技术领域
[0001] 本
发明属于舰船信息系统技术领域，具体涉及一种时间同步方法及装置。
背景技术
[0002] 时间同步是
电子信息系统的基本需求之一，特别是在
高性能计算、军工、电信等领域。随着信息技术的发展，长基线包括跨平台的信息共享、协同工作对不同平台不同地域的电子信息系统的高
精度时间同步提出了更高的要求。精确测距及其他专业高精度测量系统时间同步要求微秒量级，协同防空精确打击系统要求同步精度在100ns量级。
[0003] 现有电子信息系统严重依赖卫星授时，但在现实作战环境下，卫星导航授时
定位系统通常是首要被攻击点，因此常常出现无外部卫星导航
信号的恶劣条件下，只能靠自主维持高精度的时间
频率基准，由于缺少统一的时间基准，难以保证不同区域、不同平台间的电子信息系统的高精度时间同步，实现协同工作。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是：解决在卫星等外部授时源收到干扰时，无法监测及校准不同平台间的时间一致问题。提供一种适用于不同平台(船、岸、机等)之间的跨平台时间同步方法以及一种跨平台时间同步装置，实现不同运动平台间不依赖于外部授时源的高精度时间同步(静态同步精度优于100ns，动态同步精度优于1μs)。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
[0006] 一种跨平台时间同步装置，其特征在于主要包括：
[0007] 通用时差比对单元,外部通过协议及信号转换、调理，将时差信号馈送到通用时差比对单元，进行实时解算；
[0008] 综合解算单元,对通用时差比对单元各个比对单元的
基础测量数据，进行综合解算，内置主时钟
算法，可以实现高效的时差处理、修正信息输出；同时对其他多个单元进行综合协同管理；
[0009] 驯服钟单元，接收外部时间源的高精度时标信号后，启动内部精度监测，分离出外部时间源的抖动误差，同时将优选后的时标信号送入高精度时间间隔计数器，与驯服钟本地分频秒进行时差比对，比对结果与精度监测值一并送入误差处理单元，通过高性能滤波算法实现对漂移、抖动误差的分离，输出误差修正量；该修正量与阿伦方差的实时预计修正量一起被用来控制精密相差校正和高精度时序机，实现对本地分频秒以及本地频率输出的实时补偿修正，从而输出精准的时间和频率基准信号；
[0010] 数字分频钟,利用驯服钟单元输出的高稳时频标信号进行走时，为时码产生和各种频标信号产生提供各种参考信号；
[0011]
相位微跃计，实现精密相差/时差校正；
[0012] 时频信号扩展单元，用于满足各种类型的信号
接口要求，实现信号调理和编号
输出信号格式；
[0013] 网络监测接口，用于远程对跨平台时间同步装置进行在线管理。
[0014] 进一步的，上述通用时差比对单元包括：
[0015] IP网络比对单元，通过时码转IP方式，采用自定义的同步数据包，实现网内的主从时差传递，从而实现双向时间同步，通过多个
节点的综合解算，实现网络化时间高精度同步；
[0016] 无线信道比对单元，采用FM、AM模式，传输简易时码，实现点对点或者一点对多点的时码双向互传，从而实现高精度时间同步；
[0017] 卫星共视比对单元，通过卫星共视比对接收机单元，实现针对GNSS卫星的精密时间比对。
[0018] 进一步的，通用时差比对单元均采用FPGA+DSP
框架。
[0019] 进一步的，综合解算单元包含信号及信息处理模
块、综合解算模块及接口实现三个部分；主要采用DSP、浮点
数字信号处理器和FPGA框架构成；浮点数字
信号处理器包含2个定点
算术逻辑单元、4个浮点算术逻辑单元、2个乘法器、300MHz时钟速率、2400MIPS共计8个独立的功能单元。
[0020] 一种基于跨平台时间同步装置的跨平台时间同步方法，其特征在于通过点对点电台或IP网络等通信链路，将至少两台跨平台时间同步装置结合各平台自身时频设备，并与各自数传设备形成一个同步系统，实现不同平台间高精度时间一致；具体包括如下步骤：
