相對水平度無線差分測量系統(tǒng)對時方案設(shè)計?

劉愛東 王鵬超

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

相對水平度無線差分測量系統(tǒng)是一種以差分測量方式測量分布于艦船不同位置處的各裝備基準(zhǔn)面之間的相對水平度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］。

在艦船航行或系泊狀態(tài)下，受船體搖擺影響，對相對水平度測量只能通過差分測量方式測量，而差分測量方式需要對同一時刻測量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，此時系統(tǒng)內(nèi)時鐘的不同步會造成測量誤差，這要求系統(tǒng)能夠維持一個全局一致的時鐘。

本文通過對GPS（Global Positioning System）外部對時［2］、NTP（Network Time Protocol）網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議［3］和PTP1588時鐘同步協(xié)議［4］等傳統(tǒng)的時鐘同步方法的使用環(huán)境、同步精度等因素的比較，最終選擇使用PTP1588時鐘同步協(xié)議。

2 對時精度需求分析

2.1 系統(tǒng)總體精度要求

相對水平度無線差分測量系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船水平對準(zhǔn)工作，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，用于對準(zhǔn)的測試設(shè)備工作精度至少要達(dá)到被標(biāo)設(shè)備工作精度的1/3。

目前市場上單臺水平儀對水平度的測量精度一般可以達(dá)到2″，對兩平面之間相對水平度測量精度即為4″，因此要求時間同步精度影響的測量精度在2″以上［6］。

對準(zhǔn)工作要求海況風(fēng)力小于3級、海況小于4級。在此海況下，艦船最大搖擺幅度為±0.5°，最短搖擺周期為 6s［7］。

艦船裝備基準(zhǔn)面水平度φ可以近似看做滿足正弦函數(shù)φ=0.5×sin(×t)+φ。當(dāng)基準(zhǔn)面水平度0處于φ=φ0周圍時角度變化速率達(dá)到最快，相同時間同步精度下由于時間不同步造成的測量誤差也達(dá)到最大。此時，角度誤差值2″對應(yīng)的時間誤差約為1ms。因此，時間同步精度要求為1ms。

2.3 對時精度要求

造成系統(tǒng)時鐘不同步的原因包括對時不準(zhǔn)確和守時時鐘漂移。

守時時鐘精度取決于晶振的準(zhǔn)確度，目前市場上通用晶振的準(zhǔn)確度可以達(dá)到 ±1×10-7，即±0.1μs/s。在不考慮對時精度情況下，當(dāng)系統(tǒng)運行時間達(dá)到2.7h，累計誤差將達(dá)到1ms，系統(tǒng)必須重新對時，以保證同步精度合格［8］。

為盡量減少對時次數(shù)，一次對時精度越高越好，最低要求對時精度應(yīng)達(dá)到微秒級。

GPS同步方式無法在甲板以下工作，不適用于本系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境要求。NTR是一種低成本的時鐘同步方案，但其同步精度較低，只能達(dá)到毫秒，不適用于本系統(tǒng)對高精度時鐘同步的需求。PTP1588時鐘同步協(xié)議提供了以較低成本實現(xiàn)亞微秒級同步的方案，滿足系統(tǒng)需求。

水平對準(zhǔn)包括輔基準(zhǔn)對準(zhǔn)，基座對準(zhǔn)，設(shè)備對準(zhǔn)，平臺羅經(jīng)、慣導(dǎo)平臺對準(zhǔn)，其中輔基準(zhǔn)對準(zhǔn)精度要求最高，按照GJB 1233A-2008中5.2.1要求，艦船基準(zhǔn)平臺水平度偏差應(yīng)不大于30″，輔基準(zhǔn)與主基準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于20″，因此要求系統(tǒng)總測量精度應(yīng)高于6 ″［5］。

2.2 同步精度要求

3 PTP 1588協(xié)議

3.1 基本同步原理

PTP系統(tǒng)采用主從層次式結(jié)構(gòu)，通過主時鐘節(jié)點與從時鐘節(jié)點之間同步、跟隨、延時請求、延時響應(yīng)4種類型的同步協(xié)議報文傳輸，獲取從時鐘相對于主時鐘的偏差（offset）和傳輸延時（delay），并進(jìn)一步對從時鐘校準(zhǔn)，適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定的本地化局域網(wǎng)環(huán)境［9］。

其實現(xiàn)機制如圖1所示，從時鐘節(jié)點利用主時鐘節(jié)點傳輸?shù)腡1、T4時間和自身記錄的 T2、T3時間計算從時鐘相對于主時鐘的偏差和傳輸延時。這里假定同步報文與延時請求報文的傳輸延時相同，即路徑是對稱的。

