CN110375596A - 一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法，是在现有时间系统基础上增加高精度中断驱动、数据传输时延反馈补偿、时延累积误差反馈补偿等技术。首先利用高精度中断驱动技术将高精度时钟信号和中断脉冲引入至协同制导仿真系统内，驱动系统中节点同步运行；其次考虑指令在光纤传输网络中的非预期延迟，引入数据传输时延反馈补偿实现传输延迟和波动的一次性补偿；最后针对残留时间误差问题提出动态时延累积误差反馈补偿，利用间隔测量、多帧补偿的方式，完成系统运行过程中状态的弹性推进。该方法完成现有协同制导仿真系统的增强，可以实现仿真系统节点间纳秒级的时间控制精度，解决了协同制导仿真系统中的时间一致性控制问题。

Description

一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法

技术领域

本发明属于半实物仿真技术领域，尤其涉及一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法。

背景技术

多飞行器协同制导仿真系统由分布在不同试验场所的参试设备、仿真模型、物理效应仿真设备构建，具有试验节点多、部署范围广等特点。为了真实再现作战过程逻辑时序，需对系统内节点进行时间一致性控制，利用时间一致性控制设备为节点提供高精度时间信息，同时通过监测系统中传输信息时间戳计算时延误差，对系统内的传输时延和时延积累误差进行动态校准补偿，从而保障各节点上仿真时间的同步推进。

目前尚未有成熟的面向协同制导半实物仿真试验的时间一致性控制方法，原因在于：(一)一部分半实物仿真环境中，仅将仿真环境作为一个整体，不考虑仿真环境中子系统之间的时间差异，或考虑子系统之间的时间的差异，但认为子系统守时的精度在允许误差内，因而不进行特定时间一致性控制；(二)即使有些半实物仿真环境考虑了子系统间的同步问题，但是由于不存在飞行器间协同交互的需求，因此现有半实物仿真环境中子系统之间的时间差异裕度较大，时间一致性控制方法过于简单，无法实现微秒级别及以下的时间控制。

然而在协同仿真环境中，更由于实物设备的参试，不仅同一仿真环境中的子系统之间存在时间差异，同时不同仿真环境之间同样存在时间差异，该时间差异或差异在时间推移的累积过程中，均会对协同环境产生极大的影响，形成子系统对整个协同仿真环境状态的感知的差异，如时序先后错误对系统判定逻辑的影响(目标被摧毁的反馈信息由于时间差异被滞后于导弹打击指令，导致目标被错误的重复打击)。因此，需要一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法，能够实现仿真系统各节点的时间一致性达到纳秒级。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法，包括如下步骤：

中断驱动步骤：在仿真系统运行过程中，按照预期启动时间和运行周期进行多次中断驱动；

传输时延反馈补偿步骤：在仿真系统到达预期启动时间前，利用数据链路传输过程中指令周期间隔来计算传输误差，对不同节点开展传输时延反馈补偿；

时延累积误差反馈补偿步骤：在仿真系统到达预期启动时间后，采用间隔测量、多帧补偿的方式开展动态时延累积误差反馈补偿。

进一步的，所述中断驱动步骤具体如下：

S1.1、在中断驱动系统中装订多飞行器协同制导仿真系统预期启动时间T_run和运行周期P_run；

S1.2、中断驱动系统获取时间系统时间信息T_sys和中断脉冲周期P_palse；

S1.3、中断驱动系统根据时间系统中断脉冲周期进行分频或者倍频，得到P_run＝N_dis×P_palse或其中N_dis为分频或倍频倍数；

S1.4、仿真系统到达预期启动时间，即T_sys＝T_run，发布启动信号至相关节点，并配合同步中断脉冲，完成多飞行器协同制导仿真系统的中断驱动，然后根据步骤S1.3获得的运行周期P_run，进行相关节点周期性中断驱动。

