試驗艦PTP時間同步系統(tǒng)設計

黃富良

摘要：針對當前靶場試驗艦時間同步系統(tǒng)的不足，設計了一種基于PTP協(xié)議的高可靠性時間同步系統(tǒng)。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(wǎng)絡特點，提供了具體的方案設計和PTP授時模塊的硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)采用標準化通用模塊設計，兼容原有時間同步系統(tǒng)，并具有良好的擴展性。仿真測試驗證系統(tǒng)在非PTP鏈路上可實現(xiàn)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(tǒng)網(wǎng)絡化遷移部署提供有益參考。

關鍵詞：時間同步;PTP協(xié)議;IEEE1588標準;測控系統(tǒng)

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(tǒng)，各系統(tǒng)間的聯(lián)合測量需要精密的時間統(tǒng)一。目前部分試驗艦安裝了專用的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，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(tǒng)。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(tǒng)的安裝位置和接入數(shù)量，難以滿足現(xiàn)代試驗艦大量分布式測控系統(tǒng)對時間同步信號靈活接入需求。

隨著網(wǎng)絡信息技術發(fā)展，現(xiàn)代艦船具有通達全艦的網(wǎng)絡系統(tǒng)。利用艦載網(wǎng)絡系統(tǒng)接入與傳輸高精度時間，可有效解決現(xiàn)有試驗艦現(xiàn)有時統(tǒng)接口不足及布線問題。通用的網(wǎng)絡時間同步協(xié)議主要有NTP（Network Time Protocol）和PTP（Precision Time Protocol）[1]。其中，NTP協(xié)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(xié)議可實現(xiàn)微秒級的時間同步精度[4]，且較NTP協(xié)議占用更少的網(wǎng)絡資源，更適合在以太網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡系統(tǒng)使用[5]。采用基于PTP協(xié)議和現(xiàn)有艦載網(wǎng)絡平臺的同步系統(tǒng)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(tǒng)的不足，非常適用于試驗艦分布式測量系統(tǒng)的時間同步。

1 PTP時頻同步原理

PTP協(xié)議，也稱為IEEE 1588標準，是利用網(wǎng)絡通信技術進行測量和控制時鐘精確同步的協(xié)議[6]。PTP協(xié)議通過記錄主從時鐘設備之間事件報文交換時產(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)送給從時鐘設備。經(jīng)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(tǒng)時鐘。

假設主時鐘到從時鐘的發(fā)送路徑延時是Tms，從時鐘到主時鐘的發(fā)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(xié)議不僅可實現(xiàn)主從鐘的時間同步，還可實現(xiàn)主從鐘的頻率同步。主時鐘設備周期性地發(fā)送Sync報文，主從時鐘分別記錄收發(fā)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(xiàn)主從鐘的頻率同步。

2 PTP時間同步系統(tǒng)設計

時間同步系統(tǒng)是靶場試驗測控體系不可缺少的組成部分，其工作狀態(tài)及精度影響著整個試驗任務的質量與成敗。相比岸基時統(tǒng)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(xiàn)有時統(tǒng)系統(tǒng)、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(tǒng)功能組成

試驗艦PTP時間同步系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由PTP服務器、艦載網(wǎng)絡系統(tǒng)、PTP同步終端組成。艦船PTP服務器通過北斗衛(wèi)星授時獲得時間參考源，實現(xiàn)與岸基主站以及其他艦船時統(tǒng)站的基源時間統(tǒng)一。采用PTP協(xié)議通過艦載網(wǎng)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(tǒng)實現(xiàn)了從衛(wèi)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(tǒng)的時間統(tǒng)一。

系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)的時統(tǒng)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(xiàn)了新舊系統(tǒng)的兼容銜接，同時提升了時間同步系統(tǒng)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(tǒng)的核心，作為系統(tǒng)主時鐘和全網(wǎng)時鐘源，其工作狀影響著整個系統(tǒng)的運行，總體及組件堅持冗余設計原則，以提高系統(tǒng)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(yōu)時鐘作為主時鐘，采取雙機熱備方式實現(xiàn)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(lián)并交互信息。采取雙參考模塊設計，北斗模塊通過北斗衛(wèi)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(xiàn)對本地頻率源校準和時間同步，具備守時功能，并產(chǎn)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(wǎng)絡時戳實現(xiàn)PTP授時功能;同時保留1pps+TOD、10MHz、B（DC）三種傳統(tǒng)時標信號輸出功能。