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GPS時(shí)鐘服務(wù)器（NTP授時(shí)服務(wù)器）應(yīng)用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)
GPS時(shí)鐘服務(wù)器（NTP授時(shí)服務(wù)器）應(yīng)用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)
一、分布式測控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)簡介
分布式測控系統(tǒng)通常由多個(gè)子系統(tǒng)組成，他們之間協(xié)調(diào)工作，共同完成測控任務(wù)，分布式測控系統(tǒng)可緩解單機(jī)測控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。隨著測控技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，現(xiàn)代工程試驗(yàn)，尤其是大型11工試驗(yàn)中，需要測試、控制的項(xiàng)目種類越來越多，對各種測控項(xiàng)目的實(shí)時(shí)性、同步性和測控精度等都提出了更高的要求。
分步式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和算法，通過網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置的不同類型的仿真應(yīng)用和真實(shí)世界互聯(lián)，支持異地分布的真實(shí)的、虛擬的和異構(gòu)的平臺(tái)級(jí)仿真應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)交換和互操作，建立一種人可以參與交互的綜合仿真環(huán)境。由于試驗(yàn)場地面積有限，各大型仿真非標(biāo)設(shè)備常分布于不同樓宇的試驗(yàn)室內(nèi)，完成仿真試驗(yàn)需要多樓宇、多試驗(yàn)室跨域聯(lián)合進(jìn)行。這對多試驗(yàn)室遠(yuǎn)程互連及并行試驗(yàn)提出了迫切的需求，而遠(yuǎn)程協(xié)同仿真技術(shù)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵。
二、分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對遠(yuǎn)程時(shí)間同步的需求
分布式仿真技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，通過局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)將各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的軟件、硬件和仿真環(huán)境整合為一體，共同完成仿真任務(wù)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，分布式仿真技術(shù)對連接各仿真節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、傳輸速率、傳輸數(shù)據(jù)多樣性等方面提出了更高的要求。
1、系統(tǒng)時(shí)間同步
在分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)的各部分之間的遠(yuǎn)程時(shí)間同步非常重要。例如圖形工作站、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、仿真機(jī)、主控機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)等設(shè)備之間的時(shí)間同步，以及如何確定仿真開始時(shí)間、如何確定圖形生成開始時(shí)間、如何確定數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、如何及時(shí)讀取數(shù)據(jù)等都是需要面臨的問題。
2、仿真時(shí)間同步
統(tǒng)一的時(shí)間周期起始點(diǎn)是保證仿真正常推進(jìn)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠的基礎(chǔ)。仿真同步性要求仿真各個(gè)節(jié)點(diǎn)在統(tǒng)一的時(shí)間周期起始點(diǎn)，并且按照規(guī)定的仿真步長向前推進(jìn)。統(tǒng)一的時(shí)間周期起始點(diǎn)是指系統(tǒng)運(yùn)行仿真各個(gè)子節(jié)點(diǎn)需要采用統(tǒng)一的時(shí)刻作為仿真起始時(shí)間戳，之后各節(jié)點(diǎn)的仿真步長均在這個(gè)仿真起始時(shí)間戳的基礎(chǔ)上累加。
三、分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的解決方案
在現(xiàn)代測試系統(tǒng)中，怎樣保證各個(gè)模塊之間的同步以及測量的實(shí)時(shí)性是一個(gè)非常重要的課題，光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)（RMN，Reflective Memory Network）因?yàn)閮?nèi)在的延遲確定、延遲時(shí)間短、支持跨平臺(tái)等特點(diǎn)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？刹捎霉饫w集線器（光纖HUB）進(jìn)行實(shí)時(shí)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)搭建，實(shí)現(xiàn)多試驗(yàn)室協(xié)同試驗(yàn)仿真。
光纖反射內(nèi)存網(wǎng)是一種共享存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。光纖反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)際上是在每臺(tái)被連接的計(jì)算機(jī)里都安裝一塊反射內(nèi)存卡，各反射內(nèi)存卡通過光纖進(jìn)行連接。