进一步的，所述传输时延反馈补偿步骤具体如下：

S2.1、由指令发布系统产生时间延迟测试指令C_test，将测试指令与发送时间戳T_send(C_test)组包，广播至数据链路总线；

S2.2、节点接收测试指令，生成接收时间戳T_recv(C_test)；

S2.3、节点生成测试指令反馈指令，与反馈指令发送时间戳组包，广播至数据链路总线；

S2.4、指令发布系统接收反馈指令，生成反馈指令接收时间戳

S2.5、计算每次指令往返的时间间隔：

计算指令N_rep次重复测量时间间隔均值：

其中N_rep取值范围为10²×N_dis～10⁴×N_dis；

S2.6、计算不同节点i∈(1,2,…,)的指令时间延迟结果

S2.7、将指令时间延迟结果反馈至指令发布系统，并将不同节点指令发送时刻调整为

S2.8、对不同节点多次迭代计算指令时间延迟结果，直至满足时间约束同时累计得到确定不同节点i∈(1,2,…,)的时间延迟补偿参数

S2.9、在每次指令发布系统进行指令发送过程中，引入各个节点的ΔT_total进行时间延迟修正。

进一步的，所述时延累积误差反馈补偿步骤具体如下：

S3.1、节点装订过程中，节点运行周期仿真系统运行周期P_run上附加时延累积误差补偿参数K^compen，K^compen初始值为1；

S3.2、每隔M＝N_dis×P_run分钟指令发布系统广播时间戳收集指令，并记录当前广播时间T_broadcast；

S3.3、各个节点i∈(1,2,…,)接收时间戳收集指令，并反馈节点的当前时间

S3.4、指令发布系统收集反馈时间戳，计算每个节点的时延累积误差N_rep取值范围为10²×N_dis～10⁴×N_dis；

S3.5、设定时延累积误差补偿帧数N_compen∈[5,20]，计算每帧时延累积误差补偿参数

S3.6、动态改变节点运行周期重复此过程直至完成补偿帧数N_compen。

进一步的，所述时间间隔为

进一步的，所述N_rep＝1000×N_dis。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用的中断驱动技术，可以有效保证仿真系统能够在指定时间控制各个子节点同步运行。中断驱动技术中采用启动时间设定，可以有效避免由于应用层与物理层交互而引入的软硬件操作时延，从而提升时间一致性控制中的起始状态一致性；中断驱动技术中运行周期采用分倍频设定，可以有效避免中断脉冲上升沿波动而引入的干扰，从而提升时间一致性控制中的周期状态一致性。

(2)本发明采用的传输时延反馈补偿，考虑到初始时间延迟不易于进行动态补偿的问题，采用一次性补偿。考虑到节点自身解算过程所引入的时间延迟，可将时间间隔计算方式分为简化模式和精确模式。在精确模式中，在节点运行周期最开始处产生接收时间戳，并在运行周期最末尾产生发送时间戳，从而排除节点中间计算而带来的时间延迟。两种模式可适用于不同的应用场合，对于节点状态已固化，无法规避节点中间计算的情况，采用精确模式，从而提高时间间隔的计算精度。两种计算方式均采用逼近方法可以抑制单次时间间隔计算波动对总体时间补偿值的影响，使得计算的时间补偿结果不会有大范围波动且快速的收敛于真值。

(3)本发明采用的动态时延累积误差反馈补偿，可以在控制周期或设备周期内完成时间延迟的逐步补偿，既不会因为周期突然跳动而引起系统错误，同时可以实现在最短时间内完成时间延迟补偿，保证被调整节点与整个系统间的认知不发生实质性变化。

本发明已在多飞行器协同制导仿真系统中完成应用验证，能够为协同仿真系统提供纳秒级的高精度的时间信息，避免仿真设备或仿真节点间的时间歧义，防止指令的因果倒置，保证协同仿真顺利、正确的进行，同时不会增加计算时间开销以及数据链路传输压力，更能够为基于协同仿真系统的协同控制系统性能验证提供良好的试验基础。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法原理图；

图2为采用本发明方法对某型飞行器进行时间一致性控制获得的秒脉冲曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述。

本发明提出一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法，可将仿真系统中各节点上的时间差异控制在纳秒级别，为协同制导半实物仿真提供更加精确的仿真时钟和准确的时序控制。如图1所示，该时间一致性控制方法包括以下三个密切关联的子技术：

子技术1、在仿真系统运行过程中，按照预期启动时间和运行周期进行高精度中断驱动

高精度中断驱动技术利用FPGA编程技术配合软件驱动程序使多飞行器协同制导仿真系统具备响应外部时间信号的能力，利用同一时间系统提供的稳定周期中断信号推进多飞行器协同制导仿真系统中各个节点有序、同步的运行，避免由于节点间时钟基准误差而带来的时间差异。

其实现流程为：

步骤1.1：在中断驱动系统中装订多飞行器协同制导仿真系统预期启动时间T_run和运行周期P_run；

步骤1.2：中断驱动系统获取时间系统时间信息T_sys和中断脉冲周期P_palse；

步骤1.3：中断驱动系统根据时间系统中断脉冲周期进行分频或者倍频，产生满足多飞行器协同制导仿真系统运行周期P_run的中断脉冲，即P_run＝N_dis×P_palse或其中N_dis为分频或倍频倍数；

步骤1.4：仿真系统到达预期启动时间，即T_sys＝T_run，发布启动信号至相关节点，并配合同步中断脉冲，完成多飞行器协同制导仿真系统的中断驱动，然后根据步骤1.3获得的运行周期P_run，进行相关节点周期性中断驱动。

