基于PTP授時的同步精度測試方法研究

王崢浩（中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京，100041）

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基于PTP授時的同步精度測試方法研究

王崢浩
（中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京，100041）

隨著現(xiàn)代武器打擊精度的提高，指控系統(tǒng)對時間同步的要求也隨之提高，這就對系統(tǒng)授時方案中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、主時鐘以及授時板卡的時間同步精度提出了新的要求。本文主要針對PTP授時方案中的對時精度給出測試方案。測試結(jié)果表明，PTP授時模式可滿足系統(tǒng)對時間同步精度的需求。

北斗對時；守時精度；同步精度；授時板卡

0　前言

時間同步精度關(guān)系到一個國家地區(qū)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行和國防安全，因此探索研究高精度的時間同步手段得到了世界各國的重視。隨著現(xiàn)代武器打擊精度的提高，軍方的指揮系統(tǒng)對時間同步的精度要求也越來越高。PTP時鐘同步方案能為整個系統(tǒng)提供亞微秒級的同步精度，從而保證命令下達(dá)的實時性，保證各級指揮控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在統(tǒng)一的時間尺度下工作。因此，對時精度對于指揮控制系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。

IEEE1588v2（簡稱PTP），即精確時鐘同步協(xié)議，是一個允許通信網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點通過時鐘報文的傳播，從而達(dá)到與連在同一個網(wǎng)絡(luò)中的主時鐘同步的協(xié)議。它通過提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定時同步能力，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時同步。其基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機(jī)）的內(nèi)時鐘和主控機(jī)的主時鐘實現(xiàn)同步，提供同步建立時間小于10μs的應(yīng)用，使整個網(wǎng)絡(luò)的定時同步指標(biāo)得到顯著的改善。

PTP作為新一代的精確時鐘同步協(xié)議，相比于NTP，具有高精度，支持多種時鐘同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌猿謱W(wǎng)絡(luò)變動的自適應(yīng)等優(yōu)勢，目前已成為主流授時方案。

1　測試系統(tǒng)搭建

以往的研究更多的是關(guān)注衛(wèi)星的授時精度，本文主要研究從北斗天線到服務(wù)器系統(tǒng)的時間精度。本文按照某指控系統(tǒng)的需求，搭建了簡易的系統(tǒng)對時模型，并設(shè)計了相關(guān)測試方案，對主時鐘的守時精度、板卡的同步性能以及對服務(wù)器的授時精度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明基于PTP的授時模式可滿足指控系統(tǒng)對時精度的要求。

系統(tǒng)對時方案主要由蘑菇頭衛(wèi)星天線、KW-2200主時鐘、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、KW-800授時板卡以及若干服務(wù)器組成，授時卡安裝于服務(wù)器或計算機(jī)的PCI插槽中。

天線接收北斗衛(wèi)星信號后，發(fā)送到時間服務(wù)器，時間服務(wù)器解算出時間信息，通過交換機(jī)將IEEE1588協(xié)議時統(tǒng)信號再發(fā)送到授時卡給相關(guān)設(shè)備授時，從而實現(xiàn)系統(tǒng)各用時設(shè)備與外部時間的統(tǒng)一。按照圖1所示搭建主從同步環(huán)境，使用測試PC機(jī)分別登陸KW-2200與KW-800的web管理界面，進(jìn)行各項功能配置，驗證各基本功能。

圖1　基本功能驗收環(huán)境

2　測試方案

2.1主時鐘守時性能驗收

根據(jù)指控系統(tǒng)需求，主時鐘的守時性能應(yīng)優(yōu)于1ms/d。

將兩臺主時鐘與衛(wèi)星同步鎖定8h以上后，然后斷開其中一臺的衛(wèi)星連接（拔除衛(wèi)星天線或收回外置蘑菇頭，通過指示燈及web界面確定主時鐘與衛(wèi)星失鎖）。斷開24h后，通過示波器對失鎖主時鐘的秒脈沖信號以及另外一臺正被衛(wèi)星馴服的主時鐘的秒脈沖信號進(jìn)行比較，測試值小于1ms即認(rèn)為合格。

