IEEE 1588協議在機載測試系統中的應用及誤差分析

谷士鵬，陳新華，高 盼

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

IEEE 1588協議在機載測試系統中的應用及誤差分析

谷士鵬，陳新華，高 盼

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

在網絡化機載測試系統中，高精度的時鐘同步是測試參數時間一致性的基礎。為提高網絡化機載測試系統中的時鐘同步精度，通過深入分析了IEEE1588協議的工作原理，獲取時間偏差和線路延遲的計算方法，并針對IEEE1588協議在網絡化機載測試系統中的應用，進一步明確影響IEEE1588協議精度的因素和誤差來源。在所有誤差因素中，網絡拓撲結構和網絡負載作為IEEE1588時鐘同步的主要誤差來源，對整個測試系統的時鐘同步有著重要的影響。文章的研究成果對于IEEE 1588協議在機載測試系統中的應用具有一定的借鑒意義。

時鐘同步精度；IEEE 1588；機載測試；誤差分析

在飛行試驗中，機載網絡化測試系統的時間同步主要以GPS時間信號作為標準時間源，其授時方式包括以下三種:1PPS脈沖同步、網絡時間協議同步以及IEEE 1588協議同步[1]。

1PPS脈沖同步雖然精度很高，但是其中沒有具體的時間信息，且同步精度隨著傳輸距離的增加而迅速下降，每米的傳輸延遲可達3納秒左右[2]。網絡時間協議同步（Network Time Protocol，NTP）是一種典型的網絡授時協議，它采用嚴格、實用、有效的授時機制，網絡開銷少。經過改進的NTP可以在互聯網上獲取精確和可靠的時間同步，滿足物聯網和云計算的時間同步需求。但是由于以太網傳輸過程中存在延時的不確定性，導致NTP同步精度低，其在局域網中的同步精度也只能達到1 ms。IEEE 1588協議具有精度高、無需專用的對時網絡、實現方便的優點[3]，可以達到100納秒的同步精度，成為網絡化機載測試系統時鐘同步的首選方案。

中國飛行試驗研究院自2012年開始逐步構建起網絡化機載測試系統，采用了IEEE 1588協議完成系統授時。為了提高機載測試系統時鐘同步性，滿足測試參數時間一致性的要求，需要深入分析影響IEEE1588時鐘同步精度的因素和誤差來源。

1　IEEE 1588時鐘同步系統工作原理

IEEE 1588時鐘同步系統通過主、從設備間報文消息傳遞，計算時間偏差和線路延遲來達到主、從設備時鐘同步[4]。

如果網絡中同時存在多個主時鐘，則根據最佳主時鐘（Best Master Clock，簡稱 BMC）算法[5]，依據Announce報文中的時鐘準確度、優先級等信息進行判定，最終選定一個Grandmaster主時鐘發送時間同步報文，而其他非最佳主時鐘則全部進入Passive的靜默狀態[6]。

IEEE 1588時鐘同步系統在進行時鐘同步之前，需要先進行調諧，并利用調諧的結果修正從時鐘產生的時間戳[7]。

時鐘同步過程如圖1所示，同步消息傳遞的機制是延時請求響應機制[8]。整個同步過程可分為兩個不同的階段[9]。第一個階段是時間偏差Toffset測量階段。主時鐘周期性的發出同步報文（Sync報文），間隔時間一般為2 s[10]。從時鐘接收到同步報文并記下接收到同步報文的時間值T2。在同步報文發出之后，主時鐘會緊接著發送跟隨報文 （Follow-up報文），跟隨報文將同步報文發出時的準確時間T1傳送給從時鐘。

圖1　IEEE 1588時鐘同步協議基本原理

第二階段是線路延遲Tdelay測量階段。為了防止報文發送時產生碰撞，在從時鐘接收到同步報文后并不是立即發送延遲請求報文（Delay-Req報文），而是隨機地等待一段時間，在T3時刻才發出延遲請求報文。主時鐘接收到延遲請求報文并記錄下接收到延遲請求報文的時間值T4，向從時鐘發出包含T4時刻的延遲應答報文（Delay-Resp報文）。

這樣從時鐘就有了4個時間值:T1、T2、T3、T4。從時鐘根據收到的時間信息和自身發送消息的時間，可以計算出與主時鐘的時間偏差和線路延遲[11]。從時鐘根據 Toffset和Tdelay的值調整本地時鐘，可以實現與主時鐘的時鐘同步[12]。

