CN103117816A - 一种空间遥操作指令时延的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间遥操作指令时延的测量方法，针对时延测量、分析问题，通过开发高精度授时系统、在分系统内部信息增加时延测量字段等措施，提高了对遥操作控制指令在系统内部各段时延的测量和分析的准确性。本发明的有益效果：能够对遥操作控制指令进行系统内部时延测量；能够对指令环节中的指令传输时延、指令执行时间、指令反馈时延、指令回路时间、双机同步时间精度等进行分析；本发明还可推广至其它传输信息过程中的时延测量，对路由上的每个点都可以增加时延测量字段，由信源和信宿填写相应的字段，从而进一步分析系统内部的时延分布情况。

Description

一种空间遥操作指令时延的测量方法

技术领域

本发明属于时延操作领域，具体涉及一种空间遥操作指令时延的测量方法，通过开发高精度授时系统、内部信息交互增加时延测量字段等方式，实现对空间操作指令时延测量与分析。

背景技术

所谓的大时延遥操作，是指在较大的通讯延迟和有限的通讯带宽条件下，由本地的操作员控制远地的遥机器人完成作业任务的一种操作方式。在空间应用领域，一般是指操作员在地面控制空间机器人进行操作。大时延遥操作技术的研究，将使由空间机器人代替宇航员完成各种空间作业任务成为可能，近年来获得了国内外的广泛关注。

空间机器人与地面控制站中的遥操作员存在较大的时延。地面对地球同步轨道卫星的遥操作，实际的回路时延一般为5至7秒。这包括链路传输时延，数据处理时延和响应时延等，其时延分布如图1。其中数据处理时延包括控制指令的解释、计算、存储时间，地面验证仿真时间，现场图像的处理时间及仿真图像的运行时间等。将大时延引入控制回路，会给系统的知觉感受和操作性能带来极大影响，给控制的稳定性带来极大挑战。同时分析时延组成来看，空间遥操作时延还存在随机变化、不可预测等的特点。遥操作系统要求对指令在系统回路传输过程中的时延进行精确测量、分析。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间遥操作指令时延的测量方法，为准确描述系统模型、增加系统稳定性和透明性等工作奠定基础。

技术方案

一种空间遥操作指令时延的测量方法，其特征在于：采用时间分辨率优于0.02毫秒的高精度授时系统作为该测量方法的时源，具体步骤为：

步骤1：对遥操作系统内部各个通信环节信息增加时延测量字段，时延测量字段的格式如下：

参数	信源	信宿	Tf	Ts	Tz	Tzs
							字节数	4	4	4	4	4	4

信源：表明时延测量帧的发起端，用二进制补码对其编号；

信宿：表明时延测量帧的接收端，用二进制补码对其编号；

Tf：测试发起端发送数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

Ts：被测试端收到数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

Tz：被测试端转发数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

Tzs：测试发起端收到转发数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

步骤2：指令发送端发送遥操作控制指令时，在指令生成的时延测量字段的Tf字段填写指令生成时间，并填写信源和信宿，其他参数填零；

步骤3：指令验证端接收到指令时，拷贝指令生成的时延测量字段作为验证反馈信息的时延测量字段，并在验证反馈信息时延测量字段的Ts字段填写指令接收时间；

步骤4：等待指令验证完成后，指令验证端在验证反馈信息时延测量字段的Tz字段填写反馈发送时间，并发送验证反馈信息；

步骤5：指令发送端接收验证反馈信息，并在时延测量字段的Tzs字段填写反馈接收时间后存入文件；

步骤6：解析步骤5生成的文件，用时延测量字段中Tf、Ts、Tz、Tzs的四个时间信息按照以下运算得到相应的时延：

指令传输时延=Tf-Ts，表示遥操作控制指令由指令发送端传输到指令验证端的传输时延；

指令执行时延=Tz-Ts，表示指令验证端执行遥操作控制指令的执行时间；

指令反馈传输时延=Tzs-Tz，表示验证反馈信息由指令验证端传输到指令发送端的传输时延；

指令回路时延=Tzs-Tf，表示指令发送端由发出遥操作控制指令到接收到指令的验证反馈信息的回路时间。

一种利用所述方法得到时间信息确定双机同步精度的方法，其特征在于：根据时延测量字段中Tf、Ts、Tz、Tzs的四个时间信息得到双机同步精度为表示指令发送端和指令验证端的两台计算机之间的同步时间精度。

有益效果

本发明提出的一种空间遥操作指令时延的测量方法，针对时延测量、分析问题，通过开发高精度授时系统、在分系统内部信息增加时延测量字段等措施，提高了对遥操作控制指令在系统内部各段时延的测量和分析的准确性。

