0 简介

时间同步技术是航天器在轨运行的重要支撑技术之一。高精度时间同步对于各系统协调运行、任务调度与执行、故障查找和事故分析等具有重要意义。

目前国内各种航天器上的时间同步主要是通过总线广播时间码，可以达到毫秒级的时间同步精度。对于精度要求较高的负载，可以通过硬线连接精确时间秒脉冲来获得高精度时间。

随着航天器体积的增大，有效载荷数量和时间精度要求的提高，这样的时间同步方案已经不能满足时间精度和系统复杂度的要求。因此，需要进一步设计大型航天器子系统的时间同步。针对大型航天器载荷网络的时间同步，提出一种基于分组交换的多载荷、高可靠、高精度的时间同步方案。

1 多负载同步模型

1.1 应用场景

航天器上的载荷网络基于FC-AE-1553总线有效载荷技术，网络中的载荷节点作为网络终端。每个终端节点都连接到相应的控制节点，如图1所示。

网络控制器一般是经过高精度同步或包含高精度时间的设备。网络控制器是通信的发起者和组织者，可以是主控计算机，也可以是级联中某一层的网络交换机。

1.2 同步原理

基于分组交换的双向时间同步的工作模式多为主从模式，如网络时间同步协议（Time，NTP）[1]和精确时间同步协议（Time，PTP）[2]，包括精确时间网络节点作为主节点（主时钟）向从节点（从时钟）发起同步。

如图2所示，假设从时钟时间比主时钟慢，则时间偏移为 。主设备周期性地发起同步，并在 T1 向从设备发送一个时间包。时钟收到报文的时间为T2，在T3时刻，从时钟回复收到的时间报文，收到回复报文的时间为T4。其中，T1、T4是主时钟记录的时间，T2、T3是从时钟记录的时间。

主时钟到从时钟的延迟为TDL，从时钟到主时钟的延迟为TUL，则有公式（1)：

根据估计的时间偏差补偿从时钟的时间，从而达到时间同步的目的。

2 原理图设计

2.1 对称延迟设计

在基于分组交换的时间同步机制中，建立公式(2)的前提是往返时延是对称的(TDL=TUL)。当链路时延不对称时，根据到公式中（2)计算出来的时间偏移值并不是slave和之间的实时偏移量。

造成链路时延不对称的主要因素有：协议栈解析数据包产生的抖动、网络传播时延不对称和网络排队时延[3]。

为了避免协议栈解析数据包引起的随机时间误差抖动，时间同步模块放置在FC协议靠近物理层：FC-2层。在硬件实现过程中，延迟是可控的，可以通过仿真得到，从而达到延迟对称，减少误差的目的。

在单级主从同步过程中，不涉及网络交换节点造成的排队延迟。通过网络拥塞控制减少各类缓冲区的排队延迟；相邻网络节点之间采用双绞线或一对等长光纤来保证网络传播时延的对称性。

2.2种可靠的时间偏移补偿方法

估计两个网络节点之间的时间偏移后，从时钟将补偿本地时间。做时间校正最直接、最快捷的方法是直接赋值。这种直接赋值的方式会导致时间跳跃，影响指令的执行、负载的数据记录和存储等诸多方面，同时降低系统的可靠性。

为了避免直接调整时间的方式造成时间的瞬间变化，同时保证时间的连续前进，我们选择了更可靠的时间补偿方式。将某个时间偏差值分成多个晶振周期进行补偿，如图3所示。

假设某时刻待同步时钟的时间快于时钟源的时间，则时间偏差为 。主时钟频率为 f(Hz)，从时钟的实际频率为 f'(Hz)。如果在大于 (s) 的时间内完成时间调整（防止“时间倒转”和“时间停止”），每个晶振周期从时钟开始的累计时间为 δ(δ

在实际应用中，f'的值无法确定，故选择与同步周期相等，用前几个调整周期的晶振计数值的平均值代替公式(3)中的×f'用于计算校正累加值δ。

系统初始化或重新配置时，主从时钟的时间偏差值比较大。为了保证从时钟时间误差的快速收敛，设置了时间偏差阈值。当实际时间偏差值大于该值时，使用分配调整。 ，当实际时间偏差小于该值时，采用渐进式时间补偿方法。该策略可以更好地平衡误差收敛时间和时间的前向连续性。

2.3 频偏校正

每个网络节点都使用晶体振荡器进行本地计时。根据晶振的频率，对每个晶振周期累加相应的时间，从而实现时间的累加。由于所有晶振都有一定的偏差：标称误差和漂移误差，因此需要对晶振的偏差进行补偿和校正。

在时间同步的原理中，由于主时钟周期性地发起时间同步（如4)所示，忽略路径上的延迟和驻留时间的变化，从时钟可以完成对主时钟的同步节点根据同步消息）。晶体振荡器频率偏移的测量。估计本地晶振偏移后，从时钟将校正偏移，以保持从时钟的频率与主时钟一致。