基于光纖反射內(nèi)存網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程異地協(xié)同仿真，很好解決了試驗(yàn)室設(shè)備互聯(lián)及高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享的問題，大大地提高了半實(shí)物仿真試驗(yàn)室光纖組網(wǎng)及布線的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)20km級(jí)的跨區(qū)域的低延遲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，使試驗(yàn)室具備了多試驗(yàn)室遠(yuǎn)程協(xié)同并行開展多項(xiàng)試驗(yàn)的能力，同時(shí)具備單一試驗(yàn)室同時(shí)服務(wù)于多個(gè)試驗(yàn)的能力。
1、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的工作原理
基于內(nèi)存共享技術(shù)的光纖反射內(nèi)存網(wǎng)是由計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。組成光纖反射內(nèi)存網(wǎng)，需要在每臺(tái)計(jì)算機(jī)中插入反射內(nèi)存卡，這樣計(jì)算機(jī)和反射內(nèi)存卡就構(gòu)成了光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過光纖等傳輸介質(zhì)連接而成。為了節(jié)省成本，距離較近的(300m以內(nèi))設(shè)備采用多模光纖連接到本地光纖HUB，相距較遠(yuǎn)的(300m～20Km)設(shè)備采用單模光纖連接。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存卡的存儲(chǔ)器中都有其他節(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存卡的共享數(shù)據(jù)的拷貝。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)反射內(nèi)存板，每個(gè)反射內(nèi)存板配備一個(gè)大容量的雙口存儲(chǔ)器。雙口存儲(chǔ)器的一端連接到計(jì)算機(jī)的本地總線，另一端經(jīng)過FIFO、編碼/解碼、并/串變換等處理后，連接到光纖。網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)反射內(nèi)存板都占有一段內(nèi)存地址，任何時(shí)刻網(wǎng)上任何計(jì)算機(jī)向本地反射內(nèi)存板寫數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)和相應(yīng)的內(nèi)存地址將在極短時(shí)間內(nèi)被廣播到網(wǎng)上其他所有反射內(nèi)存板并存儲(chǔ)在相同的位置。并且，所有節(jié)點(diǎn)的更新時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量無關(guān)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光纖接口板的板載存儲(chǔ)器都可由其他節(jié)點(diǎn)共享，因此在邏輯上全網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)共享同一塊存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)一點(diǎn)寫入，多點(diǎn)同時(shí)更新，通過這種廣播式方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享。反射內(nèi)存網(wǎng)具有確定的非常小的數(shù)據(jù)延遲。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲只有400ns。因此，在一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目固定的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲都是確定的，并且是可以計(jì)算的。
光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的核心器件是光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)接口板，可采用VME、PCI、CPCI、PMC等總線構(gòu)架，負(fù)責(zé)連接計(jì)算機(jī)與光纖網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)通過光纖和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)接口板連接在一起。計(jì)算機(jī)通過對接口板的操作來完成對共享存儲(chǔ)器的寫入和讀取。以GE公司PCI5565型接口板為例，大可支持共享內(nèi)存256MB，網(wǎng)絡(luò)可容納256個(gè)節(jié)點(diǎn)，理論大傳輸速率可達(dá)到170MB／s，實(shí)際的點(diǎn)對點(diǎn)測試結(jié)果高達(dá)80MB／s。
在光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中,反射內(nèi)存在物理上分布于各個(gè)計(jì)算機(jī)中(反射內(nèi)存卡中)，邏輯上共享同一段內(nèi)存地址。任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以像訪問普通內(nèi)存一樣方便地訪問共享的反射內(nèi)存。由于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)采用了簡化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以具有非常高的傳輸速度，*如紅外圖像實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)等對實(shí)時(shí)性要求很高的仿真系統(tǒng)的要求。
