IEEE 1588协议在机载测试系统中的应用及误差分析

谷士鹏，陈新华，高 盼

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

IEEE 1588协议在机载测试系统中的应用及误差分析

谷士鹏，陈新华，高 盼

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

在网络化机载测试系统中，高精度的时钟同步是测试参数时间一致性的基础。为提高网络化机载测试系统中的时钟同步精度，通过深入分析了IEEE1588协议的工作原理，获取时间偏差和线路延迟的计算方法，并针对IEEE1588协议在网络化机载测试系统中的应用，进一步明确影响IEEE1588协议精度的因素和误差来源。在所有误差因素中，网络拓扑结构和网络负载作为IEEE1588时钟同步的主要误差来源，对整个测试系统的时钟同步有着重要的影响。文章的研究成果对于IEEE 1588协议在机载测试系统中的应用具有一定的借鉴意义。

时钟同步精度；IEEE 1588；机载测试；误差分析

在飞行试验中，机载网络化测试系统的时间同步主要以GPS时间信号作为标准时间源，其授时方式包括以下三种:1PPS脉冲同步、网络时间协议同步以及IEEE 1588协议同步[1]。

1PPS脉冲同步虽然精度很高，但是其中没有具体的时间信息，且同步精度随着传输距离的增加而迅速下降，每米的传输延迟可达3纳秒左右[2]。网络时间协议同步（Network Time Protocol，NTP）是一种典型的网络授时协议，它采用严格、实用、有效的授时机制，网络开销少。经过改进的NTP可以在互联网上获取精确和可靠的时间同步，满足物联网和云计算的时间同步需求。但是由于以太网传输过程中存在延时的不确定性，导致NTP同步精度低，其在局域网中的同步精度也只能达到1 ms。IEEE 1588协议具有精度高、无需专用的对时网络、实现方便的优点[3]，可以达到100纳秒的同步精度，成为网络化机载测试系统时钟同步的首选方案。

中国飞行试验研究院自2012年开始逐步构建起网络化机载测试系统，采用了IEEE 1588协议完成系统授时。为了提高机载测试系统时钟同步性，满足测试参数时间一致性的要求，需要深入分析影响IEEE1588时钟同步精度的因素和误差来源。

1　IEEE 1588时钟同步系统工作原理

IEEE 1588时钟同步系统通过主、从设备间报文消息传递，计算时间偏差和线路延迟来达到主、从设备时钟同步[4]。

如果网络中同时存在多个主时钟，则根据最佳主时钟（Best Master Clock，简称 BMC）算法[5]，依据Announce报文中的时钟准确度、优先级等信息进行判定，最终选定一个Grandmaster主时钟发送时间同步报文，而其他非最佳主时钟则全部进入Passive的静默状态[6]。

IEEE 1588时钟同步系统在进行时钟同步之前，需要先进行调谐，并利用调谐的结果修正从时钟产生的时间戳[7]。

时钟同步过程如图1所示，同步消息传递的机制是延时请求响应机制[8]。整个同步过程可分为两个不同的阶段[9]。第一个阶段是时间偏差Toffset测量阶段。主时钟周期性的发出同步报文（Sync报文），间隔时间一般为2 s[10]。从时钟接收到同步报文并记下接收到同步报文的时间值T2。在同步报文发出之后，主时钟会紧接着发送跟随报文 （Follow-up报文），跟随报文将同步报文发出时的准确时间T1传送给从时钟。

图1　IEEE 1588时钟同步协议基本原理

第二阶段是线路延迟Tdelay测量阶段。为了防止报文发送时产生碰撞，在从时钟接收到同步报文后并不是立即发送延迟请求报文（Delay-Req报文），而是随机地等待一段时间，在T3时刻才发出延迟请求报文。主时钟接收到延迟请求报文并记录下接收到延迟请求报文的时间值T4，向从时钟发出包含T4时刻的延迟应答报文（Delay-Resp报文）。

这样从时钟就有了4个时间值:T1、T2、T3、T4。从时钟根据收到的时间信息和自身发送消息的时间，可以计算出与主时钟的时间偏差和线路延迟[11]。从时钟根据 Toffset和Tdelay的值调整本地时钟，可以实现与主时钟的时钟同步[12]。

联立上述方程，可得：

2　IEEE 1588协议在机载测试系统中的应用

2.1网络化机载测试系统的组成

网络化机载测试系统从功能上可以划分为 4层，即传感器层、数据采集层、网络交换层和终端用户层。

传感器根据测试需求分散安装在被试对象各处[13]，机载数据采集单元将采集的传感器信号和总线信号发送到各级网络交换机，网络交换机将测试数据汇总形成网络数据包，并传输至各终端用户，进行数据的存储、检查。同时，网络数据提取设备将需要实时监控的测试参数打包，形成一条PCM数据流进行遥测传输。

2.2网络化机载测试系统的网络拓扑结构

两种常用的网络化机载测试系统的网络拓扑结构示意图如图2所示。其中，DAU表示网络化机载测试系统中的数据采集单元。

图2　两种网络拓扑结构示意图

在星型网络拓扑中（图2左侧结构），每个DAU都通过点对点的方式连接到中央网络交换机[14]（即网络交换机1），由中央网络交换机向目的DAU传送信息。中央网络交换机执行集中式通信控制策略。同时，任何两个DAU之间通信都需要通过中央网络交换机进行。

因此，星形网络拓扑结构的数据传输协议十分简单，易于网络监控和管理。这种结构方式适合于中、小型网络化机载测试系统，中央网络交换机对连接线路可以逐一隔离，便于故障检测和定位。

