CN102315929B - 一种地面仿真系统的校时同步控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面仿真系统的校时同步控制器，该控制器针对地面仿真系统各子系统仿真步长不同、并行性和耦合性要求高的特点，采用基于硬件时统模块与校时模块相结合的校时方法，对仿真步长不同的子系统进行校时，保证系统时间的一致性；同时采用基于时戳序的层次进程调度方法，通过层次同步控制技术方案，减少系统控制信息中的冗余信息，保证系统仿真的同步性和并行性，提高系统的耦合度。

Description

一种地面仿真系统的校时同步控制器

技术领域

本发明涉及一种地面仿真系统的校时同步控制器，属于航天器工程技术领域。

背景技术

航天器的地面仿真系统是典型的分布式系统，校时和同步控制是影响系统仿真性能的关键技术。系统仿真过程中必须保证各子系统时间一致性和进程因果时序的正确性，减少仿真交互中的冗余信息，提高系统并行性和耦合性。目前广泛采用和在研的相关技术主要有如下几种：

1、软件校时方法

当前仿真系统多采用计算机晶振时钟作为时钟信号基准，利用软件手段实现各子系统时间校时。软件校时成本较低，便于实现，但因受网络延时和时钟漂移的影响，单一软件校时方法校时精度校低。

2、基于时戳序的线性同步控制方法

现在大部分仿真系统采用基于标量逻辑时钟的线性同步控制方法，算法按照进程标量逻辑时钟判断时戳序，然后按照时戳序非递减的顺序线性提交进行处理。这种同步控制方法虽然保证了交互进程之间因果时序的正确性，但并行性差，交互信息中存在大量冗余控制信息，影响整个仿真系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种地面仿真系统的校时同步控制器，该同步控制器针对地面仿真系统各子系统和模块仿真步长不同、并行性和耦合性要求高的特点，采用基于硬件时统模块与校时模块相结合的校时方法，对仿真步长不同的子系统进行校时，保证系统时间的一致性；同时采用基于时戳序的层次进程调度方法，保证系统仿真的同步性和并行性，提高系统的耦合度。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种地面仿真系统的校时同步控制器，包括硬件时统模块、校时模块和同步控制模块，其中：

硬件时统模块：接收系统仿真启动消息，根据预先标定存储的时钟漂移率和仿真启动消息产生仿真步长脉冲信号，将所述仿真步长脉冲信号转换为仿真步长信息，并以UDP协议在网络中广播所述仿真步长信息；同时将包含所述仿真步长信息的数据包发送给校时模块，并从仿真启动消息中读取时钟漂移率，将时钟漂移率和预先存储的同步上限值发送给校时模块；

校时模块：根据从硬件时统模块接收的时钟漂移率和同步上限值计算系统最大读取误差，并根据同步上限值判断是否需要进行时间补偿，同时计算系统同步周期；从硬件时统模块接收包含仿真步长信息的数据包，并记录N次数据包发送和接收时刻，计算系统网络延迟均值；根据系统同步周期和系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟，同时根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块的步长一致，并将消除网络延迟和保证步长一致的数据包中的仿真数据作为校时仿真数据包发送给同步控制模块，同时将数据包中的读写控制标志发送给同步控制模块；

同步控制模块：接收校时模块输出的读写控制标志和校时仿真数据包，根据校时仿真数据包中的系统仿真进程的时间戳信息计算进程相应向量时钟，根据向量时钟和系统设定的阈值对仿真进程进行分层，设定每层的通讯进程，根据向量时钟的因果时序计算数据包数据在不同层通讯进程之间传递的路径，根据计算的路径进行仿真数据交换，产生同步控制处理后的同步控制数据包，并将同步控制数据包和向量时钟发送给各仿真子系统和仿真模块；

其中N为正整数。

在上述地面仿真系统的校时同步控制器中，校时模块包括误差分析模块、异步长连续校时模块和网络延迟计算模块，其中：

误差分析模块：根据从硬件时统模块接收的时钟漂移率和同步上限值计算系统最大读取误差，并根据同步上限值判断是否需要进行时间补偿，同时计算系统同步周期，并将最大读取误差和系统同步周期发送给异步长连续校时模块；

