作战试验数据时间偏差修正方法研究

2021-06-25涂二看见李强李红玲

火炮发射与控制学报 2021年2期

涂二看见，李强，李红玲

(中国人民解放军63870部队，陕西华阴 714200)

作战试验测试通信网络一般采用异构层次网络架构设计，通过融合多种架构的通信系统，取长补短，使多种不同类型的网络分别面向特定使用场景共同为用户提供随时随地的接入能力。但是，层次化、差异化的混合体系结构使得时间同步在全局范围内实现困难，影响了采样数据的时标精度，并且作战试验测试通信网络的拓扑结构和网络特性也引入了传输时延和处理时延，进而影响作战试验测试数据试验后回放与分析的精确性。

由此，针对作战试验异构层次网络测量数据回放时间偏差问题，需要在研究作战试验测试通信网络特性的基础上，深入分析研究作战试验测试数据回放时间偏差的机理和修正方法，以指导试验后数据处理与应用。

1 作战试验测试通信网络的特性

作战试验测试通信网络包含两层或多层网络，区分为分组子网和骨干网，试验过程中，测试通信网络各节点或按试验科目静态部署，或随被试对象的战场机动行动而遂行转移，呈现出一些独有的特征[1]，包括：

1)骨干网络全域覆盖，节点通信压力不均衡。骨干网络要完整覆盖测试区域，并为测试数据传输提供干线支撑。由于传输距离要求相对较远，设备质量与功率等相对较大，往往采用车载等方式定点部署。在面向特定试验时通信传输服务具有区域性，分布在不同区域内的骨干节点的通信压力不均衡。

2)分组网络动态部署。在作战试验过程中，面向测试任务构建的分组网会依据测试任务随被试对象动态部署，一般采用多跳、自组织网络等方式实现，使得作战试验测试通信网络中的局部子网在时间和空间上均具有动态散布的特性。

3)节点分布不均匀。依据不同的测试环境与数据传输需求，作战试验测试通信网络在不同区域内部署的通信节点的类型、数量以及通信能力等均不同，并且容易受到战场地理环境的影响，如河流、山涧、峡谷等多种复杂地形条件下，节点空间位置分布不均匀，即使对同构网络而言，在同一区域内不同位置处的节点分布也是不均匀的。

2 测试数据回放时间偏差分析

在作战试验过程中，一般按照测试任务分区域布设分组子网，对试验过程中的数据进行实时采集，汇总至中继节点后再通过骨干网远传至试验数据中心。其拓扑结构如图1所示[2-4]。

多层异构的通信拓扑架构使得作战试验系统中不同分组间的时间同步性较差，信息传输过程中的通信延迟统计分析处理较为困难。

基于数据的采集、传输与回放流程分析，作战试验测试数据回放时间偏差由各子系统之间的系统时间偏差wn、系统取标识时间时的定时器随机误差un、信息传输过程中通信延迟导致的随机偏差τn和回放条件判断误差γn4个部分组成[5]，模型表示为

e(n)=wn+un+τn+γn.

(1)

wn表示作战试验各子系统服务器之间的系统时间偏差。作战试验各子系统服务器时间取自于计算机操作系统，该时间同步于服务器的硬件时钟，在操作系统启动后，系统自动读取硬件时间，并显示为系统时钟，并被各子系统服务器获取。该偏差主要源于两个方面，一是在硬件时钟不同步的情况下，系统时间会出现偏差[6]；二是随着计算机的使用时间的增加，硬件时钟会出现漂移，导致系统时间不同步。

un表示时标间隔随机偏差，与标识机制相关。作战试验数据时间标识有两种方法：一是在接收到或生成测量数据时实时获取本地系统时间，标识数据时间后缓存下来，再通过独立的数据记录线程进行数据存储入文件操作；其二是在按数据处理的频率，通过一个定时器周期性获取本地系统时间，并记录为全局变量，在接收到或生成测量数据时，标识数据并缓存。针对第1种方法，本地系统时间的准确性主要由系统偏差决定，由于采用异构层次网络结构的作战试验测试通信网络缺乏系统时间同步机制，所以系统偏差是导致时标误差的主要因素，这也同样影响到第2种标识方法；针对第2种方法，由于标识时间是通过定时器方式获取的，定时器的性能及应用机制直接影响时标精度，这导致标识时间实际上是滞后于真实时间，并且呈现出一定的随机性。

τn表示通信延迟随机偏差，主要源于各子系统原始采样后传送至存储服务器过程中的通信延迟，包含数据排队等待时间、数据处理时间及信道传输时间等[7-8]。如果数据时标是在传送至存储服务器后获得的，则τn需要考虑；如果是在采样时即完成了时间标识，则τn基本可忽略。由于作战试验各类数据是在传送至存储服务器后进行时间标识的，需要考虑τn.