聯立上述方程，可得：

2　IEEE 1588協議在機載測試系統中的應用

2.1網絡化機載測試系統的組成

網絡化機載測試系統從功能上可以劃分為 4層，即傳感器層、數據采集層、網絡交換層和終端用戶層。

傳感器根據測試需求分散安裝在被試對象各處[13]，機載數據采集單元將采集的傳感器信號和總線信號發送到各級網絡交換機，網絡交換機將測試數據匯總形成網絡數據包，并傳輸至各終端用戶，進行數據的存儲、檢查。同時，網絡數據提取設備將需要實時監控的測試參數打包，形成一條PCM數據流進行遙測傳輸。

2.2網絡化機載測試系統的網絡拓撲結構

兩種常用的網絡化機載測試系統的網絡拓撲結構示意圖如圖2所示。其中，DAU表示網絡化機載測試系統中的數據采集單元。

圖2　兩種網絡拓撲結構示意圖

在星型網絡拓撲中（圖2左側結構），每個DAU都通過點對點的方式連接到中央網絡交換機[14]（即網絡交換機1），由中央網絡交換機向目的DAU傳送信息。中央網絡交換機執行集中式通信控制策略。同時，任何兩個DAU之間通信都需要通過中央網絡交換機進行。

因此，星形網絡拓撲結構的數據傳輸協議十分簡單，易于網絡監控和管理。這種結構方式適合于中、小型網絡化機載測試系統，中央網絡交換機對連接線路可以逐一隔離，便于故障檢測和定位。

樹形網絡結構的結構示意圖如圖2右側所示。樹形網絡拓撲也叫多星級型網絡拓撲，是由多個層次得的星形網絡拓撲縱向連接而成，樹的每一個節點都是網絡交換機或者DAU[15]。樹形網絡拓撲形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下可以形成各級分支。通常，樹形網絡拓撲至少包含二層網絡交換機。

與星型網絡拓撲相比，樹形網絡拓撲易于節點擴充，可以實現復雜測試系統的搭建，因此適用于于大型網絡化機載測試系統。

2.3邊界時鐘

在IEEE 1588時鐘同步的過程中，點對點的連接可以提供主時鐘和從時鐘之間最佳的同步精度。然而，在網絡化機載測試系統的實際組網情況中，存在一個主時鐘對多個從時鐘進行時鐘同步的情況，這在星形網絡拓撲和樹形網絡拓撲中都很普遍[16]。

在IEEE 1588時鐘同步協議中，為解決上述問題引入了邊界時鐘的概念。邊界時鐘一般是一個網絡交換機，含有多個PTP時鐘端口，主時鐘先與邊界時鐘的一個PTP時鐘進行同步，此時邊界時鐘扮演的是從時鐘的角色。等邊界時鐘與主時鐘完成時鐘同步之后，邊界時鐘將作為主時鐘與連接到其上面的各從時鐘進行時間同步，整個過程如圖3所示。

圖3　含有邊界時鐘的主從層級關系示意圖

3　機載測試系統中的IEEE1588 時鐘同步誤差分析

由IEEE1588時鐘同步系統工作原理可知，機載測試系統中的IEEE1588時鐘同步誤差與主時鐘的基準時間、主從時鐘調諧一致性、時間戳的生成方式、調諧與鏈路延時的關系、通信路徑的對稱性、網絡拓撲結構、網絡節點負載情況等密切相關。

雖然主時鐘可能有微小的隨機誤差，但隨機誤差一定是呈正負相互交替分布的規律。一旦主時鐘提供的基準時間引入系統誤差，就會對系統的同步精度和穩定性產生較大影響。機載測試系統中使用的主時鐘源一般是高精度的 GPS時間，屬于IEEE1588協議中的第1級時鐘源（第1級時鐘源還包括原子時鐘）。

主從時鐘調諧一致性是進行時鐘同步的基礎。式（3）和式（4）中，T2-T3、T4-T1只與時鐘自身的時間變化率有關，如果從時鐘與主時鐘的時間變化率不一致，會對系統的同步精度和穩定性產生巨大的影響。因此，各個時鐘必須與主時鐘進行調諧，并調整自身的時間變化率。在高性能的機載測試系統中，從時鐘可以迅速跟蹤到主時鐘的時間變化率，從時鐘通過改變自身定時器的計數值可以實現主從時鐘調諧。