网络延迟计算模块：从硬件时统模块接收包含仿真步长信息的数据包，并记录N次数据包发送和接收时刻，计算系统网络延迟均值，并将系统网络延迟均值传输给异步长连续校时模块；

异步长连续校时模块：根据从误差分析模块接收的系统同步周期和从网络延迟计算模块接收的系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟，同时根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块步长一致，并将消除网络延迟和保证步长一致的数据包中的仿真数据作为校时仿真数据包发送给同步控制模块，同时将数据包中的读写控制标志发送给同步控制模块。

在上述地面仿真系统的校时同步控制器中，同步控制模块包括向量时钟计算模块和层次同步控制模块，其中：

向量时钟计算模块：接收校时模块输出的读写控制标志和校时仿真数据包，根据校时仿真数据包中的系统仿真进程的时间戳信息计算进程相应向量时钟，并将向量时钟以因果时序传递给层次同步控制模块；

层次同步控制模块：接收向量时钟计算模块输出的向量时钟，根据系统设定的阈值对仿真进程进行分层，设定每层的通讯进程；根据向量时钟的因果时序计算消息在不同层通讯进程之间传递的路径；根据计算的路径进行仿真数据交换，产生同步控制处理后的同步控制数据包，并将同步控制数据包和向量时钟发送给各仿真子系统和仿真模块。

在上述地面仿真系统的校时同步控制器中，异步长连续校时模块包括子系统步长分析和线性连续函数校时计算两个处理过程，其中子系统步长分析根据系统同步周期和系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟；线性连续函数校时计算根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块步长一致。

在上述地面仿真系统的校时同步控制器中，网络延迟计算模块中根据基于统计的计算方法计算系统网络延迟均值

具体过程如下：

假设时间服务器为节点M，子系统为节点S，M向S发送n个带有M机时间戳T_i的信息，T_i为第i个同步包发送时刻；

S接收到同步包时记录本机时刻Q_i，则S对M的时钟估计为： $T_{\mathrm{est}}=Q_n-\stackrel{\‾}{Q\left(n\right)}+\stackrel{\‾}{T\left(n\right)}+\stackrel{\‾}{d},$

其中

为n次传输的网络延迟平均值，Q_n为第n次数据包接收时间，n为正整数，且n≥2。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明校时同步控制器针对地面仿真系统各子系统仿真步长不同、并行性和耦合性要求高的特点，采用基于硬件时统模块与校时模块相结合的校时方法，对仿真步长不同的子系统进行校时，保证系统时间的一致性；

(2)本发明校时同步控制器采用基于统计的异步长校时技术方案，提高校时精度，减小网络延迟的影响；

(3)本发明校时同步控制器采用基于时戳序的层次进程调度方法，通过层次同步控制技术方案，减少系统控制信息中的冗余信息，保证系统仿真的同步性和并行性，提高系统的耦合度。

附图说明

图1为本发明校时同步控制器结构示意图；

图2为本发明校时模块结构示意图；

图3为本发明同步控制模块结构示意图；

图4为本发明校时模块的校时过程示意图；

图5为本发明同步控制模块的同步控制过程示意图；

图6为本发明实施例中校时模块进行校时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明校时同步控制器结构示意图，由图可知校时同步控制器包括硬件时统模块、校时模块和同步控制模块，硬件时统模块接收系统仿真启动消息，根据预先标定存储的时钟漂移率和仿真启动消息产生仿真步长脉冲信号，由仿真卡将仿真步长脉冲信号转换为仿真步长信息，并以UDP协议在网络中广播仿真步长信息；同时将包含仿真步长信息的数据包发送给校时模块，并从仿真启动消息中读取时钟漂移率，将时钟漂移率和预先存储的同步上限值发送给校时模块。

如图2所示为本发明校时模块结构示意图，由图可知校时模块包括误差分析模块、异步长连续校时模块和网络延迟计算模块。

误差分析模块：根据从硬件时统模块接收的时钟漂移率和同步上限值计算系统最大读取误差，并根据同步上限值判断是否需要进行时间补偿，同时计算系统同步周期，并将最大读取误差和系统同步周期发送给异步长连续校时模块；

网络延迟计算模块：从硬件时统模块接收包含仿真步长信息的数据包，并记录N次数据包发送和接收时刻，计算系统网络延迟均值，并将系统网络延迟均值传输给异步长连续校时模块；

