CN115865249A - 一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式网络系统时钟同步领域,具体为一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,分布式时钟同步系统包括主控机和各从节点,主控机包括时钟同步对时与触发装置和交换机;从节点包括交换机和时钟同步对时与触发装置,各从节点通过交换机连接主控机的交换机;时钟同步对时与触发装置内有改进后的时钟伺服系统,改进后的时钟伺服系统利用卡尔曼滤波算法通过第t‑1个同步周期的最优状态估计值计算得出第t个同步周期的主从时钟偏差和时钟漂移的最优状态估计值,时钟偏差的最优状态估计值经过平滑滤波算法后得到时钟偏差校准参数,时钟偏差校准参数传递给时钟更新函数来校准从时钟时间,从而保证主从时钟节点精度满足测试需求。
Description
技术领域
本发明涉及分布式网络系统时钟同步领域,具体为一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,可用于轻武器千米靶道分布式全弹道测试的时钟同步。
背景技术
基于IEEE1588协议的高精度时钟同步技术在电力系统、航空航天和常规武器试验等军事和科学研究领域发挥着重要作用。对于轻武器靶道分布式全弹道测试而言,要完成相关测试需要千米内的所有主从时钟节点具有高稳定性的亚微秒级对时精度,因此需要对时钟同步算法与时钟伺服系统进行优化与改进。
IEEE1588协议为时钟同步制定了标准,且提供相关开源技术支持各界研究人员进行相应开发。在改进IEEE1588协议的时钟同步装置及方法和时钟伺服系统及方法(CN114301561 A)这一专利申请中,通过对时钟伺服系统的改进,提出了一种卡尔曼滤波与PID相结合的算法,该方法的对时精度可达几十微秒。在一种基于IEEE1588协议的双补偿时钟同步方法(CN 111812970 A)这一专利申请中,提出了一种通过粒子群算法得到优势个体和PID控制参数来优化时钟偏差值,并结合卡尔曼滤波进行时钟漂移与时钟偏差补偿的方法,该方法的对时精度可达几微秒且具有较高的稳定性。这两种方法都对时钟同步算法的优化提供了思路。
为了满足轻武器千米靶道分布式全弹道测试高稳定性的亚微秒级精度时钟同步需求,本发明提供了一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法。
发明内容
针对轻武器千米靶道分布式全弹道测试时钟同步存在时钟节点较多、通信路径距离较长且存在多个交换机等中间节点的特点,为实现其千米靶道内各时钟节点的亚微秒级时钟同步,本发明提供了一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的:一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,分布式时钟同步系统包括主控机和各从节点,主控机包括PC机、北斗授时模块、时钟同步对时与触发装置和交换机,主控机中的时钟同步对时与触发装置作为主时钟节点,北斗授时模块作为根主时钟,北斗授时模块和时钟同步对时与触发装置连接,时钟同步对时与触发装置和交换机连接,PC机和时钟同步对时与触发装置连接;从节点包括交换机和时钟同步对时与触发装置,从节点中的时钟同步对时与触发装置作为从时钟节点,交换机和时钟同步对时与触发装置连接,各从节点通过相应节点交换机连接主控机的交换机实现与主控机之间的通信;
