一種基于NTP的偽衛(wèi)星時(shí)間同步方法

赫美琳，高明惠，祝瑞輝，楊開(kāi)偉

（1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，葫蘆島 125001；2.海軍航空大學(xué)，煙臺(tái) 264001；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081；4.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081）

1 引言

1988年，美國(guó)特拉華大學(xué)教師DavidL.Mills主持開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）的第一個(gè)版本，并在RFC-1059中完整描述了NTP的規(guī)范和相關(guān)算法[1]，之后隨著電子商務(wù)，作戰(zhàn)系統(tǒng)等民用、軍用技術(shù)的發(fā)展和需要，經(jīng)過(guò)20余年的研究，NTP向著更高精度、更強(qiáng)兼容性和多平臺(tái)的適應(yīng)性方向發(fā)展，大大增加了應(yīng)用范圍，目前已有了第四個(gè)版本。

偽衛(wèi)星是一種類衛(wèi)星的地面導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射設(shè)備[2]，布設(shè)在地面上，可使用戶不修改接收機(jī)硬件，只更改軟件就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的功能，特別在衛(wèi)星信號(hào)受遮擋或微弱的情況下能增強(qiáng)接收機(jī)的定位精度，既可以同衛(wèi)星組網(wǎng)聯(lián)合定位，也可獨(dú)立組建定位系統(tǒng)，是一種對(duì)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)的相對(duì)獨(dú)立定位系統(tǒng)。當(dāng)偽衛(wèi)星不具有時(shí)鐘計(jì)時(shí)功能時(shí)，無(wú)法向用戶發(fā)射包含周內(nèi)秒和周計(jì)數(shù)信息。

本文結(jié)合NTP原理，將網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步應(yīng)用到偽衛(wèi)星開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，針對(duì)偽衛(wèi)星對(duì)時(shí)間精度要求在秒級(jí)的特點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)化的偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)同步方法（Sample Pseudolite Network Time Protocol，SPNTP），精度可到達(dá)10ms，滿足偽衛(wèi)星系統(tǒng)的需求。

2 NTP原理簡(jiǎn)介

網(wǎng)路時(shí)間協(xié)議（NTP），規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文格式和相關(guān)時(shí)間處理算法，使用具有精確、穩(wěn)定時(shí)間源對(duì)時(shí)間精度較低的設(shè)備進(jìn)行精確校時(shí)，避免因每個(gè)設(shè)備安裝高精度時(shí)鐘硬件而提高成本，即提高經(jīng)濟(jì)效益又保證了精度。

2.1 NTP組成

NTP通過(guò)其規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文可簡(jiǎn)單的計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和計(jì)算機(jī)時(shí)間差。協(xié)議規(guī)范如圖1所示[3]。

NTP頭包含48個(gè)字節(jié)，從左到右，從上到下依次為：閏秒標(biāo)識(shí)器（2 bits）、版本號(hào)（2 bits）、模式（3 bits）、層（8 bits）、測(cè)試間隔（8 bits）、精度（8 bits）、根延時(shí)（32 bits）、根離散（32 bits）、參考時(shí)鐘標(biāo)識(shí)符（32 bits）、參考時(shí)間戳（64 bits）、原始時(shí)間戳（64 bits）、接收時(shí)間戳（64 bits）、傳送時(shí)間戳（64 bits）。

圖1 NTP字段組成

NTP的報(bào)文規(guī)范保證了校時(shí)所需的全部信息。NTP有三種功能模式，分別為對(duì)稱模式、客戶端/服務(wù)器模式、廣播模式，本文根據(jù)偽衛(wèi)星的特點(diǎn)和實(shí)際工作情況選用客戶端/服務(wù)器模式和廣播模式進(jìn)行了研究實(shí)驗(yàn)，客戶端/服務(wù)器模式是客戶端（待校時(shí)設(shè)備）向服務(wù)器（精確時(shí)間源）發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，服務(wù)器接收到請(qǐng)求報(bào)文后，發(fā)送一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，客戶端接收并解析應(yīng)答報(bào)文后計(jì)算時(shí)間延遲和時(shí)間差；在廣播模式中，由一臺(tái)或多臺(tái)時(shí)間源向聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)中的所有待校時(shí)設(shè)備發(fā)送校時(shí)報(bào)文，待校時(shí)報(bào)文可選擇接收。廣播網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)客戶端和上級(jí)服務(wù)器都可組成客戶端/服務(wù)器模式，因此以客戶端/服務(wù)器模式為例來(lái)闡述本文提出的方法。