子技术2、在仿真系统到达预期启动时间前，利用数据链路传输过程中指令周期间隔来计算传输误差，开展传输时延反馈补偿

在多飞行器协同制导仿真系统中，信息在数据链路传输过程中会产生一定的传输延迟，并且该延迟会根据环境特点随机变化。所以为了保证节点接收指令的时间一致性，需要在信息传输过程中引入传输时延反馈补偿。利用数据链路传输过程中指令周期间隔来计算传输误差，然后在指令触发时间上添加调整时间实现数据传输延迟的补偿。

其实现流程为：

步骤2.1：由指令发布系统产生时间延迟测试指令C_test，将测试指令与发送时间戳T_send(C_test)组包，广播至数据链路总线；

步骤2.2：节点接收测试指令，生成接收时间戳T_recv(C_test)；

步骤2.3：节点生成测试指令反馈指令，与反馈指令发送时间戳组包，广播至数据链路总线；

步骤2.4：指令发布系统接收反馈指令，生成反馈指令接收时间戳

步骤2.5：计算每次指令往返的时间间隔通过N_rep次重复测量滤除数据链路传递过程中引入的抖动噪声，即计算指令N_rep次重复测量时间间隔均值为其中N_rep＝1000×N_dis；

本实施例中，时间间隔计算采用简化模式，在其他实施例中，考虑节点的解算周期问题，还可以采用精确模式，将时间间隔计算方式更新为提高计算时间间隔的精度。同时，重复测量次数N_rep也可以根据实际应用在10²×N_dis～10⁴×N_dis范围内取值。

步骤2.6：计算不同节点i∈(1,2,…,)的指令时间延迟结果即时间间隔均值为

步骤2.7：将指令时间延迟结果反馈至指令发布系统，并将不同节点指令发送时刻调整为

步骤2.8：对不同节点多次迭代计算指令时间延迟结果，直至满足时间约束同时累计得到从而确定不同节点i∈(1,2,…,)的时间延迟补偿参数

步骤2.9：在每次指令发布系统进行指令发送过程中，引入各个节点的ΔT_total进行时间延迟修正，即T′_send(C_test)＝T_send(C_test)-ΔT_total。

为了降低时间延迟补偿参数计算对指令发布系统、节点以及通讯网络的压力，数据传输时延反馈补偿仅在仿真系统运行初期进行一次性解算与补偿，保证各节点启动时间一致。

子技术3、在仿真系统到达预期启动时间后，采用间隔测量、多帧补偿的方式开展动态时延累积误差反馈补偿

在多飞行器协同制导仿真系统运行过程中，网络内节点跟随时间系统中断驱动进行校准同步，但是时间系统自守时精度会随时间推移而下降，逐渐偏离标准世界时。时间系统需要周期性的进行自校准，在时间系统进行自校准后，会与多飞行器协同仿真系统时间之间形成一定的差异，这些残留差异会逐步累积形成额外的时间延迟，同时仿真系统还受节点间指令残留延迟的影响，这不仅会造成节点的时间基准精度下降，而且在恶性循环的延迟累积作用下，造成时间同步误差超出需求的时间约束。时间系统自校准后产生标准世界时间，仿真系统中子节点根据中断脉冲帧计数累积获得自身运行时间，计算这两个时间之间的差值即为延时累积误差。时延累积误差反馈补偿技术能够动态调整网络内各个节点运算周期，使各个子系统的状态趋于一致。

其实现流程为：

步骤3.1：节点装订过程中，节点运行周期是在仿真系统运行周期P_run上附加乘性时延累积误差补偿参数K^compen，初始值为K^compen＝1，代表当前无任何补偿；

步骤3.2：每隔M＝N_dis×P_run分钟指令发布系统广播时间戳收集指令，并记录当前广播时间T_broadcast；

步骤3.3：各个节点i∈(1,2,…,)接收时间戳收集指令，并反馈节点的当前时间

步骤3.4：指令发布系统收集反馈时间戳，通过N_rep＝1000×N_dis次重复测量滤除数据链路传递过程中引入的抖动噪声，N_dis为分频或倍频倍数，并计算每个节点的时延累积误差

步骤3.5：设定时延累积误差补偿帧数N_compen∈[5,20]，计算每帧时延累积误差补偿参数

步骤3.6：动态改变节点运行周期实现加快或减慢节点的运行速度，重复此过程直至完成补偿帧数N_compen。

与时钟同步以及数据传输时延反馈补偿的不同之处在于，时延累积误差反馈补偿能够全程运行与协同仿真系统内，采用间隔测量、多帧补偿的方式，逐步削减系统的时延累积误差，使各节点运行周期一致。