[0021] (1)初始化；
[0022] (2)本地时钟状态设为主节点，构建同步数据包、接续数据包，固定间隔发出；
[0023] (3)监听网络上数据包，调用最佳主节点模块算法来判断本地时钟的状态。
[0024] (4)判断为主节点，则按照所设定的时间间隔继续向网络中周期性地发送同步数据包和接续数据包；收到从节点发来的延迟
请求数据包，则回复延迟请求应答数据包；
[0025] (5)判断为从节点，则发送延迟请求数据包，接收延迟请求应答数据包并计算出从节点与主节点的时间偏差值，对本地时钟的时间进行调整；
[0026] (6)从节点时启动接收超时
定时器，在设定的时间内若本地时钟端口接收不到其他时钟发来的数据包，则系统将把本地时钟的状态强制设定为主节点状态，向网络发送数据包。
[0027] 本发明的原理如下：
[0028] (1)时标信息的数字化，其途径主要是精确标记时间发出和接收时间的记录，并追加记录信息，对每一条信息增加一个“时间戳”。接收端就可以计算出自己在信道中的时钟误差和延时。
[0029] (2)最佳主节点算法适应分布式时频架构。
[0030] 时钟的主节点定期，间隔可以为10Hz、1Hz、0.1Hz等，间隔严格同步。发送信息(同步数据包)包含了一个时间戳，精确地描述了数据包发出的预计时间。并对实际发送时间进行测量，在下一个同步数据包中标记；接收端利用物理测量方式获得同步数据包的真实接收时间，接收端可以利用接收的下一个同步数据包中的获得的真实发出时间，进行运算后，可以计算出从属时钟与主节点之间的时差，并据此更正从属节点的时间。但是此时计算出的时差包含了网络传输造成的延时。通过多次接收，采用最大似然估计方法，从而计算出传输延时和时钟误差。
[0031] (3)双向精确时间比对
[0032] 基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从节点通过与主节点交换同步数据包而与主节点达到同步。这个同步过程分为漂移测量阶段和偏移测量与延迟测量阶段。
[0033] 第一阶段修正主节点与从节点之间的时间偏差，称为漂移测量。在修正漂移量的过程中，主节点按照定义的固定间隔时间周期性地向相应的从节点发出惟一的同步数据包。这个同步数据包包括该数据包离开主节点的时间估计值。主节点测量传递的准确时间，从节点测量接收的准确时间。之后主节点发出第二条同步数据包，此数据包与上一条同步数据包相关联，且包含同步数据包放到通信路径上的更为精确的估计值。这样，对传递和接收的测量与标准时间戳的传播可以分离开来。从节点根据同步数据包和跟随数据包中的信息来计算偏移量，然后按照这个偏移量来修正从节点的时间，如果在传输路径中没有延迟，那么两个时钟就会同步。
[0034] 为了提高修正精度，可以把主节点到从节点的数据包传输延迟等待时间考虑进来，即延迟测量，这是同步过程的第二个阶段。
[0035] 从节点向主节点发出一个“延迟请求”数据数据包，在这个过程中决定该数据包传递准确时间。主节点对接收数据包打上一个时间戳，然后在“延迟响应”数据包中把接收时间戳送回到从节点。根据传递时间戳和主节点提供的接收时间戳，从节点计算与主节点之间的延迟时间。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间比偏移值测量间隔时间要大。这样使得通信信道尤其是设备终端的负荷不会太大。采用这种同步过程，可以消减主从节点间的等待时间。
[0036] 相对于
现有技术，本发明利用数传共视比对和高性能驯服钟技术，改变了原有的时频设备仅仅注重提供时标信号、无法实时提供高精度的同相频率基准信号的模式；采用无线双向比对实现两个单元之间的精度校正，并利用高性能驯服钟实现各独立节点的授时能
力和高精度频标输出，从而将原有的金字塔结构改造为分布式视频结构。任何一个节点故障可以通过分布式时频网络，从另一节点获取高精度时标和频标。能有效解决在没有卫星授时信号情况下不同运动平台间的高精度时间统一问题，军事意义、经济效益明显。
附图说明