2.2 SNTP工作原理

NTP對(duì)時(shí)架構(gòu)包括四個(gè)層次的時(shí)鐘，第二層是主服務(wù)器，經(jīng)上一層的參考時(shí)間源（GPS、電話調(diào)制器等）校時(shí)，對(duì)下一層的從服務(wù)器或客戶端進(jìn)行校時(shí)，第四層全部是客戶端，NTP規(guī)定最后可有16層。當(dāng)主服務(wù)器直接與客服端相連，且主服務(wù)器只有一個(gè)時(shí)，系統(tǒng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Sample Network Time Protocol，SNTP）[4]，如圖2所示 ：SNTP方法系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)穩(wěn)定、精確的服務(wù)器，時(shí)間差和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)參數(shù)計(jì)算方便，適用于對(duì)時(shí)間精度要求不高的時(shí)間待校正系統(tǒng)。

3 簡(jiǎn)化的偽衛(wèi)星校時(shí)方法

3.1 NTP校時(shí)方法

經(jīng)典的NTP校時(shí)方法認(rèn)為系統(tǒng)中存在多個(gè)服務(wù)器和多個(gè)客戶端，客戶端在一次本地時(shí)鐘校正時(shí)與所有服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和過(guò)濾，通過(guò)交集和聚類算法選擇符合要求的時(shí)鐘源來(lái)校正客戶端時(shí)間，方法流程如圖3所示：

圖2 SNTP對(duì)時(shí)構(gòu)架

圖3 NTP校時(shí)流程

該方法需要多個(gè)穩(wěn)定、精確的服務(wù)器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理繁瑣，代價(jià)較高，對(duì)于有多個(gè)精確、穩(wěn)定時(shí)鐘源和對(duì)時(shí)間精度要求較高的場(chǎng)合，該方法能取得較高的精度。

3.2 SPNTP校時(shí)方法

客戶端打包一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的NTP查詢報(bào)文發(fā)送給服務(wù)器，發(fā)送時(shí)間為T1，服務(wù)器接收到該查詢報(bào)文時(shí)間為T2，服務(wù)器回復(fù)信息報(bào)文時(shí)間為T3，T4為客戶端受到服務(wù)器的回復(fù)報(bào)文時(shí)間。δ1為查詢報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，δ2為回復(fù)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，θ為客戶端與服務(wù)器的時(shí)間差，當(dāng)主服務(wù)器直接和客戶端相連，且服務(wù)器只有一臺(tái)時(shí)，不再需要交集和聚類算法，當(dāng)對(duì)時(shí)間精度要求不高時(shí)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可有下式估算：

假設(shè)δ1，δ2相等，即網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)稱，則有

當(dāng)偽衛(wèi)星沒(méi)有時(shí)鐘機(jī)制時(shí)，無(wú)法向服務(wù)器提供參考時(shí)間T1，同樣也無(wú)法得到接收回復(fù)報(bào)文時(shí)間T4，因此上述的計(jì)算方法將不再適用，此時(shí)，對(duì)精度要求只有秒級(jí)的偽衛(wèi)星可直接采用T3作為當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間，忽略網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)時(shí)間，即可得到周內(nèi)秒，周計(jì)數(shù)。SPNTP數(shù)據(jù)交互如圖4所示。

