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GNSS和PTP时间同步的基础原理介绍

article 2024/11/5 2:31:02

文章目录

- 0. 概述
- 1. 时间同步的基本原理
- - 1.1. GNSS时间同步
  - 1.2. PTP时间同步
- 2. 时钟同步的步骤与机制
- - 2.1. 主从关系建立
  - 2.2. 频率同步
  - 2.3. 时间同步
  - 2.4. 单步和两步模式
  - 2.5. 时间同步方式：E2E和P2P
- 3. 编程实现的差异
- - 3.1. GNSS时间同步的编程实现
  - 3.2. PTP时间同步的编程实现
- 4. GNSS与PTP的协同工作及与PHY层的关系
- - 4.1. GNSS与PTP的协同工作
  - 4.2. 与PHY层的关系
- 5. 总结

0. 概述

本文将介绍GNSS（全球导航卫星系统）和PTP（精密时间协议）时间同步技术的基础概念。

1. 时间同步的基本原理

1.1. GNSS时间同步

工作原理：

卫星授时： GNSS卫星（如GPS、北斗）配备高精度原子钟，持续广播包含时间和位置信息的导航信号。这些信号包含了精确的UTC（协调世界时）时间。
信号接收与解码： 地面接收器通过天线接收多个卫星的信号，解调并解码获取卫星的时间戳和轨道信息。
时间校准： 通过计算信号传输延迟，接收器精确计算当前UTC时间，用于校准本地系统时钟。

特点：

绝对时间同步： 提供全球统一的时间基准，与UTC严格一致。
独立于网络： 不依赖地面网络传输，适用于网络不可用或不可靠的环境。
高精度： 在开阔环境下，时间同步精度可达到纳秒级。

1.2. PTP时间同步

工作原理：

主从架构： PTP采用主从时钟架构，通过最佳主时钟算法（BMC）选举出网络中的主时钟（Grandmaster Clock，GMC）。
时间戳交换： 主从设备之间周期性地交换PTP报文，包括Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp等，记录发送和接收的精确时间戳。
延迟计算与校准： 从设备根据交换的时间戳，计算与主时钟之间的时钟偏差和网络传输延迟，调整本地时钟，实现同步。

特点：

相对时间同步： 实现网络内各设备之间的高精度时间一致性。
高精度分发： 在局域网内，可实现亚微秒级的时间同步精度。
依赖网络质量： 对网络的延迟和抖动敏感，需要网络设备支持PTP。

基本概念：

PTP域： 一个应用了PTP协议的网络区域，域内有且只有一个主时钟。
时钟节点： 包括普通时钟（OC）、边界时钟（BC）和透明时钟（TC）。
- OC（Ordinary Clock）： 具有单个PTP端口，作为主时钟或从时钟。
- BC（Boundary Clock）： 具有多个PTP端口，从上游同步时间，向下游发布时间。
- TC（Transparent Clock）： 不与其他设备保持时间同步，负责修正PTP报文的传输延迟。
主从关系： 设备之间通过PTP协议建立的时钟同步关系。

2. 时钟同步的步骤与机制

2.1. 主从关系建立

Announce报文交换： 设备之间互相发送Announce报文，宣告自身的时钟属性。
最佳主时钟算法（BMC）： 根据时钟优先级、级别、精度等参数，选出最优时钟（GMC）。
- 比较顺序： Priority1 > ClockClass > ClockAccuracy > OffsetScaledLogVariance > Priority2。
端口状态确定： 设备端口根据BMC算法结果，被设置为Master、Slave或Passive状态。

2.2. 频率同步

Sync报文传输： 主时钟发送Sync报文，从时钟接收后提取时间戳。
Follow_Up报文： 在两步模式下，主时钟发送Follow_Up报文，提供精确的发送时间戳。
频率调整： 从时钟根据接收到的时间戳，调整本地时钟频率，与主时钟保持一致。

2.3. 时间同步

延迟测量： 通过Delay_Req和Delay_Resp报文，计算主从之间的网络传输延迟。
时间偏差计算： 结合时间戳和延迟，计算本地时钟与主时钟的时间偏差。
时钟校准： 调整本地时钟的相位，实现与主时钟的时间同步。

2.4. 单步和两步模式

单步模式（One-Step）： Sync报文直接携带精确的发送时间戳。
两步模式（Two-Step）： Sync报文不携带发送时间戳，需通过Follow_Up报文补充。