通過實際運(yùn)行測試，24h后2臺主時鐘的脈沖間隔相差320ns，滿足守時精度需求。

圖2　守時精度測試拓?fù)鋱D

2.2板卡同步性能驗收

主時鐘使用北斗時間源，主從均使用UDP模式，主從發(fā)包頻率均設(shè)為每秒8次，在配置完成情況下，使用示波器觀測主從之間秒脈沖偏差。

測試項目分同步精度和收斂時間兩項。同步精度合格判據(jù)為主從之間秒脈沖偏差穩(wěn)定后，在一小時內(nèi)，主從秒脈沖偏差不超過1μs；收斂時間合格判據(jù)為主從時鐘自開始同步至同步精度達(dá)到1μs內(nèi)的收斂時間應(yīng)在10分鐘以內(nèi)。

圖3　板卡同步性能測試拓?fù)鋱D

實測值顯示，主從秒脈沖偏差不超過200ns，且達(dá)到該對時精度用時約2min，滿足上述指標(biāo)要求。

2.3服務(wù)器同步性能驗收

2.3.1測試步驟

系統(tǒng)指標(biāo)要求整個系統(tǒng)對時精度要求不大于10μs。

根據(jù)上述測試可知：時間服務(wù)器（主時鐘）與衛(wèi)星信號UTC時間偏差約為50-100ns，主時鐘經(jīng)過多級交換機(jī)到時間同步板卡的精度約為200ns，因此要測試北斗天線到服務(wù)器系統(tǒng)時間的差值，只需要測試時間同步板卡到系統(tǒng)時間的對時精度即可，測試流如下圖所示。

圖4　 各階段延時示意圖

依據(jù)上述測試思路，在服務(wù)器的PCI-E插槽安裝高精度時間同步板卡，主機(jī)的操作系統(tǒng)運(yùn)行驅(qū)動程序及授時板卡系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)操作系統(tǒng)時間與板卡時間的同步穩(wěn)定（約需要1min左右）。待同步穩(wěn)定后，驅(qū)動程序操作系統(tǒng)函數(shù)分別抓取系統(tǒng)時間與板卡時間，計算時間偏差范圍，完成測試。本次測試選用的服務(wù)器為聯(lián)想Thinkstation D30以及曙光天闊服務(wù)器 I840r-GP。

具體測試步驟：

Step1：驅(qū)動程序通過Getnstimeofday函數(shù)取得系統(tǒng)時間，時間值精確至ns，得到系統(tǒng)時間值T1_a；

Step2：驅(qū)動程序直接讀取板卡寄存器，獲得板卡當(dāng)前時間，時間值精確至ns，得到板卡時間值T1_b；

Step3：驅(qū)動程序通過將T1_a與T1_b相減，得到當(dāng)前操作系統(tǒng)時間與板卡時間的偏差OFFSET_t1，即OFFSET_t1=T1_a -T1_b，通過IOCTL函數(shù)返回給用戶層；

Step4：用戶層接收OFFSET_t1，進(jìn)行打印顯示并存儲。

說明：由于計算機(jī)自身運(yùn)行機(jī)理，運(yùn)行Getnstimeofday函數(shù)與讀取板卡寄存器時間兩條計算機(jī)指令是按順序執(zhí)行，導(dǎo)致Step1與Step2間存在約50ns的固有時延而無法排除，因此在測試結(jié)果上需考慮50ns的固有測量誤差。

2.3.2數(shù)據(jù)分析

服務(wù)器在對時頻率為1Hz、20Hz、100Hz同步周期下的對時精度數(shù)據(jù)見表1所示，選取穩(wěn)定后的20組數(shù)，為使數(shù)據(jù)更加直觀顯示，繪制了相關(guān)曲線，數(shù)據(jù)曲線如圖5-圖7所示。

表1　不同對時頻率下的offset_time統(tǒng)計

圖5　1Hz對時頻率下的數(shù)據(jù)曲線

圖6　20Hz 對時頻率下的數(shù)據(jù)曲線

圖7　100Hz對時頻率下的數(shù)據(jù)曲線

通過以上數(shù)據(jù)及曲線可直觀地看到：同步頻率設(shè)定為1Hz，即1s同步一次，同步精度保持在4μs以內(nèi)；同步頻率設(shè)定到100Hz，同步精度在200ns以內(nèi)，可以滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