本发明的有益效果：

1、能够对遥操作控制指令进行系统内部时延测量；

2、能够对指令环节中的指令传输时延、指令执行时间、指令反馈时延、指令回路时间、双机同步时间精度等进行分析；

3、本发明还可推广至其它传输信息过程中的时延测量，对路由上的每个点都可以增加时延测量字段，由信源和信宿填写相应的字段，从而进一步分析系统内部的时延分布情况。

附图说明

图1为遥操作系统时延分布图；

图2为时延测量流程图；

图3为时延分析主界面图；

图4为主从/双边指令在分系统内部单节点传输时延统计图；

图5为主从/双边控制指令验证反馈时延统计图；

图6为主从/双边指令在遥操作分系统中的运行时延统计图；

图7为实验过程中两台计算机的时间同步精度。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例技术实现步骤如下：

1)开发了高分辨率的精确授时系统

遥操作过程涉及到较多的时延环节，为准确测量各环节之间的时延大小，要求各环节之间的时间同步精度需要达到1ms。采用传统的网络授时技术(NTP，Network TimeProtocal)，在局域网内，其时间准确度为10ms，广域网约为1s，不能满足时延测量精度及时间同步精度要求。

本发明预先设计了一种GPS高精度授时系统。GPS高精度授时系统是以GPS为时源基准，授时中心机和PCI卡中完成NMEA时间电文解析、秒脉冲信号捕获、秒脉冲分频等工作，以获取高分辨率的时间信息，各个子系统上位机只需读取PCI中的高精度时间信息即可。因为各用户设备共用一台GPS授时中心机，即有统一的GPS时间源，可以确保各用户设备间时间同步。经试验测试结果表明单台计算机的GPS时间分辨率优于0.02毫秒，可以满足时延测量精度优于1ms的指标要求。因此，高分辨率的精确授时系统是保证时延分析的准确性的前提。

2)分系统内部信息增加了时延测量字段

本发明对遥操作系统内部交换信息都增加了时延测量字段，这样就可以在分系统内部各个通信环节打上相应的时标信息，时延测量字段的格式如表1所示。完成试验后对存储的数据进行处理分析，对时延测量字段进行解析，就可以做一些相关的时延分析。

表1时延测量字段数据格式

参数	信源	信宿	Tf	Ts	Tz	Tzs
							字节数	4	4	4	4	4	4

信源：表明时延测量帧的发起端，用二进制补码对其编号。

信宿：表明时延测量帧的接收端，用二进制补码对其编号。

Tf：测试发起端发送数据时刻信源时统的当日北京时，占4个字节，用二进制补码表示，量化单位为0.1ms。

Ts：被测试端收到数据时刻信源时统的当日北京时，占4个字节，用二进制补码表示，量化单位为0.1ms。

Tz：被测试端转发数据时刻信源时统的当日北京时，占4个字节，用二进制补码表示，量化单位为0.1ms。

Tzs：测试发起端收到转发数据时刻信源时统的当日北京时，占4个字节，用二进制补码表示，量化单位为0.1ms。

3)填写时延测量字段

（1）指令发送端发送遥操作控制指令时，在指令生成的时延测量字段的Tf字段填写指令生成时间，并填写信源和信宿，其他参数填零；

（2）指令验证端接收到指令时，拷贝指令生成的时延测量字段作为验证反馈信息的时延测量字段，并在验证反馈信息时延测量字段的Ts字段填写指令接收时间；（3）等待指令验证完成后，指令验证端在验证反馈信息时延测量字段的Tz字段填写反馈发送时间，并发送验证反馈信息；

（4）指令发送端接收验证反馈信息，并在时延测量字段的Tzs字段填写反馈接收时间后存入文件。

时延测量流程图如图2所示。

4)解析时延测量字段

通过解析验证反馈信息中的时延测量字段，就可以对遥操作指令各个环节做相应的时延进行测量和分析。

(Ts-Tf)：指令传输时延，即遥操作控制指令由指令发送端传输到指令验证端的指令传输时延；

(Tz-Ts)：指令执行时延，即指令验证端执行遥操作控制指令的指令执行时间；

(Tzs-Tz)：指令反馈传输时延，即验证反馈信息由指令验证端传输到指令发送端的反馈传输时延；

(Tzs-Tf)：指令回路时延，即指令发送端由发出遥操作控制指令到接收到指令的验证反馈信息的回路时间，即指令在整个遥操作分系统内部的验证时间。

((Ts-Tf)-(Tzs-Tz))/2：双机同步精度，即指令发送端和指令验证端的两台计算机之间的同步时间精度。

5)约定了统一的数据存储格式

本发明约定了统一的文件命名方式和文件夹命名方式，还对各个子系统的数据存储格式也进行了统一约定，保证了数据记录的时序性与完备性，同时也提高了后期数据处理的灵活性和方便性。

