北斗授时技术在智慧边境管控中的应用分析

方国盛,邱祖雄,马广新,杨天然

(上海泰坦通信工程有限公司,上海 201204)

智慧边境管控系统以可视化综合平台为主线,以时空平台为基础数字底座,运用大数据、云计算、微服务、5G边云控制、北斗授时、北斗定位、北斗短报文、融合通信等现代信息通信技术,通过对公安强边固防信息化应用的全面升级,实现多源报警、应急指挥、警务管理、态势研判的智能化[1]。智慧边境管控系统通常由视频监控系统、边境周界入侵管控系统、北斗定位与短报文通信系统、实景三维建模系统、5G边云结合控制系统、物联网平台等组成。这些系统的摄像头、无人机、5G边云控制器、数据库服务器、应用服务器、办公PC机等终端需要更好的时间同步[2-3]。

智慧边境管控系统的各终端和服务器需要统一的时间以实现业务协同。目前广泛应用的无线授时方式为卫星授时,主要有GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo四大全球卫星导航系统;有线授时方式为NTP网络对时,NTP协议是全球应用最为广泛的网络对时协议,绝大部分网络设备和服务器都支持NTP[4]。

针对以往边境管控系统采用软件NTP方式与兼作时间服务器的通用服务器对时,导致各应用终端(如摄像头、数据服务器等)出现时间不准确、不在控等问题,研究高精度北斗授时、硬件生成NTP时标、NTP实时探测等技术,开展基于北斗授时技术的边境管控统一时间基准应用研究,探讨时间的闭环管理方法,实现边境管控系统各节点应用终端的时间精准统一于高精度北斗时间源和边境管控系统时间安全显著提升的目标。以往的边境管控系统通常采用通用服务器兼作时间服务器,导致各应用终端(如摄像头、数据服务器等)的时间不准确。其原因主要有:①通用服务器不能接收卫星时间,时间准度低;②通用服务器必须处理大量的比对时更为重要的程序,往往会中断NTP对时进程,造成较大的延时抖动,影响对时准确性;③面临大量对时请求的集中到访,由于其对NTP对时报文的处理能力有限,造成过长的NTP对时报文处理时间,导致授时不准;④通用服务器一般是以廉价的振荡电路或石英钟为基础,频率稳定度在±10-4左右,每天的误差可达数秒;⑤通用服务器时间偏差过大后不能自动调整偏差。通用服务器兼用作对时存在准确度低、可靠性低、安全性差、可管理性弱等问题,已不能满足智慧边境管控系统时间统一的需求。

本文深入探讨智慧边境管控系统对时间同步的需求和关键技术的选择,提出基于北斗卫星导航系统的增强网络对时和时间闭环管理的解决方案,并进行实例应用,旨在为智慧边境管控系统各应用终端和服务器提供统一时间基准和时间闭环管理,为边境管控业务应用全面赋能。

1 授时技术在智慧边境管控时间统一的需求分析

1.1 北斗卫星授时

北斗卫星导航系统是中国自主研制的全球卫星导航系统,它由5颗GEO卫星、27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星组成。北斗频段B1为1 559.052～1 591.788 MHz,B2为1 166.22～1 217.37 MHz,B3为1 250.618～1 286.423 MHz。采用无线电测定业务(RDSS)系统的单向授时精度为100 ns。北斗授时信号由北斗时(BDT)控制,是由多台高精度原子钟组成和保持的原子时,其基本单位“秒”的秒长与国际原子时(TAI)保持一致,连续计数,不闰秒。北斗时与UTC的偏差小于100 ns。北斗卫星导航系统是我国自主可控系统,安全、可靠、稳定,保密性强,适用于国防、公安等关键部门。时间服务器一般采用单向授时(RNSS),用户机不需要与地面中心站进行交互,只需要接收卫星的播发广播授时信号。BDT控制中心站主原子钟、主钟监控RNSS卫星上的星载原子钟,定期注入更新各卫星星载钟的钟差参数,星载钟控制/产生卫星导航信号电文,并播发授时信号,下传到用户接收终端。采用一次下变频射频技术,实现北斗卫星信号的快速捕获、跟踪、解调功能,恢复出卫星数据和同步信号。结合高精度北斗卫星授时数据处理技术与高精度数字时频标合成技术,完成卫星轨道数据的平滑滤波和最优估值、电波的电离层校正、多普勒校正、电波时延等计算、TOD时间信息输出和时标信号合成控制。设计输出1PPS性能指标优于100 ns。如图1所示[5]。

图1 北斗接收机授时原理

1.2 NTP网络授时

NTP对时原理如图2所示。其中,T1为客户方发送查询请求时间(以客户方时间系统为参照);T2为服务器收到查询请求时间(以服务器时间系统为参照);T3为服务器回复时间信息包时间(以服务器时间系统为参照);T4为客户方收到时间信息包时间(以客户方时间系统为参照)[6-7];d为收发延迟时间,d=(T4-T1)-(T3-T2);t为客户端相对于对时服务器的时间偏差,t=(T2-T1)+(T4-T3)/2(发送和响应的延迟时间相同时)。利用时间偏差t修正客户机,实现客户机与对时服务器的时间同步[6-7]。