2、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種：一種為環(huán)形拓?fù)?；另一種為星型拓?fù)?。如果選用環(huán)型拓?fù)溥B接，網(wǎng)上所有的反射內(nèi)存板將通過光纖串聯(lián)起來。如果采用星型拓?fù)溥B接，網(wǎng)上所有的反射內(nèi)存板將連接到光纖HUB上的自動(dòng)光纖旁路板。這種星型連接只是物理上的星型連接，從邏輯上看還是環(huán)形連接。
環(huán)型反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不需要額外的集線器資源，并且光纖使用數(shù)量比星型少一半左右，成本很低。其缺點(diǎn)是當(dāng)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則整個(gè)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)都會(huì)癱11瘓。星型連接則采用光纖集線器（也稱為光纖交換機(jī)）作為數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊€器，集線器將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，再同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)。光纖集線器的使用，可以對數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，旁路錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)更新時(shí)間大大縮短?？傮w來講，環(huán)形拓?fù)浔刃切瓮負(fù)涓m合反射內(nèi)存網(wǎng)。
四、遠(yuǎn)程時(shí)間同步解決方案
為了解決分布式測控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)遠(yuǎn)程時(shí)間同步的問題，公司提出在基于光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用TFT系列高精度光纖時(shí)間頻率傳遞設(shè)備和時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收子板（PCI或PCIe）的方式，實(shí)現(xiàn)分布式測控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的時(shí)間同步。
整個(gè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備由主站時(shí)鐘、從站時(shí)鐘、光纖集線器、時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收子板（PCI或PCIe）和配套連接光纜構(gòu)成，如圖3所示。
時(shí)統(tǒng)設(shè)備通過高性能的原子鐘和光纖交換傳遞，給出精確的時(shí)間或確定的時(shí)間基準(zhǔn)，滿足系統(tǒng)內(nèi)部各用戶之間的高精度時(shí)間同步要求，另外通過北斗/GPS衛(wèi)星授時(shí)手段實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)其它部門、單元之間的遠(yuǎn)距離時(shí)間同步和協(xié)同。
主站時(shí)鐘輸出高精度時(shí)頻信號(hào)的參考源，經(jīng)過光纖傳輸給從站時(shí)鐘，再經(jīng)光纖傳送到時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收板卡。時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收子板獲取、解析主站時(shí)鐘下發(fā)的時(shí)頻信息，通過計(jì)算處理，為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息和用戶設(shè)定的時(shí)鐘同步中斷信號(hào)，供用戶實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步使用。光纖集線器主要用于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中多塊光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)接口板進(jìn)行組網(wǎng)。此外，公司還提供11用的便攜式檢測調(diào)試設(shè)備，用于復(fù)現(xiàn)主時(shí)鐘信號(hào)，供給平時(shí)檢測、調(diào)試使用。
采用安徽京準(zhǔn)電子科技公司的遠(yuǎn)程時(shí)間信號(hào)同步解決方案，實(shí)現(xiàn)的測控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)在時(shí)統(tǒng)性能方面可以達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：
1. 時(shí)鐘同步精度優(yōu)于±10ns；
2. 幀時(shí)鐘（0.2ms）傳輸延遲小于10μs；
3. 授時(shí)設(shè)備主站時(shí)鐘源穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-11/日（衛(wèi)星信號(hào)鎖定）；
4. 時(shí)標(biāo)同步網(wǎng)絡(luò)上，各個(gè)時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收板卡生成的本地同步中斷或同步脈沖之間的誤差不超過40ns；
5. 同步時(shí)鐘信號(hào)小輸出間隔周期不大于10μs；
6. 時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收板卡支持的實(shí)時(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)通訊速率不小于2.125Gbps；
7. 時(shí)鐘信號(hào)大傳輸距離不小于5km（不考慮時(shí)鐘信號(hào)傳輸延時(shí)）。
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