北斗授時技術在智慧邊境管控中的應用分析

方國盛,邱祖雄,馬廣新,楊天然

(上海泰坦通信工程有限公司,上海 201204)

智慧邊境管控系統以可視化綜合平臺為主線,以時空平臺為基礎數字底座,運用大數據、云計算、微服務、5G邊云控制、北斗授時、北斗定位、北斗短報文、融合通信等現代信息通信技術,通過對公安強邊固防信息化應用的全面升級,實現多源報警、應急指揮、警務管理、態勢研判的智能化[1]。智慧邊境管控系統通常由視頻監控系統、邊境周界入侵管控系統、北斗定位與短報文通信系統、實景三維建模系統、5G邊云結合控制系統、物聯網平臺等組成。這些系統的攝像頭、無人機、5G邊云控制器、數據庫服務器、應用服務器、辦公PC機等終端需要更好的時間同步[2-3]。

智慧邊境管控系統的各終端和服務器需要統一的時間以實現業務協同。目前廣泛應用的無線授時方式為衛星授時,主要有GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo四大全球衛星導航系統;有線授時方式為NTP網絡對時,NTP協議是全球應用最為廣泛的網絡對時協議,絕大部分網絡設備和服務器都支持NTP[4]。

針對以往邊境管控系統采用軟件NTP方式與兼作時間服務器的通用服務器對時,導致各應用終端(如攝像頭、數據服務器等)出現時間不準確、不在控等問題,研究高精度北斗授時、硬件生成NTP時標、NTP實時探測等技術,開展基于北斗授時技術的邊境管控統一時間基準應用研究,探討時間的閉環管理方法,實現邊境管控系統各節點應用終端的時間精準統一于高精度北斗時間源和邊境管控系統時間安全顯著提升的目標。以往的邊境管控系統通常采用通用服務器兼作時間服務器,導致各應用終端(如攝像頭、數據服務器等)的時間不準確。其原因主要有:①通用服務器不能接收衛星時間,時間準度低;②通用服務器必須處理大量的比對時更為重要的程序,往往會中斷NTP對時進程,造成較大的延時抖動,影響對時準確性;③面臨大量對時請求的集中到訪,由于其對NTP對時報文的處理能力有限,造成過長的NTP對時報文處理時間,導致授時不準;④通用服務器一般是以廉價的振蕩電路或石英鐘為基礎,頻率穩定度在±10-4左右,每天的誤差可達數秒;⑤通用服務器時間偏差過大后不能自動調整偏差。通用服務器兼用作對時存在準確度低、可靠性低、安全性差、可管理性弱等問題,已不能滿足智慧邊境管控系統時間統一的需求。

本文深入探討智慧邊境管控系統對時間同步的需求和關鍵技術的選擇,提出基于北斗衛星導航系統的增強網絡對時和時間閉環管理的解決方案,并進行實例應用,旨在為智慧邊境管控系統各應用終端和服務器提供統一時間基準和時間閉環管理,為邊境管控業務應用全面賦能。

1 授時技術在智慧邊境管控時間統一的需求分析

1.1 北斗衛星授時

北斗衛星導航系統是中國自主研制的全球衛星導航系統,它由5顆GEO衛星、27顆MEO衛星和3顆IGSO衛星組成。北斗頻段B1為1 559.052～1 591.788 MHz,B2為1 166.22～1 217.37 MHz,B3為1 250.618～1 286.423 MHz。采用無線電測定業務(RDSS)系統的單向授時精度為100 ns。北斗授時信號由北斗時(BDT)控制,是由多臺高精度原子鐘組成和保持的原子時,其基本單位“秒”的秒長與國際原子時(TAI)保持一致,連續計數,不閏秒。北斗時與UTC的偏差小于100 ns。北斗衛星導航系統是我國自主可控系統,安全、可靠、穩定,保密性強,適用于國防、公安等關鍵部門。時間服務器一般采用單向授時(RNSS),用戶機不需要與地面中心站進行交互,只需要接收衛星的播發廣播授時信號。BDT控制中心站主原子鐘、主鐘監控RNSS衛星上的星載原子鐘,定期注入更新各衛星星載鐘的鐘差參數,星載鐘控制/產生衛星導航信號電文,并播發授時信號,下傳到用戶接收終端。采用一次下變頻射頻技術,實現北斗衛星信號的快速捕獲、跟蹤、解調功能,恢復出衛星數據和同步信號。結合高精度北斗衛星授時數據處理技術與高精度數字時頻標合成技術,完成衛星軌道數據的平滑濾波和最優估值、電波的電離層校正、多普勒校正、電波時延等計算、TOD時間信息輸出和時標信號合成控制。設計輸出1PPS性能指標優于100 ns。如圖1所示[5]。

