試驗艦PTP時間同步系統設計

黃富良

摘要：針對當前靶場試驗艦時間同步系統的不足，設計了一種基于PTP協議的高可靠性時間同步系統。研究分析PTP同步原理，重點結合試驗艦測控同步需求和艦載網絡特點，提供了具體的方案設計和PTP授時模塊的硬件實現。系統采用標準化通用模塊設計，兼容原有時間同步系統，并具有良好的擴展性。仿真測試驗證系統在非PTP鏈路上可實現微秒級同步，適用于試驗艦分布式測控場景下的高精度時間的靈活接入，為試驗艦時間同步系統網絡化遷移部署提供有益參考。

關鍵詞：時間同步;PTP協議;IEEE1588標準;測控系統

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）08-0165-05

0 引言

試驗艦是靶場開展海上試驗任務的重要平臺。試驗艦中安裝多類型的測量控制系統，各系統間的聯合測量需要精密的時間統一。目前部分試驗艦安裝了專用的時間統一系統，采用專線方式將IRIG-B碼從時間服務器傳輸至艙室固定安裝的末端轉接箱，再通過轉接箱將時間信息接入至各測控系統。由于采用專線與固定末端轉接箱，且接口有限，限定了測控系統的安裝位置和接入數量，難以滿足現代試驗艦大量分布式測控系統對時間同步信號靈活接入需求。

隨著網絡信息技術發展，現代艦船具有通達全艦的網絡系統。利用艦載網絡系統接入與傳輸高精度時間，可有效解決現有試驗艦現有時統接口不足及布線問題。通用的網絡時間同步協議主要有NTP（Network Time Protocol）和PTP（Precision Time Protocol）[1]。其中，NTP協議應用廣泛，但其同步精度通常為毫秒級[2-3]，不能滿足試驗測控高精度同步要求。PTP協議可實現微秒級的時間同步精度[4]，且較NTP協議占用更少的網絡資源，更適合在以太網傳輸的網絡系統使用[5]。采用基于PTP協議和現有艦載網絡平臺的同步系統設計，減少專用線纜的重新布設，便于多設備靈活接入，可很好地解決原有時間同步系統的不足，非常適用于試驗艦分布式測量系統的時間同步。

1 PTP時頻同步原理

PTP協議，也稱為IEEE 1588標準，是利用網絡通信技術進行測量和控制時鐘精確同步的協議[6]。PTP協議通過記錄主從時鐘設備之間事件報文交換時產生的時間戳，計算出主從時鐘之間的路徑延遲和時間偏移，實現主從時鐘設備之間的時間和頻率同步[7]。

PTP計算平均路徑時延包括延時請求響應機制（E2E）和對端時延機制（P2P）兩種。本文以E2E機制在雙步時鐘模式為例說明PTP時間同步原理，其同步過程如圖1所示。

（1）建立主從關系后，主時鐘設備在時刻Tm1向從時鐘設備發送Sync報文，從時鐘設備在時刻Ts1接收到Sync報文;

（2）隨后主時鐘設備在Follow_Up報文中將時間戳Tm1傳送至從時鐘設備，從時鐘設備從接收到的Follow_Up報文中提取時間戳Tm1;

（3）從時鐘設備在時刻Ts2發送Delay_Req報文給主時鐘設備;

（4）主時鐘設備在時刻Tm2接收到Delay_Req報文，隨后通過Delay_Resp報文將時間戳Tm2發送給從時鐘設備。經過一個報文周期后得到Tm1、Ts1、Tm2、Tm2四個時值戳[8]。

上述報文離開和到達時打戳的時鐘都是基于本設備內部的系統時鐘。

假設主時鐘到從時鐘的發送路徑延時是Tms，從時鐘到主時鐘的發送路徑延時是Tsm，從時鐘和主時鐘之間的時間偏差為Toffset，則有：

PTP協議不僅可實現主從鐘的時間同步，還可實現主從鐘的頻率同步。主時鐘設備周期性地發送Sync報文，主從時鐘分別記錄收發對應的時戳值，通過比較相同時間間隔內主從時鐘的時戳值差，利用差值修正從鐘的頻率，進而實現主從鐘的頻率同步。

2 PTP時間同步系統設計

時間同步系統是靶場試驗測控體系不可缺少的組成部分，其工作狀態及精度影響著整個試驗任務的質量與成敗。相比岸基時統站，試驗艦平臺的時間同步手段少，在保證同步精度前提下，需重點關注其可靠性設計。同時還需考慮與現有時統系統、用戶設備的兼容性，以及滿足未來精度提升和功能拓展的可擴展性需求。

2.1 時間同步系統功能組成

試驗艦PTP時間同步系統組成如圖2所示，主要由PTP服務器、艦載網絡系統、PTP同步終端組成。艦船PTP服務器通過北斗衛星授時獲得時間參考源，實現與岸基主站以及其他艦船時統站的基源時間統一。采用PTP協議通過艦載網絡將基準時間信息傳遞至各PTP同步終端，通過PTP同步終端向測控設備提供所需的時碼信號。這樣，通過艦船PTP時間同步系統實現了從衛星接收到的上游基準時間傳輸至末端的測控設備的功能，保證了艦岸、艦艦以及全艦艦載分布式測控系統的時間統一。

系統保留了傳統的時統同步方式，如圖2虛線部分所示，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等標準時頻信號接口。這種冗余式設計，實現了新舊系統的兼容銜接，同時提升了時間同步系統保障試驗任務的靈活性和可靠性。

2.2 PTP時間服務器

PTP時間服務器是試驗艦PTP時間同步系統的核心，作為系統主時鐘和全網時鐘源，其工作狀影響著整個系統的運行，總體及組件堅持冗余設計原則，以提高系統的可靠性。采用雙時間服務器設計，可設置手動或者采用最佳主時鐘BMC（Best Master Clock）算法[9-10]自動選擇最優時鐘作為主時鐘，采取雙機熱備方式實現在單臺服務器故障時無縫切換。

PTP時間服務器采用模塊化設計，如圖3所示，主要由北斗、時頻輸入、頻標、時頻輸出、PTP授時、B碼輸出、電源、顯示等模塊組成，各模塊間通過背板總線互聯并交互信息。采取雙參考模塊設計，北斗模塊通過北斗衛星，時頻輸入模塊通過1pps+TOD參考信號獲取標準時間，模塊內部配置時差測量單元，測量參考與設備本地時間，并將兩者時差信息送往頻標模塊;配置雙冗余原子鐘銣頻標模塊，接收參考模塊的時差信息以實現對本地頻率源校準和時間同步，具備守時功能，并產生1pps+TOD、B（DC）、10MHz等時標信號，送往總線;PTP模塊通過選切開關選取總線上相應頻標的1pps+TOD、10MHz信號維持網絡時戳實現PTP授時功能;同時保留1pps+TOD、10MHz、B（DC）三種傳統時標信號輸出功能。