[0037] 图1是本发明跨平台时间同步装置组成
框图。
[0038] 图2是本发明中的综合解算单元
硬件平台框架图。
[0039] 图3是本发明中的通用时差比对单元硬件平台框架。
[0040] 图4是本发明中的时频信号扩展单元硬件平台框架。
[0041] 图5本发明跨平台时间同步装置应用实例。
[0042] 图6为本发明跨平台时间同步方法
流程图。
具体实施方式
[0043] 根据本发明实施的跨平台时间同步装置如图1所示，通过点对点电台或IP网络等通信链路，将跨平台时间同步装置结合各平台自身时频设备实现不同平台间高精度时间一致；主要包括：
[0044] 通用时差比对单元,外部通过协议及信号转换、调理，将时差信号馈送到通用时差比对单元，进行实时解算；
[0045] 综合解算单元,对通用时差比对单元各个比对单元的基础测量数据，进行综合解算，内置主时钟算法，可以实现高效的时差处理、修正信息输出；同时对其他多个单元进行综合协同管理；
[0046] 驯服钟单元，接收外部时间源的高精度时标信号后，启动内部精度监测，分离出外部时间源的抖动误差，同时将优选后的时标信号送入高精度时间间隔计数器，与驯服钟本地分频秒进行时差比对，比对结果与精度监测值一并送入误差处理单元，通过高性能滤波算法实现对漂移、抖动误差的分离，输出误差修正量；该修正量与阿伦方差的实时预计修正量一起被用来控制精密相差校正和高精度时序机，实现对本地分频秒以及本地频率输出的实时补偿修正，从而输出精准的时间和频率基准信号；
[0047] 数字分频钟,利用驯服钟单元输出的高稳时频标信号进行走时，为时码产生和各种频标信号产生提供各种参考信号；
[0048] 相位微跃计，实现精密相差/时差校正；
[0049] 时频信号扩展单元，用于满足各种类型的信号接口要求，实现信号调理和编号输出信号格式；
[0050] 网络监测接口，用于远程对跨平台时间同步装置进行在线管理。
[0051] 进一步的，上述通用时差比对单元包括：
[0052] IP网络比对单元，通过时码转IP方式，采用自定义的同步数据包(详见附录)，实现网内的主从时差传递，从而实现双向时间同步，通过多个节点的综合解算，实现网络化时间高精度同步；硬件功能采用Ti高性能浮点运算处理平台。硬件平台框架见图3。
[0053] 无线信道比对单元，采用FM、AM模式，传输简易时码，实现点对点或者一点对多点的时码双向互传，从而实现高精度时间同步；
[0054] 卫星共视比对单元，通过卫星共视比对接收机单元，实现针对GNSS卫星的精密时间比对。
[0055] 进一步的，通用时差比对单元均采用FPGA+DSP框架。
[0056] 进一步的，综合解算单元是跨平台时间同步装置的核心。综合解算单元包含信号及信息处理模块、综合解算模块及接口实现三个部分；主要采用DSP、浮点
数字信号处理器和FPGA框架构成；浮点数字信号处理器包含2个定点算术逻辑单元、4个浮点算术逻辑单元、2个乘法器、300MHz时钟速率、2400MIPS共计8个独立的功能单元。硬件平台框架见图2。
[0057] 时频信号扩展单元硬件平台框架详见图4。时频信号扩展单元采用通用设计，可实现接收多路外部输入源综合处理后进行电平转换、分路放大输出。本发明中主要是将来自数字分频钟的TTL电平的NPPS信号经多路驱动和电平转换后，输出多路路RS-422A接口的NPPS信号，输出供用户使用。
[0058] 本发明实际应用环境如图5所示。在不同平台上分别配置跨平台时间同步装置，作为平台内时频设备的输入源；跨平台时间同步设备间通过数传设备(如卫星通信设备、超短波通信设备等)搭建的链路传输自定义数据包，实现时间差测量、时钟状态监测，实现校时与同步。旨在实现不同平台之间时间高精度一致。
[0059] 一种基于上述跨平台时间同步装置的跨平台时间同步方法，详见图6的跨平台时间同步方法流程图；其特征在于通过点对点电台或IP网络等通信链路，将至少两台跨平台时间同步装置结合各平台自身时频设备，并与各自数传设备形成一个同步系统，实现不同平台间高精度时间一致；具体包括如下步骤