时钟同步对时与触发装置内有改进后的时钟伺服系统,改进后的时钟伺服系统通过卡尔曼滤波和平滑滤波算法进行主从时钟节点同步,卡尔曼滤波算法通过第t-1个同步周期的最优状态估计值计算得出第t个同步周期的主从时钟偏差和时钟漂移的最优状态估计值,时钟偏差的最优状态估计值经过平滑滤波算法后得到时钟偏差校准参数,时钟偏差校准参数传递给时钟更新函数来校准从时钟时间,从而保证主从时钟节点精度满足测试需求。
上述的一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,时钟偏差校准参数的计算过程具体包括卡尔曼滤波阶段和平滑滤波阶段;
卡尔曼滤波阶段包含预测阶段和更新阶段两部分,具体过程如下:
(1)预测阶段
由第t-1个同步周期的最优状态估计值和第t个同步周期的输入值Ut,计算得到第t个同步周期状态量的先验估计值/>Ut=[φoffset(t) φdrift(t)]T为第t个同步周期的最优状态估计值/>的输入值,该输入值由卡尔曼滤波更新后的最优状态估计值/>作为反馈信号与输入量input作比较的误差信号δ(t)经过PI控制器后求解得到,F为状态转移矩阵,B为控制矩阵;
(2)更新阶段
平滑滤波阶段,经过卡尔曼滤波后的第t个同步周期的offset值进入平滑滤波器滤波,yt=α·x′t+(1-α)yt-1,其中,yt为第t个同步周期滤波结果,也即时钟偏差校准参数;x′t为第t个同步周期经过卡尔曼滤波后的offset值,α为平滑系数。
上述的一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,在PTP协议中,通过阶跃调整量对时钟周期进行调频时,为保持相位一致,阶跃调整量必须是输出时钟周期的倍数。在实际的运用中,时钟周期与晶振频率有关,对于普通20ppm的晶振而言,每一秒最多有20us的误差,因此时钟周期并不是理论上稳定的500ms。为减小误差,时钟更新函数中在阶跃调整量的基础上乘一个系数θ,其中,T′S=T1-T0,T′S为Sync报文发送的实际周期,T0和T1为主时钟节点向从时钟节点发送两次Sync报文的发送时间。
本发明提供的方法从时钟同步装置中由晶振的频率漂移对时钟同步精度的影响入手,通过引入卡尔曼滤波与平滑滤波对时钟伺服系统进行改进与优化,使得单节点内的时钟同步精度达到几十纳秒,且显著提高其稳定性。
附图说明
图1为轻武器千米靶道分布式时钟同步系统示意图。
图2为原时钟伺服系统的整体框架图。
图3为改进后的时钟伺服系统的整体框架图。
图4为原时钟伺服系统下单节点对时结果图。
图5为本发明方法单节点对时结果图。
图6为时钟更新函数调频原理图。
具体实施方式
轻武器千米靶道分布式时钟同步系统示意图如图1所示,包括主控机和各从节点。
主控机包括PC机、北斗授时模块、时钟同步对时与触发装置和交换机,主控机中的时钟同步对时与触发装置作为主时钟节点,北斗授时模块作为根主时钟,北斗授时模块和时钟同步对时与触发装置连接,时钟同步对时与触发装置和交换机连接,PC机和时钟同步对时与触发装置连接。
从节点包括交换机和时钟同步对时与触发装置,从节点中的时钟同步对时与触发装置作为从时钟节点,交换机和时钟同步对时与触发装置连接。
由于通信路径较长,各从节点通过相应节点交换机连接主控机的交换机实现与主控机之间的通信。
本方法的实施建立在以下基础上:
(1)主时钟节点通过搭载国产北斗授时模块,由北斗卫星为整个分布式时钟同步系统提供精准的时钟源;
(2)由于主从时钟节点之间的通信经过主控机内交换机和相应从时钟节点交换机,两个中间节点时会消耗一定量时间,为提高系统的时钟同步精度,采用P2P透明时钟和带PTP协议的交换机来计算时钟同步过程中报文经过中间节点的驻留时间。
原时钟伺服系统的整体框架如图2所示。PTP协议引擎在延时请求-响应机制和P2P透明时钟机制下利用获取的时间戳信息计算得到滤波前的delay值,利用经过IIR滤波器后的delay值计算得到滤波前offset值,该offset值经过FIR滤波器后由PI控制器进行频率补偿并更新从时钟节点时间,使主从时钟节点保持同步。
