專利名稱：一種地面仿真系統的校時同步控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種地面仿真系統的校時同步控制器，屬于航天器工程技術領域。
背景技術：
航天器的地面仿真系統是典型的分布式系統，校時和同步控制是影響系統仿真性能的關鍵技術。系統仿真過程中必須保證各子系統時間一致性和進程因果時序的正確性， 減少仿真交互中的冗余信息，提高系統并行性和耦合性。目前廣泛采用和在研的相關技術主要有如下幾種1、軟件校時方法當前仿真系統多采用計算機晶振時鐘作為時鐘信號基準，利用軟件手段實現各子系統時間校時。軟件校時成本較低，便于實現，但因受網絡延時和時鐘漂移的影響，單一軟件校時方法校時精度校低。2、基于時戳序的線性同步控制方法現在大部分仿真系統采用基于標量邏輯時鐘的線性同步控制方法，算法按照進程標量邏輯時鐘判斷時戳序，然后按照時戳序非遞減的順序線性提交進行處理。這種同步控制方法雖然保證了交互進程之間因果時序的正確性，但并行性差，交互信息中存在大量冗余控制信息，影響整個仿真系統的性能。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種地面仿真系統的校時同步控制器，該同步控制器針對地面仿真系統各子系統和模塊仿真步長不同、并行性和耦合性要求高的特點，采用基于硬件時統模塊與校時模塊相結合的校時方法，對仿真步長不同的子系統進行校時，保證系統時間的一致性；同時采用基于時戳序的層次進程調度方法，保證系統仿真的同步性和并行性，提高系統的耦合度。本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的一種地面仿真系統的校時同步控制器，包括硬件時統模塊、校時模塊和同步控制模塊，其中硬件時統模塊接收系統仿真啟動消息，根據預先標定存儲的時鐘漂移率和仿真啟動消息產生仿真步長脈沖信號，將所述仿真步長脈沖信號轉換為仿真步長信息，并以UDP 協議在網絡中廣播所述仿真步長信息；同時將包含所述仿真步長信息的數據包發送給校時模塊，并從仿真啟動消息中讀取時鐘漂移率，將時鐘漂移率和預先存儲的同步上限值發送給校時模塊；校時模塊根據從硬件時統模塊接收的時鐘漂移率和同步上限值計算系統最大讀取誤差，并根據同步上限值判斷是否需要進行時間補償，同時計算系統同步周期；從硬件時統模塊接收包含仿真步長信息的數據包，并記錄N次數據包發送和接收時刻，計算系統網絡延遲均值；根據系統同步周期和系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲，同時根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時，以保證各仿真子系統和仿真模塊的步長一致，并將消除網絡延遲和保證步長一致的數據包中的仿真數據作為校時仿真數據包發送給同步控制模塊，同時將數據包中的讀寫控制標志發送給同步控制模塊；同步控制模塊接收校時模塊輸出的讀寫控制標志和校時仿真數據包，根據校時仿真數據包中的系統仿真進程的時間戳信息計算進程相應向量時鐘，根據向量時鐘和系統設定的閾值對仿真進程進行分層，設定每層的通訊進程，根據向量時鐘的因果時序計算數據包數據在不同層通訊進程之間傳遞的路徑，根據計算的路徑進行仿真數據交換，產生同步控制處理后的同步控制數據包，并將同步控制數據包和向量時鐘發送給各仿真子系統和仿真模塊；其中N為正整數。在上述地面仿真系統的校時同步控制器中，校時模塊包括誤差分析模塊、異步長連續校時模塊和網絡延遲計算模塊，其中誤差分析模塊根據從硬件時統模塊接收的時鐘漂移率和同步上限值計算系統最大讀取誤差，并根據同步上限值判斷是否需要進行時間補償，同時計算系統同步周期，并將最大讀取誤差和系統同步周期發送給異步長連續校時模塊；網絡延遲計算模塊從硬件時統模塊接收包含仿真步長信息的數據包，并記錄N 次數據包發送和接收時刻，計算系統網絡延遲均值，并將系統網絡延遲均值傳輸給異步長連續校時模塊；異步長連續校時模塊根據從誤差分析模塊接收的系統同步周期和從網絡延遲計算模塊接收的系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲，同時根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時，以保證各仿真子系統和仿真模塊步長一致，并將消除網絡延遲和保證步長一致的數據包中的仿真數據作為校時仿真數據包發送給同步控制模塊，同時將數據包中的讀寫控制標志發送給同步控制模塊。