异步长连续校时模块：根据从误差分析模块接收的系统同步周期和从网络延迟计算模块接收的系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟，同时根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块步长一致，并将消除网络延迟和保证步长一致的数据包中的仿真数据作为校时仿真数据包发送给同步控制模块，同时将数据包中的读写控制标志发送给同步控制模块。

如图4所示为本发明校时模块的校时过程示意图，校时模块采用异步长连续校时方法的具体步骤如下：

(1)读取仿真启动信息。数管分系统接收监控台仿真启动信号后，硬件时统源读取起始时间T₀，对整个地面仿真系统的时间进行初始化设置；

(2)数管分系统通过UDP协议广播硬件时统源产生的步长脉冲消息l，并与各子系统本身时间步长l′进行比对。若步长不同，则进行异步长同步控制，统一仿真系统步长；若步长相同，则进入步骤(4)；

(3)根据各系统步长选取异步长校时函数

(4)读取时钟漂移率和同步上限，并计算系统网络延迟均值。

(5)根据时间同步上限判断子系统是否需要进行时间同步补偿。若延时误差大于上限估计则进行时间同步补偿；若延时误差小于估计，则进入步骤(2)；

(6)根据系统时钟漂移率和最大读取误差计算子系统最大同步周期；

(7)数管分系统根据最大同步周期和系统时钟补偿参数对地面仿真系统时钟进行线性连续校时，确保系统时间误差在允许范围内。

如图3所示为本发明同步控制模块结构示意图，由图可知同步控制模块包括向量时钟计算模块和层次同步控制模块。

向量时钟计算模块接收校时模块输出的读写控制标志和校时仿真数据包，根据校时仿真数据包中的系统仿真进程的时间戳信息计算进程相应向量时钟，并将向量时钟以因果时序传递给层次同步控制模块和各仿真子系统和仿真模块。

层次同步控制模块接收向量时钟计算模块输出的向量时钟，根据系统设定的阈值对仿真进程进行分层，设定每层的通讯进程；根据向量时钟的因果时序计算消息在不同层通讯进程之间传递的路径；根据计算的路径进行仿真数据交换，产生同步控制处理后的同步控制数据包，并将同步控制数据包发送给各仿真子系统和仿真模块。

如图5所示为本发明同步控制模块的同步控制过程示意图，同步控制模块实现采用地面仿真系统多进程同步调度逻辑，提高系统的并行性和耦合性，其原理是：采用读写控制标志位实现各子系统的读写同步，并利用层次时戳序同步管理方法提高系统的并行性与耦合性，保证数据流的正确性，同时使系统具有较好的扩展性。如图5所示，同步控制模块的具体步骤如下：

(1)检测接收时统信息的读写控制标志位；

(2)获取发生数据交换的进程所属子组组号并进行判断；

(3)计算进程相应逻辑时钟向量，并根据组内进程因果序更新进程逻辑时钟向量；

(4)按照层次式时戳序通信协议，通过转发进程完成不同子组之间的数据交换，实现系统的同步控制；

上述读写同步控制方法如下：

(1)约束条件

以实时时间同步优先，当遥测数据时戳信息到达，子系统计算未完成仍继续仿真推进；

(2)算法步骤

步骤1)子系统交换数据计算前，先检测消息的读控制标志位T₁，如果T₁＝1，则读取参数信息和输入数据进行计算；

步骤2)子系统每完成一次步长校正后，检测时统信息的写控制标志位T₂，如果T₂＝1，则进行写操作，否则进行等待；

步骤3)随系统仿真推进，不断循环重复步骤1)和步骤2)。

上述层次时戳序同步控制的步骤如下所述：

(1)根据读写控制方法，检测仿真数据包中的读写控制标志位，并进行相应的读写操作；

(2)向量时钟计算模块获取仿真进程组号，并计算进程相应向量时钟。

(3)同步控制模块进行分层值计算。根据系统设定的阈值α对系统所有仿真进程进行分组，每子组规模小于α。对应每个子组设置一个通信进程，组于组之间数据交换通过通信进程完成。根据系统设定的阈值α对所有子组通信进程进行二次划分，每子组规模小于α。以此类推，直到最顶层子组规模小于α。