圖1 北斗接收機授時原理

1.2 NTP網絡授時

NTP對時原理如圖2所示。其中,T1為客戶方發送查詢請求時間(以客戶方時間系統為參照);T2為服務器收到查詢請求時間(以服務器時間系統為參照);T3為服務器回復時間信息包時間(以服務器時間系統為參照);T4為客戶方收到時間信息包時間(以客戶方時間系統為參照)[6-7];d為收發延遲時間,d=(T4-T1)-(T3-T2);t為客戶端相對于對時服務器的時間偏差,t=(T2-T1)+(T4-T3)/2(發送和響應的延遲時間相同時)。利用時間偏差t修正客戶機,實現客戶機與對時服務器的時間同步[6-7]。

圖2 NTP對時原理

被授時終端(常指計算機系統)通過NTP對時協議與時間參考源服務器進行報文交換,可計算出自身時間與標準參考源的時間偏差,并以參考源服務器的時間為標準糾正自身的時間,進而實現實時的時間同步。

NTP協議對網絡時延的抖動非常敏感,如果網絡性能不好,會導致NTP客戶端跟蹤不準,網絡的抖動性能和跟蹤的準確度成正比[8]。

普通軟件NTP在應用層打時間戳,如圖3所示,網絡層和應用層協議棧延時抖動對精度的影響大,同步精度低,屬毫秒級[9-10]。測量精度為0.15 ms,如圖4所示。

圖3 普通軟件NTP應用層打時間戳原理

圖4 軟件NTP授時精度測量曲線

1.3 智慧邊境管控時間統一需求

(1)可視化平臺需要時間統一。根據時間和位置在大量視頻中找到關鍵目標,確定目標軌跡,提高研判的準確性,提升警綜平臺信息的相互關聯和深度分析應用水平,更好地發揮基于大數據的警務云的作用。

(2)時空平臺需要時間統一。時空大數據80%以上涉及空間信息、時間信息,空間信息和時間信息的準確性對數據質量至關重要。

(3)云計算需要時間統一。云中不同計算設備之間控制、計算、處理、應用等數據或操作都具有統一的時序性。

(4)5G邊云的SDN網絡需要時間同步。SDN/NFV 都需要獲得所有網元的業務流和網絡資源的大數據,各網元的數據需要同步和絕對時間對齊,以確保網絡調度策略的正確性。

(5)物聯網IoT需要時間同步。物聯網節點定位、節點數據融合、節點狀態切換等需要統一的時間信息。

(6)公安應急指揮中心需要準確、統一的時間。語音、數據、視頻和多媒體業務融合通信的多點控制器、媒體網關等需要時間同步。

(7)網絡設備和網管系統需要時間同步,通過系統狀態、告警、日志記錄的時間及時序有助于分析查找網絡故障原因。

(8)公安網絡安全管理需要時間同步。分布式入侵檢測系統通過分析相關事件的發生時間、結束時間,以及事件之間的先后關系,發現入侵行為。

2 實現授時的關鍵技術

2.1 增強NTP技術

增強NTP技術(eNTP)也稱為硬件NTP。在以太網驅動層打時標,克服了網絡層和應用層協議棧延時抖動對精度的影響,同步精度高,屬亞微秒級。如圖5、圖6所示。

圖6 硬件NTP授時精度測量數據

eNTP應用高速FPGA技術,可處理瞬時大流量的NTP請求,抵御“網絡風暴”對網絡對時的影響,對時精度可達到納秒級。

eNTP主要由主控FPGA模塊、主控MCU模塊、NTP接口模塊組成,如圖7所示。主控FPGA在硬件層面完成了NTP協議棧的功能,NTP協議報文包通過主控FPGA模塊完成硬件時標的寫入功能,為軟件分析、被授時設備封包在網絡上的往返延遲提供NTP包的準確硬件時標。