树形网络结构的结构示意图如图2右侧所示。树形网络拓扑也叫多星级型网络拓扑，是由多个层次得的星形网络拓扑纵向连接而成，树的每一个节点都是网络交换机或者DAU[15]。树形网络拓扑形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下可以形成各级分支。通常，树形网络拓扑至少包含二层网络交换机。

与星型网络拓扑相比，树形网络拓扑易于节点扩充，可以实现复杂测试系统的搭建，因此适用于于大型网络化机载测试系统。

2.3边界时钟

在IEEE 1588时钟同步的过程中，点对点的连接可以提供主时钟和从时钟之间最佳的同步精度。然而，在网络化机载测试系统的实际组网情况中，存在一个主时钟对多个从时钟进行时钟同步的情况，这在星形网络拓扑和树形网络拓扑中都很普遍[16]。

在IEEE 1588时钟同步协议中，为解决上述问题引入了边界时钟的概念。边界时钟一般是一个网络交换机，含有多个PTP时钟端口，主时钟先与边界时钟的一个PTP时钟进行同步，此时边界时钟扮演的是从时钟的角色。等边界时钟与主时钟完成时钟同步之后，边界时钟将作为主时钟与连接到其上面的各从时钟进行时间同步，整个过程如图3所示。

图3　含有边界时钟的主从层级关系示意图

3　机载测试系统中的IEEE1588 时钟同步误差分析

由IEEE1588时钟同步系统工作原理可知，机载测试系统中的IEEE1588时钟同步误差与主时钟的基准时间、主从时钟调谐一致性、时间戳的生成方式、调谐与链路延时的关系、通信路径的对称性、网络拓扑结构、网络节点负载情况等密切相关。

虽然主时钟可能有微小的随机误差，但随机误差一定是呈正负相互交替分布的规律。一旦主时钟提供的基准时间引入系统误差，就会对系统的同步精度和稳定性产生较大影响。机载测试系统中使用的主时钟源一般是高精度的 GPS时间，属于IEEE1588协议中的第1级时钟源（第1级时钟源还包括原子时钟）。

主从时钟调谐一致性是进行时钟同步的基础。式（3）和式（4）中，T2-T3、T4-T1只与时钟自身的时间变化率有关，如果从时钟与主时钟的时间变化率不一致，会对系统的同步精度和稳定性产生巨大的影响。因此，各个时钟必须与主时钟进行调谐，并调整自身的时间变化率。在高性能的机载测试系统中，从时钟可以迅速跟踪到主时钟的时间变化率，从时钟通过改变自身定时器的计数值可以实现主从时钟调谐。

如果时间戳不准确，将直接影响到调谐、时间偏差测量和线路延迟计算的准确性，对系统的同步精度和稳定性产生非常大的影响。IEEE 1588协议是利用硬件来记录报文离开和进入的时间点，即在最靠近网口的物理层来记录时间点，这样就大大地减少了网络协议栈的延迟与时钟抖动。这也是IEEE 1588协议比NTP协议具有更高时间同步精度的主要原因。

由IEEE 1588协议的同步过程可见：在调谐时，需要使用线路延迟来修正主时钟提供的时间信息；在测量线路延迟时，需要使用调谐得到的比值来修正从时钟的时间戳。二者是相互包含的关系[11]。线路延迟是事件报文在通信介质上的传播时延，其与传输距离和传播速度有关。因此，在固定长度的通信介质上，线路延迟是一个相对固定的数值。因此，先测量线路延迟会将从时钟自身的时间变化率误差带入，从而导致调谐时重复计算了从时钟自身的时间变化率，影响调谐结果的准确性。网络化机载测试系统在时钟同步时，先进行调谐，得到一个相对稳定的频率比值后再测量线路延迟。

网络化机载测试系统的通信路径一般不会发生变动，在通信路径不对称性相对固定的情况下，可以忽略链路延迟在传输方向上的差异。

在网络化机载测试系统中，由图2可知，网络交换机一般作为边界时钟来使用。边界时钟的引入改善了网络的拓扑结构，使各网络节点之间的时钟同步都是点对点的时间同步结构。然而，由于边界时钟的存在而导致的时钟抖动对于后端网络节点的影响是十分显著的。尤其在树形三级网络拓扑结构中，边界时钟引起的时钟抖动在第三级数据层上将产生较大的影响。

在理想的IEEE 1588时钟同步系统中，适中的网络负载不会影响报文消息的交互。但是随着网络化机载测试系统的数据采样率大幅提高，网络负载呈现高增长的模式，若主从时钟对报文消息接收出现迟滞，那么就会影响主从时钟的对时精度。

综上所述，网络拓扑结构和网络节点负载是网络化机载测试系统中IEEE 1588时钟同步误差的两个主要来源，在网络化机载测试系统设计时必须考虑这两个因素对于参数时间一致性的影响。

4　结束语

高精度的时间同步系统是网络化机载测试系统的需要。随着网络化机载测试系统在试飞测试中的广泛应用，对各个网络节点的时钟同步要求也会越来越高。IEEE 1588协议[17-18]的出现，为网络化机载测试系统的时钟同步提供了一种切实可行的途径。

然而，在整个IEEE 1588时钟同步系统中，无论哪个环节出现误差都将影响整个系统的同步精度和稳定性，尤其以主时钟、边界时钟和网络负载最为关键，因为如果它们出现误差，整个系统中的每一个时钟都会受影响。因此，主时钟、边界时钟和网络负载的稳定性和误差控制非常重要。在网络化机载测试系统设计中，需要重点关注网络拓扑结构和网络负载对时钟同步误差的影响。

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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稿件编号：201603214

谷士鹏（1989—），男，山东成武人，硕士研究生。研究方向：机载测试与数据遥测。