γn表示回放条件判断误差，主要源于回放步长、时刻与数据帧标识时间的偏差。在作战试验数据回放过程中，系统获取数据记录起始时间t0，解析出待回放数据的时标t1，计算与数据帧时标跨度Δt=t1-t0，与当前回放时间跨度Δt′进行比对，若Δt>Δt′，则判定数据符合回放条件，否则不回放。这时，回放过程中产生了回放条件判断误差为Δt-Δt′.

3 测试数据回放时间偏差修正方法

作战试验测试数据回放时间偏差修正的目的是对待回放的多源数据进行时间对齐，在同一时间节点上只能回放对应时刻的数据信息。笔者基于作战试验数据的时标特点，研究偏差修正方法，使全局累计误差最小。

作战试验记录数据是离散数据，不同分组子网记录的数据在不同的时间段包含的时间偏差不同，如图2所示。

图2中，数据1和数据2是动态采样数据，在发生时刻、数据长度上具有随机性，每帧数据在回放开始时间上的偏差会产生持续的系统误差；数据3是周期采集的定长试验数据，相邻数据间具有较为固定的时间间隔，由于采样周期与回放步长不一致，在回放时会产生动态偏差。为保证回放精度，就需要消除网络时延的同时做对齐处理。通过进一步分析，作战试验测试数据存在以下特点[9]：

1)同一分组网上报的测试数据帧的时标存在关系：tn

2)同一分组网上报的测试数据存在固定周期，传输时存在网络延迟，也存在丢包现象，假定周期为ΔT，则tn+1-tn>ΔT+δ，其中δ为网络延迟。

3)同一分组网上报的测试数据时标tn之间存在累计采样时间偏差。

4)作战试验测试数据存在传输时延。

基于此，可采用聚类分析方法，对大量的作战试验周期测试数据进行修正，抵消网络延迟时间值，然后再进行对齐操作，处理步骤是：

1)对同一分组网上报的测试数据进行批处理操作，获取邻近两个点之间的时间偏差值Δtn=tn+1-tn，获取延迟近似值δn=Δtn/INT(Δtn/ΔT),其中ΔT为采样周期。

通过以上步骤，可获得最小的偏差距离测度d=t′-200×INT(t′/200)，其中t′即为回放步长，可使全局累计误差最小。

4 基于虚拟时钟的数据回放控制

回放过程中使用了由计算机系统时间驱动的绝对时间轴、数据时标对应的记录时间轴。回放开始时刻，绝对时间轴时刻与记录时间轴时刻存在确定的时间偏差值；回放开始后，记录时间轴随绝对时间轴同步向前。由于数据时标对应计算机系统时间，所以由于采用绝对时间轴作为回放时钟时，只能实现正常倍速的回放控制。为实现变速回放，需要在绝对时间轴的基础上设计虚拟时间轴来驱动回放过程[10]。

虚拟时间轴的基础是虚拟时钟，具有以下特性：

1)虚拟时钟是记录初始偏差的函数，记录初始偏差是每一数据帧时标与文件录取开始时刻的差值；

2)虚拟时钟的零时与文件录取开始时刻对应；

3)回放过程中，虚拟时钟的步长是稳定的，即回放速度保持不变；

4)回放暂停时，虚拟时钟处于暂停状态；

5)调整回放时刻时，虚拟时钟的零时更新；

6)回放结束后，虚拟时钟处于停止状态。

4.1 时刻值计算

基于虚拟时钟的回放控制过程需要实时计算虚拟时钟的时刻值，然后与待回放缓存中每帧数据帧的时标进行比对。如假定一个典型的回放过程如下：用户在t0时刻选择好待回放的文件后设定按照正常速度开始回放，在回放至t1时刻后，用户设定系统以2倍速快速回放，持续运行Δt1时长后，至t2时刻，用户暂停Δt2时长，至t3时刻，拖动回放时间轴，设定当前播放位置为t4时刻，其后继续以2倍速快速回放,如图3所示。