图2 NTP对时原理

被授时终端(常指计算机系统)通过NTP对时协议与时间参考源服务器进行报文交换,可计算出自身时间与标准参考源的时间偏差,并以参考源服务器的时间为标准纠正自身的时间,进而实现实时的时间同步。

NTP协议对网络时延的抖动非常敏感,如果网络性能不好,会导致NTP客户端跟踪不准,网络的抖动性能和跟踪的准确度成正比[8]。

普通软件NTP在应用层打时间戳,如图3所示,网络层和应用层协议栈延时抖动对精度的影响大,同步精度低,属毫秒级[9-10]。测量精度为0.15 ms,如图4所示。

图3 普通软件NTP应用层打时间戳原理

图4 软件NTP授时精度测量曲线

1.3 智慧边境管控时间统一需求

(1)可视化平台需要时间统一。根据时间和位置在大量视频中找到关键目标,确定目标轨迹,提高研判的准确性,提升警综平台信息的相互关联和深度分析应用水平,更好地发挥基于大数据的警务云的作用。

(2)时空平台需要时间统一。时空大数据80%以上涉及空间信息、时间信息,空间信息和时间信息的准确性对数据质量至关重要。

(3)云计算需要时间统一。云中不同计算设备之间控制、计算、处理、应用等数据或操作都具有统一的时序性。

(4)5G边云的SDN网络需要时间同步。SDN/NFV 都需要获得所有网元的业务流和网络资源的大数据,各网元的数据需要同步和绝对时间对齐,以确保网络调度策略的正确性。

(5)物联网IoT需要时间同步。物联网节点定位、节点数据融合、节点状态切换等需要统一的时间信息。

(6)公安应急指挥中心需要准确、统一的时间。语音、数据、视频和多媒体业务融合通信的多点控制器、媒体网关等需要时间同步。

(7)网络设备和网管系统需要时间同步,通过系统状态、告警、日志记录的时间及时序有助于分析查找网络故障原因。

(8)公安网络安全管理需要时间同步。分布式入侵检测系统通过分析相关事件的发生时间、结束时间,以及事件之间的先后关系,发现入侵行为。

2 实现授时的关键技术

2.1 增强NTP技术

增强NTP技术(eNTP)也称为硬件NTP。在以太网驱动层打时标,克服了网络层和应用层协议栈延时抖动对精度的影响,同步精度高,属亚微秒级。如图5、图6所示。

图6 硬件NTP授时精度测量数据

eNTP应用高速FPGA技术,可处理瞬时大流量的NTP请求,抵御“网络风暴”对网络对时的影响,对时精度可达到纳秒级。

eNTP主要由主控FPGA模块、主控MCU模块、NTP接口模块组成,如图7所示。主控FPGA在硬件层面完成了NTP协议栈的功能,NTP协议报文包通过主控FPGA模块完成硬件时标的写入功能,为软件分析、被授时设备封包在网络上的往返延迟提供NTP包的准确硬件时标。

图7 eNTP技术原理

2.2 时间监测技术

为了实现时间闭环管理,同时减少监测设备,最好的技术是NTP监测,它基于乒乓原理实现时间同步设备的时间监测。乒乓法是利用报文离开和返回的时标来计算路径延迟,从而抵消延迟造成的测量误差的方法。乒乓法时间测量原理如图8所示。

图8 乒乓法时间测量原理

T0、T1、T2、T3为装置时标,Δt为钟差,即要测量的对象NTP建立在网络链路延迟对称的假设上,公式为

(T3+Δt)-T0=T3-(T2+Δt)

Δt=[(T3-T2)+(T0-T1)]/2

式中,T0、T3存在于测量发起端,被测对象返回的为T1、T2时标。监测准确度等于NTP的对时准确度[11-14]。

NTP监测组成模型如图9所示。对时监测请求携带时标(报文离开请求端时标T0,报文返回请求端时标T3都在请求端本地,可直接获取),对时监测响应返回报文应至少携带请求报文到达被测端时标T1,响应报文离开被测端时标T2[15-16]。

图9 NTP监测组成模型

基于NTP的监测的时钟设备和被监测设备的NTP协议既支持服务器模式,又支持客户端模式。

2.3 时间管理平台

时间管理平台架构如图10所示,在逻辑上分为3个主要模块:与网元等具体设备进行通信的设备接入模块;将接收到的数据进行加工的数据处理和发布模块;提供北向接口的数据通信模块。

图10 时间管理平台架构

整个系统是一个多机(虚拟服务器)协作运行的分布式系统,在不增加硬件投资的前题下,为了保证整个系统的可靠性,通过引入服务器虚拟化技术实现特定数据处理服务器的虚拟化,并针对前置通信部分进行双重化或者多重化配置,数据处理服务器、数据发布服务器、数据存储服务器均基于物理服务器进行相关数据的备份与故障恢复。通过此种技术架构将很好地化解可靠性和成本之间的矛盾。