同步頻率越高，同步精度就越小，這是因為算法通過計算當(dāng)前的同步精度偏差，進(jìn)一步調(diào)整操作系統(tǒng)時間，實現(xiàn)操作系統(tǒng)時間與板卡時間的同步。在高頻率下，反復(fù)監(jiān)測系統(tǒng)時間與板卡時間之間的偏差，執(zhí)行同步算法，可以更快更細(xì)致的獲取時間偏差情況，并以此為依據(jù)來調(diào)整操作系統(tǒng)時間。

不同服務(wù)器的同步精度有一定差異。一般情況下，當(dāng)計算機(jī)本身時間頻率穩(wěn)定性較好時，采用較低的同步頻率，即可得到期望的同步精度，提高同步頻率對精度影響效果并不十分顯著。而當(dāng)服務(wù)器本身時間頻率性不佳情況下，就會出現(xiàn)當(dāng)同步頻率較低時同步精度很差，無法達(dá)到預(yù)期要求的情況。此時，提高同步頻率，會對同步精度有較明顯的提高。試驗中選取了兩臺不同型號的服務(wù)器平臺，對聯(lián)想D30和曙光天闊I840進(jìn)行對比測試，測試數(shù)據(jù)如下：

表2　不同對時頻率下的同步精度對比

因此為避免不同服務(wù)器的差異性，建議設(shè)置同步頻率為100Hz，即每10ms進(jìn)行一次時間同步運(yùn)算，以保證同步精度，同時，服務(wù)器高強(qiáng)度的運(yùn)算對CPU占用率影響應(yīng)小于萬分之五（0.05%）

3　授時精度的分析

通過搭建以上模型，測試了從衛(wèi)星到服務(wù)器系統(tǒng)時間之間的授時精度。對各階段的系統(tǒng)時延分析總結(jié)如下：

a） 從北斗天線到主時鐘的時間精度很高，在100ns以內(nèi)；

b） 主時鐘到服務(wù)器授時板卡之間的時延除了與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（以多級交換機(jī)）有關(guān)外，還與主時鐘及授時板卡的性能有一定關(guān)系，同時網(wǎng)線的傳輸性能也是需要考慮的因素，但此部分的試驗約在500ns以內(nèi)，對整個系統(tǒng)精度影響較小；

c） 授時板卡到服務(wù)器系統(tǒng)時間是整個對時網(wǎng)絡(luò)中時延較大的部分，此部分的對時精度不僅受主從時鐘對時頻率的影響，與服務(wù)器的性能也有很大的關(guān)系，試驗中選取了聯(lián)想和曙光兩種不同型號的服務(wù)器，發(fā)現(xiàn)兩者的試驗差異較大，初步分析是由于授時板卡與服務(wù)器自身的獨(dú)立磁盤冗余陣列均安裝在服務(wù)器的PCI-E插槽中，其工作機(jī)制所造成的差異。

4　結(jié)論

本文的測試方案證明基于PTP授時的時間同步精度可以滿足當(dāng)前高時間精度的需求，但在具體實踐中發(fā)現(xiàn)，由于受到諸多因素的影響，時間同步精度在不同的服務(wù)器平臺上有一定的差異，這就需要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求采取諸如提高對時頻率，選用更合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多種措施解決同步精度問題。

時間是基本物理量，影響著國家高精尖領(lǐng)域的向前推進(jìn)，以及國防建設(shè)的各個方面，因此值得我們繼續(xù)深入研究。

［1］ 馬煦，瞿穩(wěn)科，韓玉宏，王賢良.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時精度分析及評估［J］.電視技術(shù)，2007，47（2）：112-115.

［2］ 譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］ 韓琳，范旭娟，潘登.幾種IEEE1588對時方法的分析與比較［J］.測控技術(shù)，2013，32（2）：74-76.

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Research on synchronization precision test method based on PTP timing

Wang Zhenghao
（Electronic Science Research Institute， China Electronic Technology Group Corporation，Beijing，100041）

With the improvement of the accuracy of modern weapons to attack，command and control system of the time synchronization requirements are also increased，which timing system scheme of network architecture，the master clock and timing board time synchronization accuracy of proposed new requirements. In this paper， PTP time synchronization in the time synchronization accuracy test scheme is given.The test results show that the PTP timing mode can meet the system requirements for time synchronization accuracy.

Beidou System；Punctuality accuracy；synchronization precision；timing board

王崢浩（1987-），男，碩士研究生，2013年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，現(xiàn)主要從事系統(tǒng)集成工作。