從時鐘相對于主時鐘的偏差和傳輸延時計算公式為

3.2 時鐘模型

PTP 1588協(xié)議中規(guī)定了五種時鐘類型：普通時鐘（Ordinary Clock，OC）、邊界時鐘（Binary Clock，BC）、端到端透明時鐘（End to End Transparent Clock，E2E TC）、點對點透明時鐘（Peer to Peer Transparent Clock，P2PTC）和管理節(jié)點［10］。

3.3 延時測量機制

PTP1588提供了兩種延時測量機制：延時請求-響應(yīng)機制和同等延時機制。延時請求-響應(yīng)機制常常用于包含E2E的網(wǎng)絡(luò)，因此通常稱為E2E延時測量機制；同等延時機制常常用于包含P2P的網(wǎng)絡(luò)，因此通常稱為P2P延時測量機制。

在采用E2E延時測量機制的網(wǎng)絡(luò)中，只在從時鐘計算路徑總延時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他端口均不計算延時。也就是說在E2E延時測量機制中，延時報文交互是在主時鐘和每個從時鐘間進(jìn)行的，每個從時鐘都向主鐘發(fā)送延時請求報文，主鐘對每個從時鐘回答延時響應(yīng)報文。

在采用P2P延時測量機制的網(wǎng)絡(luò)中，每條鏈路的兩個端口都計算本鏈路延時。也就是說在P2P延時測量模式中，延時報文交互是在每條鏈路的兩個端口間進(jìn)行的。

4 相對水平度無線差分測量系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作流程

相對水平度無線差分測量系統(tǒng)主要功能為完成系泊或航行狀態(tài)下艦船各設(shè)備基準(zhǔn)面之間相對水平度的差分測量。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成，其中數(shù)據(jù)傳輸模塊又分為終端、路由和協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸模塊。

其組成結(jié)構(gòu)如圖4，相對水平度測量過程如下：

1）數(shù)據(jù)采集模塊通過水平儀采集所測平面的水平度數(shù)據(jù)，并通過守時時鐘采集對應(yīng)的時間信息數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)采集完畢后，通過有線方式將數(shù)據(jù)傳遞給終端數(shù)據(jù)傳輸模塊，終端數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3）協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊在接收到數(shù)據(jù)后通過筆記本電腦對數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理。

該系統(tǒng)要求系統(tǒng)中所有終端節(jié)點維持一個全局統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)［11］，能夠?qū)Ψ植加诓煌恢玫乃絻x采集到的數(shù)據(jù)在終端處加上準(zhǔn)確的時間戳。

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特點

PTP1588協(xié)議要求應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定、安全的局域網(wǎng)。相對水平度無線差分測量系統(tǒng)是一種層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點固定的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

其網(wǎng)絡(luò)特點如下：

1）采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有明確的中心節(jié)點。

2）中心節(jié)點與特定終端節(jié)點間有唯一確定的鏈狀傳輸路徑。

3）路徑上各節(jié)點相對位置固定，運行后設(shè)備個數(shù)固定，不會隨時投入退出，因此不需要頻繁對時。

4）不同傳輸路徑上的路由節(jié)點相互獨立，即針對特定的路由節(jié)點僅有唯一的上一級節(jié)點和下一級節(jié)點與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此不存在通信路徑之間的PTP報文環(huán)。

5）所有節(jié)點硬件參數(shù)指標(biāo)可視為一致，且路由節(jié)點僅完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

6）正向轉(zhuǎn)發(fā)與反向轉(zhuǎn)發(fā)路徑可視為對稱。

7）各節(jié)點通信速率較低，串口通信波特率為9600bps，空中速率為2400bps。

8）系統(tǒng)對時工作單獨進(jìn)行，不存在PTP事件報文與其他報文間的相互影響，網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載波動少，時間抖動小。

根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)特點可以看出，相對水平度無線差分測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為穩(wěn)定很少變化，很適合用PTP1588進(jìn)行時間同步。

5 PTP協(xié)議在系統(tǒng)中應(yīng)用

5.1 建立主從體系

PTP系統(tǒng)采用主從層次式結(jié)構(gòu)，從時鐘節(jié)點根據(jù)時鐘報文調(diào)整到主時鐘節(jié)點時間。

本系統(tǒng)只存在一個域，選擇中心節(jié)點作為主時鐘節(jié)點，終端節(jié)點作為從時鐘節(jié)點，因為域中只有一個主時鐘，因此主時鐘即為最高主時鐘。

5.2 時鐘模型選擇

為消除路由節(jié)點存在的延時抖動現(xiàn)象，路由節(jié)點一般選擇為邊界時鐘或透明時鐘。

邊界時鐘通過逐級對時的方法減小延時抖動，0透明時鐘通過測量駐留時間，并寫入報文校正域來減小延時抖動。

邊界時鐘方法會造成對時的時間開銷增加。透明時鐘方法造成PTP報文長度增加，在低速率網(wǎng)絡(luò)中也會顯著增加對時開銷。

在相對水平度測量系統(tǒng)中，路由節(jié)點不與多個路徑共享，對時時路由節(jié)點只為對時事件報文服務(wù)，又可以通過對報文格式設(shè)計，使報文長度保持一致，達(dá)到每個對時事件報文通過路由節(jié)點的時間不變的目的，將延時抖動控制在可接受范圍之內(nèi)。此時，可直接將路由節(jié)點看成鏈路的一部分，此時可將駐留延時和鏈路延時統(tǒng)一考慮。