[0060] (1)系统上电后，首先初始化时钟端口(驯服钟单元)的各数据集，对本地时钟进行
采样，应用时钟方差的计算公式计算本地时钟的时钟方差估计；
[0061] (2)初始化完成后，将本地时钟状态设为主节点，根据时钟的数据集构建同步数据包，将同步数据包进行格式转换后送入发送缓冲区并向通信信道发送，同时，系统将同步数据包的发送时间记录下来；构建接续数据包，将同步数据包的发送时间放入数据包中，将跟随数据包进行格式转换并送入发送缓冲区，在同步数据包发出固定间隔后发出；
[0062] (3)在对同步数据包和后续同步数据包发送的同时，时钟端口对网络上的消息进行监听，一旦有消息到来则进行接收，并记下接收时间，根据数据包的识别符进行判断，看接收到的数据包是哪一类数据包，如果接收到的数据包是同步数据包，则将数据包进行解包并对接收到的数据包进行接收处理，若接收到的同步数据包为有效数据包，则调用最佳主节点模块算法来判断本地时钟的状态。
[0063] (4)如果本地时钟的状态在运行最佳主节点算法后仍为主节点，则按照所设定的时间间隔继续向网络中周期性地发送同步数据包和接续数据包；若主节点收到从节点发来的延迟请求数据包，则将延迟请求数据包到达的时间记录下来，构建延迟请求应答数据包并将延迟请求数据包到达主节点的时间放入数据包中；在构建好延迟请求应答数据包后，主节点将数据包进行格式转换后送入发送缓冲区发送给从节点；
[0064] (5)如果本地时钟的状态在运行了最佳主节点算法后变为从节点，则系统将根据设置构建延迟请求数据包，将延迟请求数据包进行格式转换并送入发送缓冲区向主节点发送；系统将延迟请求数据包的发出时间记录下来，继续等待接收数据包；当本地时钟收到跟随数据包时，本地时钟将对数据包解包并从数据包中提取出同步数据包发送的时间；当从节点收到延迟请求应答数据包时，将数据包解包并从延迟请求应答数据包中提取出主节点收到延迟请求数据包的时间；计算出从节点与主节点的时间偏差值，对本地时钟的时间进行调整；
[0065] (6)当本地时钟处于从节点时，系统将启动接收超时定时器(图1中综合解算单元内，FPGA产生的软定时器)，在设定的时间内若本地时钟端口接收不到其他时钟发来的数据包，则系统将把本地时钟的状态强制设定为主节点状态，向网络发送数据包。
[0066] 附录：自定义通信协议
[0067] 采用CCITT推荐格式，考虑到压缩数据量，因需要传输时差修正信息，所以对标准格式进行了改进。
[0068] 格式说明：
[0069] 每个信息由6字节的
帧打包而成，每个信息帧是帧头和数据段构成。RTK及时间差分定义三种信息类型：
[0070] ②观测数据信息-载波相位和随机测量数据
[0071] ②节点信息
[0072] ③主节点描述信息-名字和描述的ASCII信息
[0073] ④时差传递信息：比对时标信息及本地偏差预测量
[0074] 附表1压缩测量记录结构
[0075]传输结构 传输字节数
包头 4字节
观测数据信息开始段(类型0) 6字节
节点1观测数据信息 8字节
节点2观测数据信息 8字节
…………… ………
节点n 8字节
包尾 2字节
……………………….. ……………
时差数据信息包
…………………………..
……………………………..
时差数据信息包
[0076] (2)包定义
[0077] 每个信息都是以6字节的帧发送的，详细的包结构如表2。
[0078] 包由传输开始标识字段，信息类型字段，信息长度字段，信息数据字段，校验码字段，传输结束标识字段构成。
[0079] 附表2包定义
[0080]
[0081] 尽管数据校验字段提供防止包出错能力，数据链路也要提供额外和充足的错误检测制来确保流动站接收到的信息内容是有效的。
[0082] (3)时差信息子块：
[0083]参数 比特数 范围 单位 描述
PRN 4 1-50 节点编号
STTIME 6 比对时刻
TRKL 5 比对
跟踪长度
REFSV 4 单位0.1ns 本地参考时差
TIC 5 未修正时差
MDTR 4 单位0.1ns 播延时
预留 5
