統(tǒng)的同步性能進行不確定度分析。

3 校準系統(tǒng)測量不確定度分析

3.1 網絡傳輸延時抖動引起的不確定度

引起網絡傳輸延時抖動的主要原因有通訊通道的不對稱性、網絡的拓撲結構以及通信棧延時等[9]。

從時統(tǒng)裝置同步誤差校準原理可以看出，同步精度實時測量儀為計算其網絡延遲和時鐘偏移所進行的四次測量都是建立在一個假設的基礎上，即報文的傳輸延遲在傳輸方向上是相同的。但實際中局域網電纜在設計時采用了很小的不對稱設計，用以減小遠程末端的串擾。同時，校準系統(tǒng)所基于的網絡拓撲結構采用了一定量的網絡交換機也會產生網絡延遲的抖動，雖然采用了透明時鐘方法使交換機成為網絡中的一個PTP節(jié)點，近似網絡中就只存在點對點的連結，有效降低了校準系統(tǒng)各時鐘之間的延遲抖動。但實際情況交換機仍然存在一定的網絡延遲的抖動，由于線路延時主要由通信棧延時和物理網絡上傳輸的延時組成，當數據在一個沒有存儲轉發(fā)功能的網絡中進行通信時，由物理網絡所產生的線路延時一般是穩(wěn)定的，而通訊棧延時則會由于外界的影響產生較大的抖動。圖5是網絡傳輸延時示意圖。

圖5 網絡傳輸延時示意圖

對于一個100 Mbps的局域網來說，電信號在銅線或光纖里的傳播速度約為光速的2/3，理論上傳輸延時抖動大概為50 ns，且與幀長無關。通過綜合對各類網絡的專業(yè)測試以及仿真實驗驗證的統(tǒng)計結果，并取統(tǒng)計量中的最大值，可以得到由于通訊通道的不對稱性、網絡的拓撲結構以及通信棧延時所引起的不確定度小于150 ns。

3.2 時鐘的穩(wěn)定性引起的不確定度

(8)

在校準系統(tǒng)中各時鐘運行速度不同將導致各個站點時鐘在同步的時隙中，偏差呈一定的斜率變化。若一個站點時鐘內晶振的頻率為f，頻率穩(wěn)定度為δ，則其實際的頻率可以表示為[10-11]：F=f±f×δ，函數f(x,y)=x-y，在點(x0,y0)展開并忽略高次項有：

(9)

Δf′是變量x和y進行運算后的函數f(x,y)在(x0,y0)處的誤差。

時間校準儀和同步精度實時測量儀(以下簡稱為主從設備時鐘)中采用的晶體振蕩器的參數：主設備晶振頻率為fM0,頻率穩(wěn)定度為δM；從設備晶振振蕩頻率為fS0，頻率穩(wěn)定度為δS。主從設備的晶振頻率可以表示為

(10)

(11)

式(10)、式(11)代入式f(x,y)=x-y中，然后將f(x,y)、fM0、fS0、δM和δS分別代入到式(9)中的f(x,y)、x0、y0、Δx和Δy。最后得到時間校準儀和同步精度實時測量儀的兩個晶振之間的頻率誤差Δf為

(12)

當內部晶振選擇相同的頻率值，則有fM0=fS0=f0，可以得到：

(13)

校準系統(tǒng)在各站間設備的時鐘通常由脈沖計數的方式實現，在時間同步過程中，時間校準儀時鐘是同步的基準時鐘，它不需要糾正，可假設其時鐘是絕對準確的，所以同步精度實時測量儀時鐘的誤差就為Δf。它們各自時鐘的計數值表示為CM(t)=fM×t和CS(t)=fS×t，同步精度實時測量儀時鐘的時間計數偏移量為：

(14)

由前面的分析可得時間校準儀和同步精度實時測量儀設備間的晶振誤差：

(15)

每一次計數，同步精度實時測量儀需要的時間為1/f0，所以由同步精度實時測量儀的時間計數偏移量很容易得到其內部時鐘的時間偏移量：

(16)

假設每次同步過程的時間間隔為T0，將其帶入式(16)，就可得到各站間設備受晶振穩(wěn)定度影響產生的最大的時間偏移量：

(17)

本文中時間校準儀的頻率穩(wěn)定度為3×10-11/s，相比較而言其對同步誤差的影響可以忽略。主要考慮端各站點同步精度實時測量儀時鐘頻率穩(wěn)定度的影響，一般為0.03 ppm，則兩個站點上時鐘在同步周期內(2 s)產生的偏差最大可到0.03×10-6×2×2=120 ns。

3.3 時統(tǒng)設備校準系統(tǒng)合成不確定度

網絡傳輸延時抖動引起的不確定度：

u1=150 ns

時鐘的穩(wěn)定性引起的不確定度：

u4=120 ns

合成不確定度為

4 結論

時統(tǒng)裝置同步誤差遠程實時校準系統(tǒng)的建立克服了現行校準方法遂行保障能力差、實時性不好的不足，可實現對時統(tǒng)裝置同步誤差的遠程實時校準，并且當時間同步出現偏差時可在試驗后的數據處理中給予修正，滿足了裝備信息化管理需要。

通過對校準系統(tǒng)的不確定度分析及評定，得到校準系統(tǒng)的合成不確定度為192 ns。可以完成對同步誤差指標1 μs時統(tǒng)裝置的校準。該校準方法所提供的原位校準手段，既方便了周期校準溯源，又可進行試前檢測校驗，有效提高了時統(tǒng)裝置性能參數及時間基準的可靠性。

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(責任編輯 周江川)

Analysis of Real-Time Synchronization Error Calibration Method for Range Clock Synchronization Systems

YU Xue-feng, YANG Biao, ZHANG Kai-wei

(The No. 63870thTroop of PLA, Huayin 714200, China)

Deal with the question of synchronization errors calibration for that range clock synchronization systems can not be obtained in real-time when clock synchronization systems are actually working, a method based precision clock synchronization (PTP) was proposed and the uncertainties of the new real-time calibration system for clock synchronization systems synchronization error were analyzed and calculated. The experiment and analysis results show that the new method can achieve calibration for synchronization systems index 1 μs, and it can give the corrections of real time for synchronization errors. And it can meet the requirements for equipment information management.

clock synchronization system; real-time calibration; synchronization error

2016-10-08；

2016-11-29 基金項目：原總裝備部電子信息基礎部項目(AJZZ1132.01)

余學鋒(1963—)，男，碩士，高級工程師，主要從事兵器試驗與裝備測試研究。

10.11809/scbgxb2017.03.005

余學鋒，楊標，張開維.靶場時統(tǒng)裝置同步誤差實時校準方法與分析[J].兵器裝備工程學報，2017(3):22-26.

format:YU Xue-feng, YANG Biao, ZHANG Kai-wei.Analysis of Real-Time Synchronization Error Calibration Method for Range Clock Synchronization Systems[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):22-26.

TB939;TB206.1

A

2096-2304(2017)03-0022-05