2.5. 时间同步方式：E2E和P2P

E2E（端到端，End-to-End）： 终端设备直接测量与主时钟之间的延迟，适用于简单网络。
P2P（点对点，Peer-to-Peer）： 设备之间逐跳测量延迟，适用于包含透明时钟的复杂网络。

3. 编程实现的差异

3.1. GNSS时间同步的编程实现

硬件接口通信：

串口通信： 使用UART、USB等接口，与GNSS接收器进行数据通信。
数据接收： 利用系统串口API，实时读取接收器的数据。

数据解析：

NMEA 0183协议解析： 解析如$GPRMC、$GPZDA等语句，提取UTC时间等信息。

// 示例：解析$GPRMC语句中的UTC时间
sscanf(nmea_sentence, "$GPRMC,%2d%2d%2d.%*f,A,", &hour, &minute, &second);

校验处理： 验证NMEA语句的校验和，确保数据完整性。

时间校准：

系统调用： 使用settimeofday()或clock_settime()，设置系统时钟。

struct timeval tv;
tv.tv_sec = utc_timestamp;
tv.tv_usec = 0;
settimeofday(&tv, NULL);

时区处理： 根据系统配置，转换UTC时间为本地时间。

异常处理：

信号丢失检测： 监控接收器状态，处理信号中断或数据异常。
冗余设计： 配置备用时间源，提高系统可靠性。

3.2. PTP时间同步的编程实现

协议栈实现：

消息处理： 实现PTP协议中的各种报文类型，遵循IEEE 1588标准。

// 示例：发送Sync消息
void send_sync_message() {
    ptp_sync_message_t msg;
    // 填充消息内容
    sendto(socket_fd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
}

状态机管理： 实现PTP的状态机，包括初始化、侦听、主时钟、从时钟等状态。

网络通信：

套接字编程： 使用原始套接字或UDP套接字，处理多播地址（如224.0.1.129）。
硬件时间戳： 配置网络驱动和网卡，启用硬件时间戳功能，使用SO_TIMESTAMPING获取精确时间戳。

时间同步算法：

延迟与偏差计算： 根据PTP报文的时间戳，计算网络延迟和时钟偏差。

offset = ((t2 - t1) + (t3 - t4)) / 2;
delay = ((t2 - t1) - (t3 - t4)) / 2;

时钟调整： 使用adjfreq()等函数，微调本地时钟频率。

系统调用：

高精度时钟调整： 使用clock_adjtime()，精确调整系统时钟。

实时性与多线程：

实时调度： 设置线程的调度策略和优先级，确保时间敏感操作的及时性。
多线程架构： 分离网络通信、时间计算和时钟调整，提高程序性能。

硬件依赖：

PTP硬件支持： 使用支持IEEE 1588的网卡。
驱动配置： 可能需要定制网络驱动，支持硬件时间戳和PTP处理。

4. GNSS与PTP的协同工作及与PHY层的关系

4.1. GNSS与PTP的协同工作

协同目的：

全局统一与局部高精度： GNSS提供全球统一的UTC时间，PTP在局域网内实现高精度的时间分发。
增强可靠性： GNSS信号受干扰时，PTP网络可继续维持设备间的时间同步。

典型方式：

GNSS作为PTP主时钟的时间源：
- 时间源配置： 将GNSS接收器连接到PTP主时钟设备，主时钟获取GNSS时间。
- 时间分发： 主时钟通过PTP协议，将精确时间同步到网络内的从设备。
冗余机制：
- 多主时钟配置： 部署多个PTP主时钟，使用不同的GNSS接收器或备用时钟。
- 故障切换： 检测主时钟或GNSS故障时，自动切换到备用主时钟。

4.2. 与PHY层的关系

PHY层在PTP中的作用：

硬件时间戳：
- 精度提升： 在PHY层直接生成时间戳，消除软件层面的不确定性。
- 实时捕获： 高性能网卡在PHY或MAC层集成时间戳功能。
PTP对PHY的要求：
- IEEE 1588支持： 设备需硬件支持PTP，并提供相应驱动和接口。
- 稳定时钟源： PHY层需具备稳定的时钟，以确保时间戳准确。

GNSS与PHY层的关系：

PPS信号输入：
- 外部时钟参考： GNSS接收器提供的PPS（每秒脉冲）信号，可作为PHY层的时钟参考。
- 时钟同步： 将PPS信号连接到网卡或交换机的时钟输入，引导PHY层时钟同步。
同步性能提升： 通过硬件层面引入GNSS参考，提高PTP时间同步的精度和稳定性。