(4)目的子组通信进程按照接收数据的时戳序计算传递路径，将数据发送给组内其他进程。

(5)子组间进行数据交换需通过通信进程按照层次时戳协议进行。通信进程按照时戳序管理算法接收子组中需交换数据，并以相同的顺序将数据转发到目的子组。

下面各列举一个校时过程的实施例和一个同步控制过程的实施例：

校时过程实施例：

如图6所示为本发明实施例中校时模块进行校时的流程图，硬件时统源产生的时钟脉冲信号为F，T首先通过CAN总线发送到数管子系统，数管子系统通过CAN总线仿真卡将其转换成仿真系统时间消息T，格式如下表1所示：

表1

并以中断形式读取时钟脉冲信号钟F，获得时间步长l。然后依据时间消息格式在T中添加时间位和步长位，同时按照UDP通信协议在网络中进行广播时间消息。各子系统通过约定的网络接口接收时间消息T，读取时间消息中的时间位和步长位，并与子系统自身步长l′进行比较：如果步长一致，则调用误差分析器直接网络延时计算；如果步长不一致，则按照异步长同步方法进行子系统步长校正，再进行网络延时计算。最后通过用实时网络延时时间T′与时间同步上限θ进行比对，如果T′＜θ，则继续进行仿真推进；如果T′＞θ，则根据时钟漂移率和最大同步周期进行线性连续时间校时，从而减小时钟漂移和网络延迟对仿真系统的影响，时间仿真系统与时统源时钟的一致性。

同步控制过程实施例：

具体同步控制方法如下：

假设当前地面仿真系统姿轨控分系统进影信息为W，并行运行的系统进程为[P₁，P₂，...，P_n]，仿真系统阈值为α，消息W的读写控制标志位为T₁、T₂；根据航天器姿轨控分系统与电源分系统关联关系，设定α＝2，将进程[P₁，P₂，...，P_n]分为姿轨控进程组和电源组，组号为N₁、N₂。设定N₁组通信进程为P₁，N₂组通信进程为P_n；

(1)进程[P₁，P₂，...，P_n]读取硬件时统源广播的步长脉冲信息；

(2)每个进程P_i将系统步长脉冲信息与自身步长进行比较；

(3)若步长一致，则进入步骤(5)；若步长不一致，则进行异步长校时函数选取；

(4)进程[P₁，P₂，...，P_n]读取时钟漂移率和同步上限估值，并计算网络延迟；

(5)根据最大同步周期，对仿真进程进行异步长连续校时；

(6)同时，进程[P₁，P₂，...，P_n]读取读写控制标志位T₁、T₂信息，并根据读写控制方法实现进程的读写同步控制；

(7)姿轨控分系统根据轨道信息触发W变化，W变化时会引起电源分系统相关遥测变化，即N₁、N₂组进程此时发生数据交换。计算发生数据交换的进程组的相应逻辑时钟向量M，并根据组内进程因果序更新进程逻辑时钟向量M；

(8)按照层次式时戳序通信协议，通过P₁和P_n完成N₁、N₂组之间的数据交换，实现进影信息W变化时两个分系统的同步控制；

所使用的层次时戳序同步算法如下所述：地面仿真系统中并行运行的进程规模较大，进程之间的数据交互复杂，具有不确定性，但进程之间具有明显的层次结构，因此可将并行运行的进程进行分组，进程只需与组内进程进行数据交互，组间数据交互由专门进程负责，这样减少了附加在同步控制信息上的冗余信息，提高系统的并行性和耦合性。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种地面仿真系统的校时同步控制器，其特征在于包括硬件时统模块、校时模块和同步控制模块，其中：

硬件时统模块：接收系统仿真启动消息，根据预先标定存储的时钟漂移率和仿真启动消息产生仿真步长脉冲信号，将所述仿真步长脉冲信号转换为仿真步长信息，并以UDP协议在网络中广播所述仿真步长信息；同时将包含所述仿真步长信息的数据包发送给校时模块，并从仿真启动消息中读取时钟漂移率，将时钟漂移率和预先存储的同步上限值发送给校时模块；