原伺服时钟系统中的FIR滤波器,为指数滤波器,该滤波器可以较好的预测时钟偏差值,但由于轻武器靶道分布式时钟同步系统的节点较多,通信路径较长,由主从时钟节点上的晶振带来的误差不可忽略不计。本发明中的算法从晶振产生的频率漂移入手,通过对时钟伺服系统改进,引入卡尔曼滤波算法和平滑滤波算法,提高分布式时钟同步系统同步精度与稳定性。
在轻武器靶道的时钟同步中,由于主从时钟节点使用的晶振并不完全一样且在温度和器件老化等因素的影响下,晶振会产生频率漂移从而向系统中引入时钟漂移(drift),影响主从时钟节点的同步精度。把时钟漂移定义为主从时钟偏差的时间变化率,因为每一个同步周期内,原时钟伺服系统都会得到一个offset值,故时钟漂移表达式为
式中,offset(t)为第t个同步周期计算得到的时钟偏差值,TS为同步周期。
改进后的时钟伺服系统如图3所示,原时钟伺服系统下得到的offset值与由公式(1)求得的drift值作为输入量input会经过本发明所提的卡尔曼滤波和平滑滤波,然后进行主从时钟同步。
采用卡尔曼滤波能更好控制时钟漂移,更准确地估计时钟偏差值,消除时钟偏差及传输过程中的干扰。在实现过程中,卡尔曼滤波算法通过第t-1个同步周期的最优状态估计值计算得出第t个同步周期的主从时钟偏差和时钟漂移的最优状态估计值。具体如下:
要准确估计第t个同步周期的时钟偏差最优状态估计值,需要知道第t个同步周期由PTP协议引擎计算得到的时钟偏差值offset(t)和时钟漂移值drift(t)。
因此,定义为第t个同步周期的最优状态估计值;Ut=[φoffset(t) φdrift(t)]T为第t个同步周期的最优状态估计值/>的输入值,该值由卡尔曼滤波更新后的最优状态估计值/>作为反馈信号与输入量input(offset(t)、drift(t))作比较的误差信号δ(t)经过原时钟伺服PI控制器后求解得到。
PI控制器的数学模型如下:
本系统状态方程为:
Pt=F·Pt-1·FT+Q (4)
卡尔曼滤波器的观测方程为:
其中,zt为观测值,矩阵H=[1 0]为观测矩阵;wt为测量噪声。
根据卡尔曼滤波原理,其算法迭代过程包含预测阶段和更新阶段两部分,具体过程如下:
(1)预测阶段
(2)更新阶段
经过卡尔曼滤波后的offset值进入平滑滤波器减小波动,其公式如下:
yt=α·x′t+(1-α)yt-1 (12)
其中,yt为第t个同步周期offset值滤波结果,也即时钟偏差校准参数;x′t为第t个同步周期经过卡尔曼滤波后的offset值;α为平滑系数(0<α<1)。
经过卡尔曼滤波和平滑滤波后的offset值,作为校准参数传递给时钟更新函数updateClock来校准从时钟时间,从而保证主从时钟节点精度满足测试需求。
时钟更新函数中包含了时钟的调频,调频过程为:如图6所示,假设从时钟节点A要同步主时钟节点B的时间。以同步周期TS=0.5S为例,在1S时间内,主时钟节点B向从时钟节点A发送两次Sync报文,其报文发送时间分别为TB0和TB1;从时钟节点A接收到报文的时间分别为TA0和TA1。在不考虑路径延时和驻留时间的变化的情况下,如果A和B的时钟频率相等,则在相同的时间间隔内,A和B的时间累积的偏差应该是一样的,即TA1-TA0=TB1-TB0。如果TA1-TA0>TB1-TB0,则说明A的时钟频率比B快,要调慢A的时钟频率;如果TA1-TA0<TB1-TB0,则说明A的时钟频率比B慢,要调快A的时钟频率,阶跃调整量的值大小为