圖7 eNTP技術原理

2.2 時間監測技術

為了實現時間閉環管理,同時減少監測設備,最好的技術是NTP監測,它基于乒乓原理實現時間同步設備的時間監測。乒乓法是利用報文離開和返回的時標來計算路徑延遲,從而抵消延遲造成的測量誤差的方法。乒乓法時間測量原理如圖8所示。

圖8 乒乓法時間測量原理

T0、T1、T2、T3為裝置時標,Δt為鐘差,即要測量的對象NTP建立在網絡鏈路延遲對稱的假設上,公式為

(T3+Δt)-T0=T3-(T2+Δt)

Δt=[(T3-T2)+(T0-T1)]/2

式中,T0、T3存在于測量發起端,被測對象返回的為T1、T2時標。監測準確度等于NTP的對時準確度[11-14]。

NTP監測組成模型如圖9所示。對時監測請求攜帶時標(報文離開請求端時標T0,報文返回請求端時標T3都在請求端本地,可直接獲取),對時監測響應返回報文應至少攜帶請求報文到達被測端時標T1,響應報文離開被測端時標T2[15-16]。

圖9 NTP監測組成模型

基于NTP的監測的時鐘設備和被監測設備的NTP協議既支持服務器模式,又支持客戶端模式。

2.3 時間管理平臺

時間管理平臺架構如圖10所示,在邏輯上分為3個主要模塊:與網元等具體設備進行通信的設備接入模塊;將接收到的數據進行加工的數據處理和發布模塊;提供北向接口的數據通信模塊。

圖10 時間管理平臺架構

整個系統是一個多機(虛擬服務器)協作運行的分布式系統,在不增加硬件投資的前題下,為了保證整個系統的可靠性,通過引入服務器虛擬化技術實現特定數據處理服務器的虛擬化,并針對前置通信部分進行雙重化或者多重化配置,數據處理服務器、數據發布服務器、數據存儲服務器均基于物理服務器進行相關數據的備份與故障恢復。通過此種技術架構將很好地化解可靠性和成本之間的矛盾。

平臺主要提供拓撲管理、配置管理、性能管理、故障管理子、安全管理和運維管理功能。

3 時間同步在智慧邊境管控的應用分析

3.1 智慧邊境管控系統時間同步和監測方案設計

時間同步系統由北斗主時鐘、顯示鐘組成,時間監測系統由北斗監測主時鐘和一體化網絡管理系統組成。時間同步和監測方案如圖11所示。

圖11 時間同步和監測方案

根據智慧邊境管控系統時間統一的需求,在中心節點配置高精度的北斗時鐘設備,為北斗定位與短報文通信系統、光纖周界邊境入侵管控系統、實景三維建模系統、5G邊云結合控制系統、物聯網平臺系統、空間平臺系統、基礎數字底座系統、邊境管控融合通信系統、可視化應急指揮調度系統、大屏顯示系統等邊境管控各業務提供對時和監測服務。時鐘設備采用eNTP技術,NTP對時和監測精度小于1000 ns。

在所有對時終端服務器內設置多個NTP對時IP地址(與時鐘設備的NTP授時端口相匹配),實現對時端口的冗余以提高可靠性。

時鐘設備可對所有支持SNTP/NTP協議的對時終端業務設備進行實時時間監測,并將監測結果上傳至時鐘設備網絡管理軟件。在軟件中可實時查看各終端當前的時間信息及時間精度偏差信息,還可設置偏差告警門限。當對時終端的時間偏差超過門限時,會及時給出報警信息,報警可選擇通過短信、郵件等方式發送至相應的管理人員。