在上述地面仿真系統的校時同步控制器中，同步控制模塊包括向量時鐘計算模塊和層次同步控制模塊，其中向量時鐘計算模塊接收校時模塊輸出的讀寫控制標志和校時仿真數據包，根據校時仿真數據包中的系統仿真進程的時間戳信息計算進程相應向量時鐘，并將向量時鐘以因果時序傳遞給層次同步控制模塊；層次同步控制模塊接收向量時鐘計算模塊輸出的向量時鐘，根據系統設定的閾值對仿真進程進行分層，設定每層的通訊進程；根據向量時鐘的因果時序計算消息在不同層通訊進程之間傳遞的路徑；根據計算的路徑進行仿真數據交換，產生同步控制處理后的同步控制數據包，并將同步控制數據包和向量時鐘發送給各仿真子系統和仿真模塊。在上述地面仿真系統的校時同步控制器中，異步長連續校時模塊包括子系統步長分析和線性連續函數校時計算兩個處理過程，其中子系統步長分析根據系統同步周期和系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲；線性連續函數校時計算根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時，以保證各仿真子系統和仿真模塊步長一致。
在上述地面仿真系統的校時同步控制器中，網絡延遲計算模塊中根據基于統計的計算方法計算系統網絡延遲均值^ ,具體過程如下假設時間服務器為節點M,子系統為節點S，M向S發送η個帶有M機時間戳Ti的信息，Ti為第i個同步包發送時刻；S接收到同步包時記錄本機時刻Qi,則S對M的時鐘估計為 Te,=Qn~Q(n) + T(^ + d,其中？^ = ~ΣΤ, ,,0{ ) = -YjQi，為n次傳輸的網絡延遲平均值，Qn為第η次數
據包接收時間，η為正整數，且η彡2。本發明與現有技術相比具有如下有益效果(1)本發明校時同步控制器針對地面仿真系統各子系統仿真步長不同、并行性和耦合性要求高的特點，采用基于硬件時統模塊與校時模塊相結合的校時方法，對仿真步長不同的子系統進行校時，保證系統時間的一致性；(2)本發明校時同步控制器采用基于統計的異步長校時技術方案，提高校時精度， 減小網絡延遲的影響；(3)本發明校時同步控制器采用基于時戳序的層次進程調度方法，通過層次同步控制技術方案，減少系統控制信息中的冗余信息，保證系統仿真的同步性和并行性，提高系統的耦合度。


圖1為本發明校時同步控制器結構示意圖；圖2為本發明校時模塊結構示意圖；圖3為本發明同步控制模塊結構示意圖；圖4為本發明校時模塊的校時過程示意圖；圖5為本發明同步控制模塊的同步控制過程示意圖；圖6為本發明實施例中校時模塊進行校時的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述如圖1所示為本發明校時同步控制器結構示意圖，由圖可知校時同步控制器包括硬件時統模塊、校時模塊和同步控制模塊，硬件時統模塊接收系統仿真啟動消息，根據預先標定存儲的時鐘漂移率和仿真啟動消息產生仿真步長脈沖信號，由仿真卡將仿真步長脈沖信號轉換為仿真步長信息，并以UDP協議在網絡中廣播仿真步長信息；同時將包含仿真步長信息的數據包發送給校時模塊，并從仿真啟動消息中讀取時鐘漂移率，將時鐘漂移率和預先存儲的同步上限值發送給校時模塊。如圖2所示為本發明校時模塊結構示意圖，由圖可知校時模塊包括誤差分析模塊、異步長連續校時模塊和網絡延遲計算模塊。誤差分析模塊根據從硬件時統模塊接收的時鐘漂移率和同步上限值計算系統最大讀取誤差，并根據同步上限值判斷是否需要進行時間補償，同時計算系統同步周期，并將最大讀取誤差和系統同步周期發送給異步長連續校時模塊；網絡延遲計算模塊從硬件時統模塊接收包含仿真步長信息的數據包，并記錄N 次數據包發送和接收時刻，計算系統網絡延遲均值，并將系統網絡延遲均值傳輸給異步長連續校時模塊；異步長連續校時模塊根據從誤差分析模塊接收的系統同步周期和從網絡延遲計算模塊接收的系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲，同時根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時，以保證各仿真子系統和仿真模塊步長一致，并將消除網絡延遲和保證步長一致的數據包中的仿真數據作為校時仿真數據包發送給同步控制模塊，同時將數據包中的讀寫控制標志發送給同步控制模塊。