在PTP协议中,通过阶跃调整量对时钟进行调频时,为保持相位一致,阶跃调整量必须是输出时钟周期的倍数。在实际的运用中,时钟周期与晶振频率有关,对于普通20ppm的晶振而言,每一秒最多有20us的误差,因此时钟周期并不是理论上稳定的500ms。为减小误差,在阶跃调整量的基础上乘一个系数θ,如公式(13)所示。
其中,T′S=TB1-TB0(单位ns),为Sync报文发送的实际周期。
一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,时钟同步精度更高,稳定性更好。
原时钟伺服系统下单节点对时结果如图4所示,对时结果在100ns以内,而且存在一定量波动。使用本发明提供的方法后单节点对时结果如图5所示,对时精度在35ns以内,且更具稳定性。对两种方法下的数据进行处理可得到表1中的结果。由表1可知,原伺服时钟系统下最大主从时钟偏差值约为126.00ns,主从时钟偏差平均值约为24.89ns,主从时钟偏差值方差约为440.63ns。本发明所提供的算法下最大主从时钟偏差值约为27.00ns,主从时钟偏差平均值约为8.87ns,主从时钟偏差值方差约为30.56ns。相较于原时钟伺服系统,本发明所提供的方法时钟同步精度提高了64.36%,稳定性提高了93.06%。
为了使系统中对时精度达到最佳效果,在进行时钟同步前需要对一些重要参数进行整定,综合考虑网络流量、滤波效果对同步精度的影响,具体如下:同步周期TS=0.5s,卡尔曼滤波迭代次数为N=5,平滑滤波中的平滑系数α=0.1。
表1(ns)
Claims (3)
1.一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,其特征在于:分布式时钟同步系统包括主控机和各从节点,主控机包括PC机、北斗授时模块、时钟同步对时与触发装置和交换机,主控机中的时钟同步对时与触发装置作为主时钟节点,北斗授时模块作为根主时钟,北斗授时模块和时钟同步对时与触发装置连接,时钟同步对时与触发装置和交换机连接,PC机和时钟同步对时与触发装置连接;从节点包括交换机和时钟同步对时与触发装置,从节点中的时钟同步对时与触发装置作为从时钟节点,交换机和时钟同步对时与触发装置连接,各从节点通过相应节点交换机连接主控机的交换机实现与主控机之间的通信;
时钟同步对时与触发装置内有改进后的时钟伺服系统,改进后的时钟伺服系统通过卡尔曼滤波和平滑滤波算法进行主从时钟节点同步,卡尔曼滤波算法通过第t-1个同步周期的最优状态估计值计算得出第t个同步周期的主从时钟偏差和时钟漂移的最优状态估计值,时钟偏差的最优状态估计值经过平滑滤波算法后得到时钟偏差校准参数,时钟偏差校准参数传递给时钟更新函数来校准从时钟时间,从而保证主从时钟节点精度满足测试需求。
2.根据权利要求1所述的一种提高分布式时钟同步系统时钟同步精度与稳定性的方法,其特征在于:时钟偏差校准参数的计算过程具体包括卡尔曼滤波阶段和平滑滤波阶段;
卡尔曼滤波阶段包含预测阶段和更新阶段两部分,具体过程如下:
(1)预测阶段
由第t-1个同步周期的最优状态估计值和第t个同步周期的输入值Ut,计算得到第t个同步周期状态量的先验估计值/>Ut=[φoffset(t) φdrift(t)]T为第t个同步周期的最优状态估计值/>的输入值,该输入值由卡尔曼滤波更新后的最优状态估计值作为反馈信号与输入量input作比较的误差信号δ(t)经过PI控制器后求解得到,F为状态转移矩阵,B为控制矩阵;
(2)更新阶段
平滑滤波阶段,经过卡尔曼滤波后的第t个同步周期的offset值进入平滑滤波器滤波,yt=α·x′t+(1-α)yt-1,其中,yt为第t个同步周期滤波结果,也即时钟偏差校准参数;x′t为第t个同步周期经过卡尔曼滤波后的offset值,α为平滑系数。
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