平台主要提供拓扑管理、配置管理、性能管理、故障管理子、安全管理和运维管理功能。

3 时间同步在智慧边境管控的应用分析

3.1 智慧边境管控系统时间同步和监测方案设计

时间同步系统由北斗主时钟、显示钟组成,时间监测系统由北斗监测主时钟和一体化网络管理系统组成。时间同步和监测方案如图11所示。

图11 时间同步和监测方案

根据智慧边境管控系统时间统一的需求,在中心节点配置高精度的北斗时钟设备,为北斗定位与短报文通信系统、光纤周界边境入侵管控系统、实景三维建模系统、5G边云结合控制系统、物联网平台系统、空间平台系统、基础数字底座系统、边境管控融合通信系统、可视化应急指挥调度系统、大屏显示系统等边境管控各业务提供对时和监测服务。时钟设备采用eNTP技术,NTP对时和监测精度小于1000 ns。

在所有对时终端服务器内设置多个NTP对时IP地址(与时钟设备的NTP授时端口相匹配),实现对时端口的冗余以提高可靠性。

时钟设备可对所有支持SNTP/NTP协议的对时终端业务设备进行实时时间监测,并将监测结果上传至时钟设备网络管理软件。在软件中可实时查看各终端当前的时间信息及时间精度偏差信息,还可设置偏差告警门限。当对时终端的时间偏差超过门限时,会及时给出报警信息,报警可选择通过短信、邮件等方式发送至相应的管理人员。

外场设备及中心设备(如智能终端设备、中心机房存储设备),在数据传输的过程中可能出现未统一时间基准,导致重要信息漏报或误报。基于北斗的授时技术可为指挥中心监察员、外勤巡逻人员、各部门工作人员及外场设备提供统一的标准时间信息,为其他系统的中心设备提供统一的时间信号。

配置时钟设备网络管理软件,形成时间的闭环管理。时钟设备网络管理软件可安装于专用服务器或现有办公PC机内,远程管理时钟设备并收集展示时钟设备的时间监测数据。时间监测管理系统采用B/S系统架构,网络内的其他PC终端可通过数据网络访问监测管理系统(可设置权限),查看时间监测结果。

3.2 时间同步在智慧边境管控的典型应用情景

(1)情报分析及研判。随着公安边境管控信息化建设的深入开展,其拥有的数据急剧增大,如何从PB级海量数据中发现有价值的信息已经成为当前边境管控系统的一项重要工作。基于时间序列分析的数据挖掘分析能够对这些海量的数据与信息进行快速深入分析和处理,从中找出规律和模式,作出准确预测和综合研判。

(2)时空轨迹分析。根据对案发现场附近各个摄像头监控视频内嫌疑车辆影像,按照时序追踪,结合北斗定位系统,缩短罪犯逃离路线及藏匿地点的侦察时间。

(3)视频辅助侦查。视频辅助侦查就是通过一条卡口捕捉的车辆线索、一张视频抓拍的人物图像、一则系统告警提示等零碎的线索,通过多维数据的碰撞关联快速找出侦破案件的关键点。而精准的时间可以加快侦破进度。

(4)可视化应用。视频监控提供连续的视频流,包括实时视频和历史视频,反映的是监控现场人、车、事等直观信息,是非结构化数据,无法进行快速检索和关联比对。通过结构化语义描述,从视频中提取出时间、空间、关系、人、事、地、物、组织的图像语义,转为结构化数据,实现对海量视频数据的建模分析与数据间的深度挖掘,提升边境管控大数据可视化应用的水平。

(5)网络安全应用。公安系统中计算机网络安全可谓是重中之重,当计算机受到攻击后,如何快速地提取安全日志追踪事件全过程,计算机的时间戳就显得尤为重要。应急指挥中心显示钟为处置和应对突发事件提供统一时间,保障各行动间的协同。

在视频侦查、图像分析等实际视频图像工作中,应用了大量监控摄像、视频数据服务器、5G布控球等设备。利用北斗授时及监测功能,在智慧边境管控系统开展北斗警用授时服务,提供标准化的时间同步与监管服务,提升案件证据链追溯、案件侦破、违章违法处理等工作的可靠性与精准度。

通过对服务器、警用终端和摄像头等用时设备的时间监测,及时发现并纠正了差错时间,消除了错误时间对案件侦破的影响,同时时间监测可以有效防范犯罪分子对时间的恶意攻击和篡改,提升化解风险的能力。

精准统一时间提升了科技情报信息的收集和分析能力,辅助视频侦察能力,促进了大数据分析、人脸识别、无人机巡视等先进技术的营业,提升了反恐和应急能力。

4 结 语

时间同步系统通过赋予数据准确的时间戳而赋能智慧边境管控系统的效能,同时时间监测系统通过在线监测各应用系统终端、各移动终端和视频终端的时间状态,保证智慧边境管控系统的各个单元都始终在统一的时间刻度上协同,提升了赋能的能力。通过时间监测系统的大数据分析,可以预判时间服务器及用时设备的时间偏差变化趋势,及时发现设备的故障或隐患,提升了时间同步和监测系统的保障能力。总之,在智慧边境管控或其他公安信息化系统中推广时间同步和监测系统是非常必要及非常有价值的。