外場設備及中心設備(如智能終端設備、中心機房存儲設備),在數據傳輸的過程中可能出現未統一時間基準,導致重要信息漏報或誤報。基于北斗的授時技術可為指揮中心監察員、外勤巡邏人員、各部門工作人員及外場設備提供統一的標準時間信息,為其他系統的中心設備提供統一的時間信號。

配置時鐘設備網絡管理軟件,形成時間的閉環管理。時鐘設備網絡管理軟件可安裝于專用服務器或現有辦公PC機內,遠程管理時鐘設備并收集展示時鐘設備的時間監測數據。時間監測管理系統采用B/S系統架構,網絡內的其他PC終端可通過數據網絡訪問監測管理系統(可設置權限),查看時間監測結果。

3.2 時間同步在智慧邊境管控的典型應用情景

(1)情報分析及研判。隨著公安邊境管控信息化建設的深入開展,其擁有的數據急劇增大,如何從PB級海量數據中發現有價值的信息已經成為當前邊境管控系統的一項重要工作。基于時間序列分析的數據挖掘分析能夠對這些海量的數據與信息進行快速深入分析和處理,從中找出規律和模式,作出準確預測和綜合研判。

(2)時空軌跡分析。根據對案發現場附近各個攝像頭監控視頻內嫌疑車輛影像,按照時序追蹤,結合北斗定位系統,縮短罪犯逃離路線及藏匿地點的偵察時間。

(3)視頻輔助偵查。視頻輔助偵查就是通過一條卡口捕捉的車輛線索、一張視頻抓拍的人物圖像、一則系統告警提示等零碎的線索,通過多維數據的碰撞關聯快速找出偵破案件的關鍵點。而精準的時間可以加快偵破進度。

(4)可視化應用。視頻監控提供連續的視頻流,包括實時視頻和歷史視頻,反映的是監控現場人、車、事等直觀信息,是非結構化數據,無法進行快速檢索和關聯比對。通過結構化語義描述,從視頻中提取出時間、空間、關系、人、事、地、物、組織的圖像語義,轉為結構化數據,實現對海量視頻數據的建模分析與數據間的深度挖掘,提升邊境管控大數據可視化應用的水平。

(5)網絡安全應用。公安系統中計算機網絡安全可謂是重中之重,當計算機受到攻擊后,如何快速地提取安全日志追蹤事件全過程,計算機的時間戳就顯得尤為重要。應急指揮中心顯示鐘為處置和應對突發事件提供統一時間,保障各行動間的協同。

在視頻偵查、圖像分析等實際視頻圖像工作中,應用了大量監控攝像、視頻數據服務器、5G布控球等設備。利用北斗授時及監測功能,在智慧邊境管控系統開展北斗警用授時服務,提供標準化的時間同步與監管服務,提升案件證據鏈追溯、案件偵破、違章違法處理等工作的可靠性與精準度。

通過對服務器、警用終端和攝像頭等用時設備的時間監測,及時發現并糾正了差錯時間,消除了錯誤時間對案件偵破的影響,同時時間監測可以有效防范犯罪分子對時間的惡意攻擊和篡改,提升化解風險的能力。

精準統一時間提升了科技情報信息的收集和分析能力,輔助視頻偵察能力,促進了大數據分析、人臉識別、無人機巡視等先進技術的營業,提升了反恐和應急能力。

4 結 語

時間同步系統通過賦予數據準確的時間戳而賦能智慧邊境管控系統的效能,同時時間監測系統通過在線監測各應用系統終端、各移動終端和視頻終端的時間狀態,保證智慧邊境管控系統的各個單元都始終在統一的時間刻度上協同,提升了賦能的能力。通過時間監測系統的大數據分析,可以預判時間服務器及用時設備的時間偏差變化趨勢,及時發現設備的故障或隱患,提升了時間同步和監測系統的保障能力。總之,在智慧邊境管控或其他公安信息化系統中推廣時間同步和監測系統是非常必要及非常有價值的。