如圖4所示為本發明校時模塊的校時過程示意圖，校時模塊采用異步長連續校時方法的具體步驟如下(1)讀取仿真啟動信息。數管分系統接收監控臺仿真啟動信號后，硬件時統源讀取起始時間Ttl，對整個地面仿真系統的時間進行初始化設置；(2)數管分系統通過UDP協議廣播硬件時統源產生的步長脈沖消息1，并與各子系統本身時間步長Γ進行比對。若步長不同，則進行異步長同步控制，統一仿真系統步長； 若步長相同，則進入步驟；(3)根據各系統步長選取異步長校時函數(4)讀取時鐘漂移率和同步上限，并計算系統網絡延遲均值。(5)根據時間同步上限判斷子系統是否需要進行時間同步補償。若延時誤差大于上限估計則進行時間同步補償；若延時誤差小于估計，則進入步驟O)；(6)根據系統時鐘漂移率和最大讀取誤差計算子系統最大同步周期；(7)數管分系統根據最大同步周期和系統時鐘補償參數對地面仿真系統時鐘進行線性連續校時，確保系統時間誤差在允許范圍內。如圖3所示為本發明同步控制模塊結構示意圖，由圖可知同步控制模塊包括向量時鐘計算模塊和層次同步控制模塊。向量時鐘計算模塊接收校時模塊輸出的讀寫控制標志和校時仿真數據包，根據校時仿真數據包中的系統仿真進程的時間戳信息計算進程相應向量時鐘，并將向量時鐘以因果時序傳遞給層次同步控制模塊和各仿真子系統和仿真模塊。層次同步控制模塊接收向量時鐘計算模塊輸出的向量時鐘，根據系統設定的閾值對仿真進程進行分層，設定每層的通訊進程；根據向量時鐘的因果時序計算消息在不同層通訊進程之間傳遞的路徑；根據計算的路徑進行仿真數據交換，產生同步控制處理后的同步控制數據包，并將同步控制數據包發送給各仿真子系統和仿真模塊。如圖5所示為本發明同步控制模塊的同步控制過程示意圖，同步控制模塊實現采用地面仿真系統多進程同步調度邏輯，提高系統的并行性和耦合性，其原理是采用讀寫控制標志位實現各子系統的讀寫同步，并利用層次時戳序同步管理方法提高系統的并行性與耦合性，保證數據流的正確性，同時使系統具有較好的擴展性。如圖5所示，同步控制模塊的具體步驟如下(1)檢測接收時統信息的讀寫控制標志位；
(2)獲取發生數據交換的進程所屬子組組號并進行判斷；(3)計算進程相應邏輯時鐘向量，并根據組內進程因果序更新進程邏輯時鐘向量；(4)按照層次式時戳序通信協議，通過轉發進程完成不同子組之間的數據交換，實現系統的同步控制；上述讀寫同步控制方法如下(1)約束條件以實時時間同步優先，當遙測數據時戳信息到達，子系統計算未完成仍繼續仿真推進；(2)算法步驟步驟1)子系統交換數據計算前，先檢測消息的讀控制標志位T1，如果T1 = 1，則讀取參數信息和輸入數據進行計算；步驟2)子系統每完成一次步長校正后，檢測時統信息的寫控制標志位T2,如果T2 =1，則進行寫操作，否則進行等待；步驟3)隨系統仿真推進，不斷循環重復步驟1)和步驟2)。上述層次時戳序同步控制的步驟如下所述(1)根據讀寫控制方法，檢測仿真數據包中的讀寫控制標志位，并進行相應的讀寫操作；(2)向量時鐘計算模塊獲取仿真進程組號，并計算進程相應向量時鐘。(3)同步控制模塊進行分層值計算。根據系統設定的閾值α對系統所有仿真進程進行分組，每子組規模小于α。對應每個子組設置一個通信進程，組于組之間數據交換通過通信進程完成。根據系統設定的閾值α對所有子組通信進程進行二次劃分，每子組規模小于α。以此類推，直到最頂層子組規模小于α。(4)目的子組通信進程按照接收數據的時戳序計算傳遞路徑，將數據發送給組內其他進程。(5)子組間進行數據交換需通過通信進程按照層次時戳協議進行。通信進程按照時戳序管理算法接收子組中需交換數據，并以相同的順序將數據轉發到目的子組。下面各列舉一個校時過程的實施例和一個同步控制過程的實施例校時過程實施例如圖6所示為本發明實施例中校時模塊進行校時的流程圖，硬件時統源產生的時鐘脈沖信號為F，T首先通過CAN總線發送到數管子系統，數管子系統通過CAN總線仿真卡將其轉換成仿真系統時間消息T，格式如下表1所示表 1