如果主时钟和从时钟的频率相同，则ΔT=。在实践中，从时钟的频率根据f1/f2=/ΔT的比值进行校正。

2.4 网络拥塞控制

对于时间同步来说，同步周期越短，同步精度越高，时间同步消耗的网络负载也越高。网络负载的增加很可能导致拥塞，进而影响时间同步服务。网络拥塞控制也是时间同步对称延迟设计的一部分。

目标负载网络是一个基于FC-AE-1553的命令响应网络，该网络的所有数据传输都由网络控制器调度。为了协调时间同步服务和其他服务，网络控制器周期性地发送数据，并在此期间为时间同步帧预留相应的信道空闲时间，避免网络拥塞对时间同步的影响，提高同步精度[4]。

另外，在网络中，将时间同步数据帧的优先级设置为最高，以保证时间同步数据帧在业务量大、网络繁忙时能够优先处理传输很忙。

3 实验与分析

3.1个实验系统

为了验证本文提出的有效载荷时间同步方法，构建了一个包括时钟源、主时钟和从时钟的验证系统，其模型如图5所示。

在验证模型中，两个平台都是K7系列FPGA板卡，分别在逻辑上实现主时钟和从时钟及其对应的时间同步功能。实现的功能模块如表1所示。GPS接收机输出时间信息作为主时钟的计时源，并提供精确的秒脉冲信号，主时钟根据该时间信息进行计时。

主时钟和从时钟都会根据各自的本地时间在整秒的时间变化时产生一个秒脉冲信号。用示波器触发主机产生的秒脉冲信号，多路余辉显示两个秒脉冲，比较两者上升沿的时间差，得到从时钟与主时钟的时间偏差范围.

3.2 结果与分析

3.2.1晶体偏差校正结果

为了测量校正晶振频率偏差的效果，进行了对照试验。在1 s同步周期下，开启晶振偏差补偿，关闭晶振补偿，测试结果如图7所示。

对比测试结果可以看出，在这个验证系统中，晶振漂移引起的每个周期的平均时间偏差为-800ns，从时钟的晶振频率低于主时钟的频率，两者的频率比为β。

对比图6和图7的结果可以发现，可以通过周期性的时间同步数据包来实现对待同步时钟的晶振漂移校正，从而获得更好的效果。

3.2.2个同步周期测试结果

为了测试时间同步周期对时间同步精度的影响，选取1 ms到1 000 ms不同的同步周期，进行时间同步测试。测试结果见表2。

从表2的结果可以看出，时间同步的准确性随着同步周期的增加而下降。原因是：由于普通晶振稳定性有限，一个同步完成后，同步周期增加，导致根据晶振进行时间累加，所以时间累加增加时会产生新的时间偏差。对于这个误差，可以结合应用场景要求的时间精度来选择同步周期。当需要更高的精度时，可以选择稳定性更高的晶振来实现。

3.2.3 后台流量测试结果

在时间同步周期为1ms时进行后台流量测试有效载荷技术，测试后台流量对时间同步精度的影响。时间同步测试在没有后台流量的情况下执行，周期性地广播 16 KB、32 KB 和 64 KB 数据包。

如图 8 所示，时间同步 SPS 示波器显示背景流量为 64 KB 数据包。经测试，不同背景流下时间同步精度的变化可以忽略，其他背景流下的示波器显示结果在此不作展示。

根据示波器显示的结果和主从端第二脉冲上升沿的余辉，可以判断时间同步精度在-20~20ns以内。当后台流量为16KB、32KB、64KB数据包的周期性广播时，同步精度范围保持在-20~20ns。

对比四组测试结果可以发现，后台流量对时间同步的准确性影响不大。可见，为了保证时间同步过程而实施的网络拥塞控制策略，保证了网络繁忙情况下的高精度时间同步。

4 个结论

针对大型航天器的载荷网络，本文采用双向时间同步的方法，并将其与网络协议相结合，在不增加系统复杂度的情况下提供高精度时间。并通过步进时间补偿、晶振频率校正、网络拥塞控制等策略，降低同步周期、晶振偏差和网络拥塞对时间同步的影响。最后给出的实验测试结果表明，在不同的同步周期和不同的背景流量下，该方法可以达到纳秒级的时间同步精度，满足当前各种负载的精度要求。

参考文献

[1] MILLS D L.时间——时间[J]。 IEEE on, 2010, 39(10):1482-1493.

[2] IEEE 用于时钟和 .IEC 61588:2009(E), 2009.

[3] 汪洋。基于IEEE 1588标准的电信网络时钟同步研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[4] B, I. IEEE 时钟 [J]。 IEEE, 2010, 14(5):459-461.

作者信息：

魏璎珞1、2、曹素芝2、钟洪恩2

（1.中国科学院大学，北京；2.中国科学院空间应用工程技术中心，北京）