校时模块：根据从硬件时统模块接收的时钟漂移率和同步上限值计算系统最大读取误差，并根据同步上限值判断是否需要进行时间补偿，同时计算系统同步周期；从硬件时统模块接收包含仿真步长信息的数据包，并记录N次包含仿真步长信息的数据包发送和接收时刻，计算系统网络延迟均值；根据系统同步周期和系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟，同时根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块的步长一致，并将消除网络延迟和保证步长一致的包含仿真步长信息的数据包中的仿真数据作为校时仿真数据包发送给同步控制模块，同时将包含仿真步长信息的数据包中的读写控制标志发送给同步控制模块，其中N为正整数；

同步控制模块：接收校时模块输出的读写控制标志和校时仿真数据包，根据校时仿真数据包中的系统仿真进程的时间戳信息计算进程相应向量时钟，根据向量时钟和系统设定的阈值对仿真进程进行分层，设定每层的通讯进程，根据向量时钟的因果时序计算校时仿真数据包数据在不同层通讯进程之间传递的路径，根据计算的路径进行仿真数据交换，产生同步控制处理后的同步控制数据包，并将同步控制数据包和向量时钟发送给各仿真子系统和仿真模块。

2.根据权利要求1所述的一种地面仿真系统的校时同步控制器，其特征在于：所述校时模块包括误差分析模块、异步长连续校时模块和网络延迟计算模块，其中：

误差分析模块：根据从硬件时统模块接收的时钟漂移率和同步上限值计算系统最大读取误差，并根据同步上限值判断是否需要进行时间补偿，同时计算系统同步周期，并将最大读取误差和系统同步周期发送给异步长连续校时模块；

网络延迟计算模块：从硬件时统模块接收包含仿真步长信息的数据包，并记录N次包含仿真步长信息的数据包发送和接收时刻，计算系统网络延迟均值，并将系统网络延迟均值传输给异步长连续校时模块；

异步长连续校时模块：根据从误差分析模块接收的系统同步周期和从网络延迟计算模块接收的系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟，同时根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块步长一致，并将消除网络延迟和保证步长一致的包含仿真步长信息的数据包中的仿真数据作为校时仿真数据包发送给同步控制模块，同时将包含仿真步长信息的数据包中的读写控制标志发送给同步控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种地面仿真系统的校时同步控制器，其特征在于：所述同步控制模块包括向量时钟计算模块和层次同步控制模块，其中：

向量时钟计算模块：接收校时模块输出的读写控制标志和校时仿真数据包，根据校时仿真数据包中的系统仿真进程的时间戳信息计算进程相应向量时钟，并将向量时钟以因果时序传递给层次同步控制模块；

层次同步控制模块：接收向量时钟计算模块输出的向量时钟，根据系统设定的阈值对仿真进程进行分层，设定每层的通讯进程；根据向量时钟的因果时序计算消息在不同层通讯进程之间传递的路径；根据计算的路径进行仿真数据交换，产生同步控制处理后的同步控制数据包，并将同步控制数据包和向量时钟发送给各仿真子系统和仿真模块。

4.根据权利要求2所述的一种地面仿真系统的校时同步控制器，其特征在于：所述异步长连续校时模块包括子系统步长分析和线性连续函数校时计算两个处理过程，其中子系统步长分析根据系统同步周期和系统网络延迟均值，进行系统校时补偿，以消除各仿真子系统和仿真模块的网络延迟；线性连续函数校时计算根据最大同步周期选择线性连续函数进行异步长连续校时，以保证各仿真子系统和仿真模块步长一致。

5.根据权利要求2所述的一种地面仿真系统的校时同步控制器，其特征在于：所述网络延迟计算模块中根据基于统计的计算方法计算系统网络延迟均值

，具体过程如下：

假设时间服务器为节点M，子系统为节点S，M向S发送n个带有M机时间戳T_i的信息，T_i为第i个同步包发送时刻；

S接收到同步包时记录本机时刻Q_i，则S对M的时钟估计为： $T_{\mathrm{est}}=Q_n-\stackrel{\‾}{Q\left(n\right)}+\stackrel{\‾}{T\left(n\right)}+\stackrel{\‾}{d},$

其中

为n次传输的网络延迟平均值，Q_n为第n次包含仿真步长信息的数据包接收时间，n为正整数，且n≥2。

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