主導頭(48bit)包識別控制域版本 號類型副導頭標應用過程識別讀寫標志發出消息的進程號時間步長時間域311112141616161632并以中斷形式讀取時鐘脈沖信號鐘F，獲得時間步長1。然后依據時間消息格式在 T中添加時間位和步長位，同時按照UDP通信協議在網絡中進行廣播時間消息。各子系統通過約定的網絡接口接收時間消息T，讀取時間消息中的時間位和步長位，并與子系統自身步長Γ進行比較如果步長一致，則調用誤差分析器直接網絡延時計算；如果步長不一致， 則按照異步長同步方法進行子系統步長校正，再進行網絡延時計算。最后通過用實時網絡延時時間T'與時間同步上限θ進行比對，如果T' < θ，則繼續進行仿真推進；如果T' > θ，則根據時鐘漂移率和最大同步周期進行線性連續時間校時，從而減小時鐘漂移和網絡延遲對仿真系統的影響，時間仿真系統與時統源時鐘的一致性。同步控制過程實施例具體同步控制方法如下假設當前地面仿真系統姿軌控分系統進影信息為W，并行運行的系統進程為[P1, P2,...，Pn]，仿真系統閾值為α，消息W的讀寫控制標志位為TpT2 ；根據航天器姿軌控分系統與電源分系統關聯關系，設定α = 2，將進程[P1, P2, ... , Pn]分為姿軌控進程組和電源組，組號為N1、隊。設定N1組通信進程為P1, N2組通信進程為Pn ；(1)進程[P1, P2, ... , PJ讀取硬件時統源廣播的步長脈沖信息；(2)每個進程Pi將系統步長脈沖信息與自身步長進行比較；(3)若步長一致，則進入步驟(5)；若步長不一致，則進行異步長校時函數選取；(4)進程[P1, P2, ... , PJ讀取時鐘漂移率和同步上限估值，并計算網絡延遲；(5)根據最大同步周期，對仿真進程進行異步長連續校時；(6)同時，進程[P1, P2，. . .，Pn]讀取讀寫控制標志位1\、T2信息，并根據讀寫控制方法實現進程的讀寫同步控制；(7)姿軌控分系統根據軌道信息觸發W變化，W變化時會引起電源分系統相關遙測變化，即N1A2組進程此時發生數據交換。計算發生數據交換的進程組的相應邏輯時鐘向量 Μ，并根據組內進程因果序更新進程邏輯時鐘向量M ；(8)按照層次式時戳序通信協議，通過P1和Pn完成N1A2組之間的數據交換，實現進影信息W變化時兩個分系統的同步控制；所使用的層次時戳序同步算法如下所述地面仿真系統中并行運行的進程規模較大，進程之間的數據交互復雜，具有不確定性，但進程之間具有明顯的層次結構，因此可將并行運行的進程進行分組，進程只需與組內進程進行數據交互，組間數據交互由專門進程負責，這樣減少了附加在同步控制信息上的冗余信息，提高系統的并行性和耦合性。以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。 本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種地面仿真系統的校時同步控制器，其特征在于包括硬件時統模塊、校時模塊和同步控制模塊，其中硬件時統模塊接收系統仿真啟動消息，根據預先標定存儲的時鐘漂移率和仿真啟動消息產生仿真步長脈沖信號，將所述仿真步長脈沖信號轉換為仿真步長信息，并以UDP協議在網絡中廣播所述仿真步長信息；同時將包含所述仿真步長信息的數據包發送給校時模塊，并從仿真啟動消息中讀取時鐘漂移率，將時鐘漂移率和預先存儲的同步上限值發送給校時模塊；校時模塊根據從硬件時統模塊接收的時鐘漂移率和同步上限值計算系統最大讀取誤差，并根據同步上限值判斷是否需要進行時間補償，同時計算系統同步周期；從硬件時統模塊接收包含仿真步長信息的數據包，并記錄N次數據包發送和接收時刻，計算系統網絡延遲均值；根據系統同步周期和系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲，同時根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時， 以保證各仿真子系統和仿真模塊的步長一致，并將消除網絡延遲和保證步長一致的數據包中的仿真數據作為校時仿真數據包發送給同步控制模塊，同時將數據包中的讀寫控制標志發送給同步控制模塊，其中N為正整數；同步控制模塊接收校時模塊輸出的讀寫控制標志和校時仿真數據包，根據校時仿真數據包中的系統仿真進程的時間戳信息計算進程相應向量時鐘，根據向量時鐘和系統設定的閾值對仿真進程進行分層，設定每層的通訊進程，根據向量時鐘的因果時序計算數據包數據在不同層通訊進程之間傳遞的路徑，根據計算的路徑進行仿真數據交換，產生同步控制處理后的同步控制數據包，并將同步控制數據包和向量時鐘發送給各仿真子系統和仿真模塊。