如果時間戳不準確，將直接影響到調諧、時間偏差測量和線路延遲計算的準確性，對系統的同步精度和穩定性產生非常大的影響。IEEE 1588協議是利用硬件來記錄報文離開和進入的時間點，即在最靠近網口的物理層來記錄時間點，這樣就大大地減少了網絡協議棧的延遲與時鐘抖動。這也是IEEE 1588協議比NTP協議具有更高時間同步精度的主要原因。

由IEEE 1588協議的同步過程可見：在調諧時，需要使用線路延遲來修正主時鐘提供的時間信息；在測量線路延遲時，需要使用調諧得到的比值來修正從時鐘的時間戳。二者是相互包含的關系[11]。線路延遲是事件報文在通信介質上的傳播時延，其與傳輸距離和傳播速度有關。因此，在固定長度的通信介質上，線路延遲是一個相對固定的數值。因此，先測量線路延遲會將從時鐘自身的時間變化率誤差帶入，從而導致調諧時重復計算了從時鐘自身的時間變化率，影響調諧結果的準確性。網絡化機載測試系統在時鐘同步時，先進行調諧，得到一個相對穩定的頻率比值后再測量線路延遲。

網絡化機載測試系統的通信路徑一般不會發生變動，在通信路徑不對稱性相對固定的情況下，可以忽略鏈路延遲在傳輸方向上的差異。

在網絡化機載測試系統中，由圖2可知，網絡交換機一般作為邊界時鐘來使用。邊界時鐘的引入改善了網絡的拓撲結構，使各網絡節點之間的時鐘同步都是點對點的時間同步結構。然而，由于邊界時鐘的存在而導致的時鐘抖動對于后端網絡節點的影響是十分顯著的。尤其在樹形三級網絡拓撲結構中，邊界時鐘引起的時鐘抖動在第三級數據層上將產生較大的影響。

在理想的IEEE 1588時鐘同步系統中，適中的網絡負載不會影響報文消息的交互。但是隨著網絡化機載測試系統的數據采樣率大幅提高，網絡負載呈現高增長的模式，若主從時鐘對報文消息接收出現遲滯，那么就會影響主從時鐘的對時精度。

綜上所述，網絡拓撲結構和網絡節點負載是網絡化機載測試系統中IEEE 1588時鐘同步誤差的兩個主要來源，在網絡化機載測試系統設計時必須考慮這兩個因素對于參數時間一致性的影響。

4　結束語

高精度的時間同步系統是網絡化機載測試系統的需要。隨著網絡化機載測試系統在試飛測試中的廣泛應用，對各個網絡節點的時鐘同步要求也會越來越高。IEEE 1588協議[17-18]的出現，為網絡化機載測試系統的時鐘同步提供了一種切實可行的途徑。

然而，在整個IEEE 1588時鐘同步系統中，無論哪個環節出現誤差都將影響整個系統的同步精度和穩定性，尤其以主時鐘、邊界時鐘和網絡負載最為關鍵，因為如果它們出現誤差，整個系統中的每一個時鐘都會受影響。因此，主時鐘、邊界時鐘和網絡負載的穩定性和誤差控制非常重要。在網絡化機載測試系統設計中，需要重點關注網絡拓撲結構和網絡負載對時鐘同步誤差的影響。

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The application and error analysis of IEEE1588 protocol in airborne test system

GU Shi-peng，CHEN Xin-hua，GAO Pan
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an 710089，China）

In a networked on-board test systems，high-precision clock synchronization test parameters are time-consistent basis.To improve network Airborne testing system clock synchronization accuracy，we analysis of the IEEE1588 protocol works in-depth and get a time deviation calculation method and route delay.For IEEE1588 protocol applications in networked airborne test system，we further clarify the effect of IEEE1588 protocol accuracy factors and sources of error.Network topology and network load as the main source of error IEEE1588 clock synchronization of the entire testing system clock synchronization have an important impact.Research article for IEEE 1588 protocol airborne test system applications with a certain significance.

clock synchronization accuracy；IEEE1588；airborne test；error analysis

TN0

A

1674-6236（2017）09-0121-04

2016-03-16稿件編號：201603214

谷士鵬（1989—），男，山東成武人，碩士研究生。研究方向：機載測試與數據遙測。