具体实施方式

按照本发明的思路，设计遥操作指令发送、验证软件，其中包含了时延测量、分析、计算等功能。指令选用大时延遥操作过程中最代表性的主从/双边控制指令，其操作步骤：

1、指令发送端按照250ms的发令间隔（误差不超过±5ms）发送验证型主从/双边控制指令600条，指令发送端填写时延测量字段中的信源、信宿、Tf三个参数；

2、指令验证端接收到验证型主从/双边控制指令后，填写时延测量字段中的的Ts；

3、验证完成后，指令验证端在时延测量字段的Tz字段填写反馈发送时间，并向指令生成端发送验证反馈信息；

4、发送端接收验证反馈信息，并在时延测量字段的Tzs字段填写反馈接收时间后存入文件。

试验结束后，解析指令发送端到得验证反馈信息中的时延测量字段，就可以进行相应的时延分析，时延分析软件主界面如图3所示。

主从/双边控制指令在分系统内部单节点传输时延（如指令发送端传输到指令验证端的指令传输时延），统计时延测量字段的(Ts-Tf)，如图4所示；指令验证端执行主从/双边控制指令的指令执行时延，统计时延测量字段的(Tz-Ts)，如图5所示；指令发送端由发出主从/双边控制指令到接收到指令验证反馈信息的回路时延，主从/双边指令在整个遥操作分系统内部的验证时延，统计时延测量字段的(Tzs-Tf)，如图6所示。

利用这600条指令的时延测字段所填数据和Matlab软件，还可得到实验过程中两台计算机的时间同步精度，统计((Ts-Tf)-(Tzs-Tz))/2，其测试结果如图7所示，小于30微秒。测试结果表明，两台计算机的时间同步精度优于1ms，符合要求。

Claims (3)

1.一种空间遥操作指令时延的测量方法，其特征在于：采用时间分辨率优于0.02毫秒的高精度授时系统作为该测量方法的时源，具体步骤为：

步骤1：对遥操作系统内部各个通信环节信息增加时延测量字段，时延测量字段的格式如下：

参数 信源 信宿 Tf Ts Tz Tzs 字节数 4 4 4 4 4 4

信源：表明时延测量帧的发起端，用二进制补码对其编号；

信宿：表明时延测量帧的接收端，用二进制补码对其编号；

Tf：测试发起端发送数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

Ts：被测试端收到数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

Tz：被测试端转发数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

Tzs：测试发起端收到转发数据时刻信源时统的当日地区标准时间，占4个字节，用二进制补码表示；

步骤2：指令发送端发送遥操作控制指令时，在指令生成的时延测量字段的Tf字段填写指令生成时间，并填写信源和信宿，其他参数填零；

步骤3：指令验证端接收到指令时，拷贝指令生成的时延测量字段作为验证反馈信息的时延测量字段，并在验证反馈信息时延测量字段的Ts字段填写指令接收时间；

步骤4：等待指令验证完成后，指令验证端在验证反馈信息时延测量字段的Tz字段填写反馈发送时间，并发送验证反馈信息；

步骤5：指令发送端接收验证反馈信息，并在时延测量字段的Tzs字段填写反馈接收时间后存入文件；

步骤6：解析步骤5生成的文件，用时延测量字段中Tf、Ts、Tz、Tzs的四个时间信息按照以下运算得到相应的时延：

指令传输时延=Tf-Ts，表示遥操作控制指令由指令发送端传输到指令验证端的传输时延；

指令执行时延=Tz-Ts，表示指令验证端执行遥操作控制指令的执行时间；

指令反馈传输时延=Tzs-Tz，表示验证反馈信息由指令验证端传输到指令发送端的传输时延；

指令回路时延=Tzs-Tf，表示指令发送端由发出遥操作控制指令到接收到指令的验证反馈信息的回路时间。

2.根据权利要求1所述的空间遥操作指令时延的测量方法，其特征在于：所述Tf、Ts、Tz和Tzs的量化单位为0.1ms。

3.一种利用权利要求1所述方法得到时间信息确定双机同步精度的方法，其特征在于：根据时延测量字段中Tf、Ts、Tz、Tzs的四个时间信息得到双机同步精度为

表示指令发送端和指令验证端的两台计算机之间的同步时间精度。

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