2.根據權利要求1所述的一種地面仿真系統的校時同步控制器，其特征在于所述校時模塊包括誤差分析模塊、異步長連續校時模塊和網絡延遲計算模塊，其中誤差分析模塊根據從硬件時統模塊接收的時鐘漂移率和同步上限值計算系統最大讀取誤差，并根據同步上限值判斷是否需要進行時間補償，同時計算系統同步周期，并將最大讀取誤差和系統同步周期發送給異步長連續校時模塊；網絡延遲計算模塊從硬件時統模塊接收包含仿真步長信息的數據包，并記錄N次數據包發送和接收時刻，計算系統網絡延遲均值，并將系統網絡延遲均值傳輸給異步長連續校時模塊；異步長連續校時模塊根據從誤差分析模塊接收的系統同步周期和從網絡延遲計算模塊接收的系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲，同時根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時，以保證各仿真子系統和仿真模塊步長一致，并將消除網絡延遲和保證步長一致的數據包中的仿真數據作為校時仿真數據包發送給同步控制模塊，同時將數據包中的讀寫控制標志發送給同步控制模塊。
3.根據權利要求1所述的一種地面仿真系統的校時同步控制器，其特征在于所述同步控制模塊包括向量時鐘計算模塊和層次同步控制模塊，其中向量時鐘計算模塊接收校時模塊輸出的讀寫控制標志和校時仿真數據包，根據校時仿真數據包中的系統仿真進程的時間戳信息計算進程相應向量時鐘，并將向量時鐘以因果時序傳遞給層次同步控制模塊；層次同步控制模塊接收向量時鐘計算模塊輸出的向量時鐘，根據系統設定的閾值對仿真進程進行分層，設定每層的通訊進程；根據向量時鐘的因果時序計算消息在不同層通訊進程之間傳遞的路徑；根據計算的路徑進行仿真數據交換，產生同步控制處理后的同步控制數據包，并將同步控制數據包和向量時鐘發送給各仿真子系統和仿真模塊。
4.根據權利要求2所述的一種地面仿真系統的校時同步控制器，其特征在于所述異步長連續校時模塊包括子系統步長分析和線性連續函數校時計算兩個處理過程，其中子系統步長分析根據系統同步周期和系統網絡延遲均值，進行系統校時補償，以消除各仿真子系統和仿真模塊的網絡延遲；線性連續函數校時計算根據最大同步周期選擇線性連續函數進行異步長連續校時，以保證各仿真子系統和仿真模塊步長一致。
5.根據權利要求2所述的一種地面仿真系統的校時同步控制器，其特征在于所述網絡延遲計算模塊中根據基于統計的計算方法計算系統網絡延遲均值J ,具體過程如下假設時間服務器為節點M，子系統為節點S，M向S發送η個帶有M機時間戳Ti的信息， Ti為第i個同步包發送時刻；S接收到同步包時記錄本機時刻Qi，則S對M的時鐘估計為:Test =Q11 -Q(n) + T(n) + d,其中_ =丄玄7；,,_ =丄為n次傳輸的網絡延遲平均值，ι為第!！次數據包接收時間，η為正整數，且η彡2。
全文摘要
本發明涉及一種地面仿真系統的校時同步控制器，該控制器針對地面仿真系統各子系統仿真步長不同、并行性和耦合性要求高的特點，采用基于硬件時統模塊與校時模塊相結合的校時方法，對仿真步長不同的子系統進行校時，保證系統時間的一致性；同時采用基于時戳序的層次進程調度方法，通過層次同步控制技術方案，減少系統控制信息中的冗余信息，保證系統仿真的同步性和并行性，提高系統的耦合度。
文檔編號H04L7/00GK102315929SQ20111025450
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者周永輝, 李強, 王佳偉, 羅毓芳, 邱瑞, 邵坤 申請人:北京空間飛行器總體設計部