圖4 SPNTP數(shù)據(jù)包交互時(shí)序圖

在偽衛(wèi)星與時(shí)間服務(wù)器組成的廣播網(wǎng)絡(luò)中，偽衛(wèi)星首先接收服務(wù)器廣播的NTP報(bào)文，提取傳送時(shí)間戳信息，作為偽衛(wèi)星的T1時(shí)刻，當(dāng)向服務(wù)器發(fā)送查詢報(bào)文時(shí)，可將T1打包成參考時(shí)間戳，以后每當(dāng)接收到服務(wù)器的回復(fù)報(bào)文時(shí)，提取傳送時(shí)間戳更新偽衛(wèi)星的T1時(shí)間，同時(shí)作為偽衛(wèi)星當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間，用于生成周內(nèi)秒，周計(jì)數(shù)電文信息。當(dāng)系統(tǒng)工作在客戶端/服務(wù)器模式時(shí)，客戶端首先向服務(wù)器發(fā)送查詢報(bào)文，其中參考時(shí)間戳可估計(jì)一個(gè)大概值，當(dāng)收到服務(wù)器的回復(fù)信息時(shí)，同廣播模式處理方法相同。

4 實(shí)驗(yàn)分析

采用無(wú)計(jì)時(shí)功能的XXX型偽衛(wèi)星，兩根1.5m長(zhǎng)度2M網(wǎng)線，型號(hào)為S2700-9TP-PWR-EI華為交換機(jī)，服務(wù)器選用經(jīng)精確時(shí)間原不斷同步的計(jì)算機(jī)，分別在客戶端/服務(wù)器模式和廣播模式進(jìn)行試驗(yàn)。在服務(wù)器上編寫一個(gè)延時(shí)測(cè)試程序，向偽衛(wèi)星發(fā)送測(cè)試報(bào)文，記下發(fā)送時(shí)刻時(shí)間，偽衛(wèi)星接收到測(cè)試報(bào)文后在下一條語(yǔ)句向服務(wù)器發(fā)送回復(fù)報(bào)文，服務(wù)器再記錄下接收到客戶端回復(fù)報(bào)文時(shí)的時(shí)刻，每種模式進(jìn)行20次試驗(yàn)，步長(zhǎng)為1s，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 客戶端/服務(wù)器模式下網(wǎng)絡(luò)延遲情況

表2 廣播模式下網(wǎng)絡(luò)延遲情況

由表1和表2可以看出，兩種模式下，往返一次的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大都在毫秒級(jí)以下，少數(shù)延時(shí)偽0.001s，對(duì)于精確要求為秒級(jí)的偽衛(wèi)星而言，可以完全忽略掉網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的問(wèn)題，這就證明了本文提出的基于NTP的簡(jiǎn)單時(shí)間同步方法的可行性，即可直接才用服器的transmit timestamp（傳送時(shí)間戳）作為偽衛(wèi)星當(dāng)前時(shí)刻來(lái)打包周內(nèi)秒，周計(jì)數(shù)信息電文。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合NTP校時(shí)原理，針對(duì)偽衛(wèi)星不具有時(shí)鐘計(jì)數(shù)功能的特點(diǎn)，提出了一種基于NTP的簡(jiǎn)單偽衛(wèi)星校時(shí)方法，使偽衛(wèi)星能夠不斷獲取服務(wù)器回復(fù)報(bào)文時(shí)刻的時(shí)間，為周內(nèi)秒，周計(jì)數(shù)電文的打包提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，同時(shí)保證偽衛(wèi)星同步工作，精度可達(dá)到秒級(jí)，滿足偽衛(wèi)星工作需要。

[1] Mills，D.L.Network Time Protocol（version 1）-specification and implementation.DARPA Network Working Group Report RFC-1059，University of Delaware，July 1988.

[2] 耿建平，唐先紅，欒慎杰.CAPS中偽衛(wèi)星技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2012：1-10.

[3] 王圣懂，方建勇，劉新友.基于NTP協(xié)議的一種校時(shí)的實(shí)現(xiàn)及相關(guān)算法[J].2011，33（1）：101-107.

[4] Mills，D.，D.Plonka and J.Montgomery.Simple network time protocol（SNTP）version 4 forIPv4，IPv6 and OSI.Network Working Group Report RFC-4330，University of Delaware，December 2005，27 pp.