利用本发明提供的方法，对某型多飞行器进行时间一致性控制，得到如图2所示的单位秒脉冲曲线，曲线1为时间系统产生的秒脉冲，曲线2、3分别为不同子系统节点自身通过中断脉冲累积而得到的秒脉冲曲线。曲线2、3与曲线1之间的时间差异分别约为5ns和2ns，可知，两个子系统节点的时间一致性达到了纳秒级。

本发明在多飞行器协同制导仿真系统中，根据不同启用时机将中断驱动、传输时延反馈补偿、时延累积误差反馈补偿配合使用，能够将协同仿真系统的时间信息精度提高到纳秒级，避免仿真设备或仿真节点间的时间歧义，防止指令的因果倒置，保证协同仿真顺利、正确的进行，同时不会增加计算时间开销以及数据链路传输压力，更能够为基于协同仿真系统的协同控制系统性能验证提供良好的试验基础。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种面向协同制导仿真系统的时间一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

中断驱动步骤：在仿真系统运行过程中，按照预期启动时间和运行周期进行多次中断驱动；

传输时延反馈补偿步骤：在仿真系统到达预期启动时间前，利用数据链路传输过程中指令周期间隔来计算传输误差，对不同节点开展传输时延反馈补偿；

时延累积误差反馈补偿步骤：在仿真系统到达预期启动时间后，采用间隔测量、多帧补偿的方式开展动态时延累积误差反馈补偿。

2.根据权利要求1所述的时间一致性控制方法，其特征在于，所述中断驱动步骤具体如下：

S1.1、在中断驱动系统中装订多飞行器协同制导仿真系统预期启动时间T_run和运行周期P_run；

S1.2、中断驱动系统获取时间系统时间信息T_sys和中断脉冲周期P_palse；

S1.3、中断驱动系统根据时间系统中断脉冲周期进行分频或者倍频，得到P_run＝N_dis×P_palse或其中N_dis为分频或倍频倍数；

S1.4、仿真系统到达预期启动时间，即T_sys＝T_run，发布启动信号至相关节点，并配合同步中断脉冲，完成多飞行器协同制导仿真系统的中断驱动，然后根据步骤S1.3获得的运行周期P_run，进行相关节点周期性中断驱动。

3.根据权利要求2所述的时间一致性控制方法，其特征在于，所述传输时延反馈补偿步骤具体如下：

S2.1、由指令发布系统产生时间延迟测试指令C_test，将测试指令与发送时间戳T_send(C_test)组包，广播至数据链路总线；

S2.2、节点接收测试指令，生成接收时间戳T_recv(C_test)；

S2.3、节点生成测试指令反馈指令，与反馈指令发送时间戳组包，广播至数据链路总线；

S2.4、指令发布系统接收反馈指令，生成反馈指令接收时间戳

S2.5、计算每次指令往返的时间间隔：

计算指令N_rep次重复测量时间间隔均值：

其中N_rep取值范围为10²×N_dis～10⁴×N_dis；

S2.6、计算不同节点i∈(1,2,…,)的指令时间延迟结果

S2.7、将指令时间延迟结果反馈至指令发布系统，并将不同节点指令发送时刻调整为

S2.8、对不同节点多次迭代计算指令时间延迟结果，直至满足时间约束同时累计得到确定不同节点i∈(1,2,…,)的时间延迟补偿参数

S2.9、在每次指令发布系统进行指令发送过程中，引入各个节点的ΔT_total进行时间延迟修正。

4.根据权利要求3所述的时间一致性控制方法，其特征在于，所述时延累积误差反馈补偿步骤具体如下：

S3.1、节点装订过程中，节点运行周期仿真系统运行周期P_run上附加时延累积误差补偿参数K^compen，K^compen初始值为1；

S3.2、每隔M＝N_dis×P_run分钟指令发布系统广播时间戳收集指令，并记录当前广播时间T_broadcast；

S3.3、各个节点i∈(1,2,…,)接收时间戳收集指令，并反馈节点的当前时间

S3.4、指令发布系统收集反馈时间戳，计算每个节点的时延累积误差N_rep取值范围为10²×N_dis～10⁴×N_dis；

S3.5、设定时延累积误差补偿帧数N_compen∈[5,20]，计算每帧时延累积误差补偿参数

S3.6、动态改变节点运行周期重复此过程直至完成补偿帧数N_compen。

5.根据权利要求4所述的时间一致性控制方法，其特征在于，所述时间间隔

6.根据权利要求4所述的时间一致性控制方法，其特征在于，所述N_rep＝1000×N_dis。