试验舰PTP时间同步系统设计

黄富良

摘要：针对当前靶场试验舰时间同步系统的不足，设计了一种基于PTP协议的高可靠性时间同步系统。研究分析PTP同步原理，重点结合试验舰测控同步需求和舰载网络特点，提供了具体的方案设计和PTP授时模块的硬件实现。系统采用标准化通用模块设计，兼容原有时间同步系统，并具有良好的扩展性。仿真测试验证系统在非PTP链路上可实现微秒级同步，适用于试验舰分布式测控场景下的高精度时间的灵活接入，为试验舰时间同步系统网络化迁移部署提供有益参考。

关键词：时间同步;PTP协议;IEEE1588标准;测控系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）08-0165-05

0 引言

试验舰是靶场开展海上试验任务的重要平台。试验舰中安装多类型的测量控制系统，各系统间的联合测量需要精密的时间统一。目前部分试验舰安装了专用的时间统一系统，采用专线方式将IRIG-B码从时间服务器传输至舱室固定安装的末端转接箱，再通过转接箱将时间信息接入至各测控系统。由于采用专线与固定末端转接箱，且接口有限，限定了测控系统的安装位置和接入数量，难以满足现代试验舰大量分布式测控系统对时间同步信号灵活接入需求。

随着网络信息技术发展，现代舰船具有通达全舰的网络系统。利用舰载网络系统接入与传输高精度时间，可有效解决现有试验舰现有时统接口不足及布线问题。通用的网络时间同步协议主要有NTP（Network Time Protocol）和PTP（Precision Time Protocol）[1]。其中，NTP协议应用广泛，但其同步精度通常为毫秒级[2-3]，不能满足试验测控高精度同步要求。PTP协议可实现微秒级的时间同步精度[4]，且较NTP协议占用更少的网络资源，更适合在以太网传输的网络系统使用[5]。采用基于PTP协议和现有舰载网络平台的同步系统设计，减少专用线缆的重新布设，便于多设备灵活接入，可很好地解决原有时间同步系统的不足，非常适用于试验舰分布式测量系统的时间同步。

1 PTP时频同步原理

PTP协议，也称为IEEE 1588标准，是利用网络通信技术进行测量和控制时钟精确同步的协议[6]。PTP协议通过记录主从时钟设备之间事件报文交换时产生的时间戳，计算出主从时钟之间的路径延迟和时间偏移，实现主从时钟设备之间的时间和频率同步[7]。

PTP计算平均路径时延包括延时请求响应机制（E2E）和对端时延机制（P2P）两种。本文以E2E机制在双步时钟模式为例说明PTP时间同步原理，其同步过程如图1所示。

（1）建立主从关系后，主时钟设备在时刻Tm1向从时钟设备发送Sync报文，从时钟设备在时刻Ts1接收到Sync报文;

（2）随后主时钟设备在Follow_Up报文中将时间戳Tm1传送至从时钟设备，从时钟设备从接收到的Follow_Up报文中提取时间戳Tm1;

（3）从时钟设备在时刻Ts2发送Delay_Req报文给主时钟设备;

（4）主时钟设备在时刻Tm2接收到Delay_Req报文，随后通过Delay_Resp报文将时间戳Tm2发送给从时钟设备。经过一个报文周期后得到Tm1、Ts1、Tm2、Tm2四个时值戳[8]。

上述报文离开和到达时打戳的时钟都是基于本设备内部的系统时钟。

假设主时钟到从时钟的发送路径延时是Tms，从时钟到主时钟的发送路径延时是Tsm，从时钟和主时钟之间的时间偏差为Toffset，则有：

PTP协议不仅可实现主从钟的时间同步，还可实现主从钟的频率同步。主时钟设备周期性地发送Sync报文，主从时钟分别记录收发对应的时戳值，通过比较相同时间间隔内主从时钟的时戳值差，利用差值修正从钟的频率，进而实现主从钟的频率同步。

2 PTP时间同步系统设计

时间同步系统是靶场试验测控体系不可缺少的组成部分，其工作状态及精度影响着整个试验任务的质量与成败。相比岸基时统站，试验舰平台的时间同步手段少，在保证同步精度前提下，需重點关注其可靠性设计。同时还需考虑与现有时统系统、用户设备的兼容性，以及满足未来精度提升和功能拓展的可扩展性需求。

2.1 时间同步系统功能组成

试验舰PTP时间同步系统组成如图2所示，主要由PTP服务器、舰载网络系统、PTP同步终端组成。舰船PTP服务器通过北斗卫星授时获得时间参考源，实现与岸基主站以及其他舰船时统站的基源时间统一。采用PTP协议通过舰载网络将基准时间信息传递至各PTP同步终端，通过PTP同步终端向测控设备提供所需的时码信号。这样，通过舰船PTP时间同步系统实现了从卫星接收到的上游基准时间传输至末端的测控设备的功能，保证了舰岸、舰舰以及全舰舰载分布式测控系统的时间统一。

系统保留了传统的时统同步方式，如图2虚线部分所示，在输入方向保留了1pps+TOD作为参考源，在输出方向保留IRIG-B码、1pps+TOD等标准时频信号接口。这种冗余式设计，实现了新旧系统的兼容衔接，同时提升了时间同步系统保障试验任务的灵活性和可靠性。

2.2 PTP时间服务器

PTP时间服务器是试验舰PTP时间同步系统的核心，作为系统主时钟和全网时钟源，其工作状影响着整个系统的运行，总体及组件坚持冗余设计原则，以提高系统的可靠性。采用双时间服务器设计，可设置手动或者采用最佳主时钟BMC（Best Master Clock）算法[9-10]自动选择最优时钟作为主时钟，采取双机热备方式实现在单台服务器故障时无缝切换。

PTP时间服务器采用模块化设计，如图3所示，主要由北斗、时频输入、频标、时频输出、PTP授时、B码输出、电源、显示等模块组成，各模块间通过背板总线互联并交互信息。采取双参考模块设计，北斗模块通过北斗卫星，时频输入模块通过1pps+TOD参考信号获取标准时间，模块内部配置时差测量单元，测量参考与设备本地时间，并将两者时差信息送往频标模块;配置双冗余原子钟铷频标模块，接收参考模块的时差信息以实现对本地频率源校准和时间同步，具备守时功能，并产生1pps+TOD、B（DC）、10MHz等时标信号，送往总线;PTP模块通过选切开关选取总线上相应频标的1pps+TOD、10MHz信号维持网络时戳实现PTP授时功能;同时保留1pps+TOD、10MHz、B（DC）三种传统时标信号输出功能。