5.3 延時測量機制選擇

由于相對水平度測量系統(tǒng)中邏輯上將路由節(jié)點看做鏈路一部分，不存在多于兩個的其他端口，因此選擇延時請求-響應(yīng)機制，將駐留延時和鏈路延時統(tǒng)一考慮，只在主從時鐘處計算路徑總延時。

5.4 時間戳獲取方法

時間戳的獲取誤差也是影響對時精度的一個重要因素［12］。時間戳的獲取分為兩種情況，一種是接收到報文的時間戳點的時間戳獲取，另一種是發(fā)送報文的時間戳點的時間戳獲取。

設(shè)計中系統(tǒng)采用16位內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)+16位軟件計數(shù)，共32位計數(shù)值作為本地的時鐘值。選取E32-TTL-500無線模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

該模塊在收到數(shù)據(jù)包后，模塊AUX口輸出低電平，并延遲5s后，開始將無線數(shù)據(jù)通過串口TXD引腳發(fā)出，在接收報文時，利用無線模塊所產(chǎn)生的中斷信號來觸發(fā)獲取當(dāng)前時鐘計數(shù)器的值。當(dāng)接收緩存區(qū)輸出最后一位數(shù)據(jù)時，模塊將AUX輸出高電平，利用該引腳此時輸出的上升沿產(chǎn)生接收中斷，獲取此時間戳點的時間戳。

在發(fā)送報文時，利用計時滿時產(chǎn)生的計數(shù)器溢出中斷，將當(dāng)前計數(shù)器值寫入發(fā)送數(shù)據(jù)中，立即發(fā)送。利用此種方法每次時間戳獲取的時刻點抖動非常小，可以較為精確地獲得數(shù)據(jù)發(fā)送前一時刻和剛接收到數(shù)據(jù)的時刻，從而能保證本設(shè)計最終得到較高的同步精度。

5.5 PTP報文設(shè)計

PTP1588規(guī)定所有報文都應(yīng)具有報頭、報體和報尾，報尾長度可以為0，報頭長度34字節(jié)［13］。

該報文對路由節(jié)點速率有較高要求，在低速率網(wǎng)絡(luò)中會顯著增加對時時間，顯然不適合本系統(tǒng)。如在本系統(tǒng)中每增加一個字節(jié)的報文長度，就會造成在每個路由節(jié)點上的駐留時間增加大約70ms，在有共n個路由節(jié)點的系統(tǒng)中對時時間至少會增加n×3×70(ms)，如增加對時精度校驗，則時間開銷增加會更多。為使報文適應(yīng)本系統(tǒng)要求，對PTP報文進(jìn)行裁剪，重新設(shè)計。

本系統(tǒng)應(yīng)用有同步、延時請求、延時響應(yīng)3種類型的同步協(xié)議報文，為使所有報文經(jīng)過路由節(jié)點駐留時間相同，要求每種類型報文長度相同。所有對時報文應(yīng)用統(tǒng)一格式。

表1 報文格式

表2 報頭格式

6 誤差分析

6.1 通信通道的對稱性

從同步原理可以看出，從時鐘相對于主時鐘的偏差和傳輸延時計算都是建立在轉(zhuǎn)發(fā)路徑可視為對稱的假設(shè)基礎(chǔ)上。

本系統(tǒng)雖然對設(shè)備進(jìn)行了針對性設(shè)計，盡可能減小通信通道的不對稱性，但由于多徑效應(yīng)、設(shè)備硬件差異等因素的影響，仍會對對時精度造成一定影響。

6.2 時間戳的準(zhǔn)確性

在PTP協(xié)議中共需要獲取四次時間戳值，包括兩次接收到報文的時間戳點的時間戳獲取，兩次發(fā)送報文的時間戳點的時間戳獲取。

由于不同節(jié)點上無線模塊和晶振時鐘存在差異，獲取的時間戳也會存在誤差，最終導(dǎo)致對時誤差。

7 結(jié)語

本文對PTP 1588協(xié)議的工作原理、時鐘模型和延時測量機制等關(guān)鍵點進(jìn)行了分析，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點和對時精度需求對PTP 1588協(xié)議在相對水平度無線差分測量系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究設(shè)計。

PTP 1588是一個通用的時間同步協(xié)議，在特定系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)此系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特點和對時精度需求，選取合適的機制和參數(shù)，對不滿足系統(tǒng)需求的部分應(yīng)進(jìn)行針對性改進(jìn)設(shè)計。