支持高精度信号的网络授时系统研究

1 引言

航天系统中的 nPPS（每秒 n 帧）信号是保障业务连续性和服务质量的核心时序控制机制。该系统要求云平台以严格的时间基准，每秒均匀生成 n 个出站信息帧，每个帧间隔精确至n-N 毫秒，帧内需封装导航、授时等关键业务数据。nPPS 信号作为出站信息打包的中断触发源，其时序精度直接决定航天服务的可靠性：若出现超过 4ms 的延迟、帧号错序或丢帧，将导致终端用户接收的导航信号失步、定位漂移甚至服务中断，尤其影响高动态场景（如航天等高精度应用）。

2 技术方案

本系统和方法由物理拓扑和业务处理两部分共同组成。

物理拓扑负责nPPS信号在物理网络中的传递，业务处理负责保证在每个时钟间隔nPPS内，接收时钟信号，完成业务处理，并按要求发送处理完成的数据到信号系统。

主备时统终端产生nPPS 时钟信号，业务处理系统根据收到的nPPS 信号触发业务处理任务，业务处理系统进行业务处理，在将业务处理数据处理完成后，结果发送到信号收发系统，信号收发系统将数据发送到数据收发设备，完成数据发送。这是整个航天数据处理的流程。

2.1 物理拓扑

在航天业务中，时间同步设备(时统终端)为业务处理产生 nPPS 时间同步信号，触发业务处理的逻辑，nPPS触发收发设备进行实际的出站。

本次设计有如下几点考虑：

1）采用两台独立的专用千兆交换机，减少时统终端产生 nPPS 至业务处理的网络传输时延。2）信号收发网络部署，信号收发交换机与业务处理交换机直接连接，减少业务处理与信号收发间的网络时延。3）业务处理万兆交换机，为业务处理专用。4）业务心跳和数据同步万兆交换机，为业务处理专用。5）业务存储网络，采用存储万兆交换机，为存储专用。6）业务存储管理磁盘阵列，为业务专用磁盘阵列。7）业务处理需要有 12 台服务器配备 4 块万兆网卡。

网络拓扑由两台核心交换机以堆叠的方式保障网络的可靠性，云平台千兆交换机 1、云平台千兆交换机 2与主时统终端、备时统终端、监控时钟终端相连。云平台业务专用万兆交换机 1、云平台业务专用万兆交换机2 堆叠保障业务系统的可靠性，与业务处理服务器（物理机）相连，组成业务处理网络；业务存储专用万兆交换机 1、业务存储专用万兆交换机1 堆叠组成存储网络，与业务独立磁盘阵列相连接，共同组成存储网络。信号系统交换机 1、信号系统交换机1 堆叠与数据收发设备相连，组成信号收发网络。主、备时统终端每个设备通过专用交换机与业务处理的两个服务器单独连接，保障信号处理的高效与可靠。

时钟监控原理：

a）主、备时钟终端接收外部的 1PPS 时钟同步信号，监控时钟终端及业务网内的服务器以 NPT 协议的形

式，每秒同步本地时间。b）监控时钟终端发现异常时，读取本地时间，根据接收到的帧序号进行计算，发送帧时间点=基准时间点

。预计接收帧时间点=本地时间+(帧号 ⋅+1)^*(n-N) ；c）将发送帧时间点与预计接收帧时间点进行比较，如果差距在一定范围内（4ms），则是正常值，否则异

常。业务传输路径由时间同步设备 ΔA 经网线与志用千兆网络交换机相连接，然后经网线与业务处理服务器连接，

再经业务处理专用交换机与信号系统的交换机相连接，并经信号收发设备将数据发送到航天。同时收发设备直接接收 nPPS 的信号，作为收到的业务处理服务器中部署的业务处理系统的数据时间点进行对比的基准时间点，这两个时间点之间的差值要小于 10 毫秒。业务处理和收发设备的时间同步设备产生的 nPPS 之间设置有 10ms（根据指标分配并结合实测经验值）传输处理时延，该10ms 时延主要包括：

1)业务处理的时间同步设备产生信号到业务处理系统之间的网络传输延迟；

2)业务处理系统接收nPPS 信号的响应延迟；

3)业务处理准备好数据和发送出站数据的处理延迟；

4)业务处理发送出站报文到收发设备的传输延迟；

5)收发设备接收并填写广播信息的处理延迟。

2.2 业务处理

业务处理系统及收发子系统，都部署时间信号同步计算服务，用于确保 nPPS 信号的稳定接收。业务处理系统从时间信号同步计算服务接收时间同步信号，用于驱动业务系统的运行，保持与下游信号系统的业务逻辑同步。

被授时设备通过 NTP 网络授时协议，保持与授时设备严格时间同步，时间信号同步服务在对收到的两路nPPS 配对处理过程中，同时检查信号是否超时，对超时遗漏的时统信号节拍信号进行自动补偿。

判断是否超过(n-N)ms 未收到数据，如果是那么要就启动业务处理线程，处理完成后，向信息号收发子系统发送处理完成的数据，在这时候是自守时的逻辑，不受触发信号的影响，因为自守时的偏差，只有在出现未收到 nPPS 节拍信号时才会有这个补偿逻辑的执行。

如果在(n-N)ms 内收到了数据，并且两个主备的nPPS 信号都收到了，那么先到的节拍信号触发业务处理逻辑，后来的节拍信号直接弃用。业务处理系统判断是不是在(n-N)ms 内收到信号的误差范围内，不在范围内的就是延迟到的，因为已经处理过，所以就直接丢弃，等待下一个时钟节拍信号的到来，走下一个处理逻辑的节拍。

3 结论与展望

通过物理部署方案与业务处理过程的有机配合，保证了时统 nPPS 的实时性，同时保证时统信号作为控制信号的可靠性。突破了 nPPS 信号作为计算机中断控制信号在信息系统中高实时和高可靠性传递的技术难题。

然而，随着信息技术的不断发展和应用场景的不断拓展，对网络授时系统的精度和稳定性提出了更高要求。未来的研究可以进一步探索以下几个方面：一是优化物理拓扑结构，采用更先进的网络设备和技术，减少网络传输时延和抖动，提高信号传输的稳定性和精度；二是深化业务处理算法的研究，提高业务处理系统的响应速度和处理能力，确保在复杂应用场景下仍能保持高精度的时间同步；三是加强系统安全性的研究，防范网络攻击和时间篡改等潜在风险，保障网络授时系统的安全可靠运行。通过这些努力，我们有望推动支持高精度信号的网络授时系统研究取得更加显著的进展，为各领域的应用提供更加精准、可靠的时间同步服务。

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