国产化时统模块软件开发需求.docx
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国产化时统模块软件开发需求
国产化时统模块软件开发
需求文档
2018-11-30
目录
目录I
1.项目背景1
1.1.项目的提出1
1.2.项目意义1
2.项目整体需求4
2.1.用户需求分析6
2.2.系统的功能与指标7
2.2.1.时系系统主要功能7
2.2.2.时系系统技术要求8
2.2.3.系统组成及原理10
2.2.4.时统授时同步协议选择11
2.3.系统的开发工具及运行环境需求12
2.4.系统整体功能设计12
2.4.1.统一时源12
2.4.2.时差测量18
2.4.3.数据上送及管理23
2.4.4.同步故障告警24
3.系统数据保密性设计24
3.1.用户角色设计24
3.2.数据加密25
3.3.数据备份25
1.项目背景
1.1.项目的提出
现在时间统一体系存在诸多不足，用户接口类型复杂，对时技术不统一，用户守时能力弱，对时统设备的依赖性强。
而时统设备本身也存在弊端，如传输距离限制、设备这冗余度高、不具备信号远程监控能力等，这些都大大影响了系统时间统一性能的发挥，也给调试和测试带来了很大的难度。
目前，在航天发射、作战部署、军事化行动等综合性任务中，对时间信息要求十分苛刻，误差只能在毫秒级。
但是参加任务的各分系统地域分布广，相互之间距离较远，时间信息传输延迟大，特别是在有些任务中，时间信息发布系统是由多个时间信息发布子系统组成，随着任务重点在任务的各个时间发布子系统中转移，时间信息发布点也随之在各个时间信息发布子系统中转移。
由于在任务中可能会遇到各种诸如提前、推迟等情况，任务实施时间、准备时间等时间信息在每一个时刻都可能发生改变，任务实时性要求时间信息发布系统必须将当前时间信息的改变实时地发送到各个分系统中，这给任务过程中的时间信息统一带来了很大的困难。
针对这种情况设计了一种时间统一控制显示系统，该系统主要解决了如下问题：
由通信控制处理器仲裁系统中多个时间发布子系统的主从关系，保证系统中各类时间高度统一；
通过时间延迟环路测试、加一秒技术和链路交换技术解决了系统延时；
实现了系统内的各时间发布子系统既可以在本地时间服务器的控制下单独工作，也可以在通信控制处理器的仲裁下以主从服务器的方式进行工作；
保证输出信息的格式、标准一致，便于系统的扩展。
1.2.项目意义
随着科技的迅速发展，各个领域对时间的要求也是越来越高，尤其是在航天航空方面，各监测站所监测、获取、检测、记录的信息必须要在严格的时间统一的情况下才能实现，获取的信息才有价值，因此时间统一系统将是社会发展中必不可少的一项应用。
时间统一系统的重要性
时间统一系统一般是为各监测领域提供标准的时间信号和标准的频率信号，如果一个监测场所不能达到统一的时间信号，那么它所获取的任何信息将是没有任何意义的。
在航天领域、作战部署中，它的监测设备种类多、数量大、分布广，如果没有一个统一的时间，将根本不能实现它的价值。
不同的国家都有各自的时间基准，像我国的时间就是以北京时间为准，为的就是维持社会的正常活动秩序，保证人们正常生活的一种执行标准。
因此时间的统一既是一个国家稳定发展的基础，也是科技发展的重要需求。
时间统一系统的频标特点
目前，绝大多数领域都不能自主实现时间的统一，都要借助强大的时间统一系统来实现时间的统一。
时间统一系统应用的频标一般有三种：
第一种是铷原子频标，它的频率准确度在10-10s量级，频率稳度在10-11s量级。
铷原子频标已经技术非常成熟，性能也更加完善，所以已经广泛应用于航天测控系统，成为标准化时统设备的重要组成一部分。
第二种是石英晶体频标，它是以石英晶体压电效应产生的稳定振荡信号为频率标准。
普通石英晶体振荡器的频率准确度为10-5～10-6s，温度补偿石英晶体振荡器的频率准确度为10-6～10-7s，恒温型石英晶体振荡器的频率准确度为10-8～10-9s，石英晶体振荡器的频率稳定度为10-10～10-12s。
石英晶体频标体积小、频率稳定度较高，但开机需要预热，达到指标需要几十分钟甚至几十小时，受环境温度影响大，因此频率准确度需要定期校准。
第三种是铯原子频标和氢原子频标。
铯原子频标的长期频率准确度极高，目前常用的是商业型铯原子频标，频率稳定度在10-11s量级，准确度在10-14s量级。
氢原子频标的特点是既具有很高的频率准确度，又有很高的频率稳定度（小于1×10-12s），而且已实现国产化。
氢原子频标按工作原理分为被动型和主动型。
被动型氢原子频标体积小，频率准确度在10-12s量级；主动型氢原子频标体积大，频率准确度在10-13s量级，甚至更高。
3、实现时间统一的产品类型
为了实现时间的统一，满足社会发展的需要，市场上出现了很多实现时间统一的产品设备，像SYN011型B码时统，SYN012型B码时统，SYN013型时统终端,SYN1610型B码时统设备,SYN1618型高精度天文时间同步系统等产品都可以满足不同场合领域的时间统一。
1）SYN011B码时统具有高精密，高稳定性，全自动无人操守，免维护，可靠性高等特点。
它是从GPS/北斗卫星上/和外部输入的IRIG码获取标准时钟信号信息，内部采用高精度恒温晶振作为守时时钟源，建立时间参考并同步产生IRIG—B码（多模光纤接口）和RS422两种接口对其他设备进行IRIG码授时。
它的主要信号的输入输出采用电气隔离电路，抗干扰、抗损坏，输出接口信号种类齐全，可根据用户需要灵活配置输出信号，而且温度范围比较宽阔，可以在不同环境下工作。
2）SYN1610型B码时统设备内部频率源具有驯服功能，无需对频率源进行标校，它的主要信号的输入输出采用电气隔离电路，抗干扰、抗损坏，输出接口信号种类齐全，可根据用户需要灵活配置输出信号，也可适用于在各种环境下工作。
它还可以产生多种不同的时标脉冲，输出多路定时信号，接收GPS、北斗信号等多种不同的信号模式。
3）SYN1618型高精度天文时间同步系统是接收GPS、GLONASS和北斗二代卫星系统的时间频率信息，优选其中一路作为高精度锁相单元的时频基准，对内部高精度铷原子振荡器进行驯服，以驯服后输出的10MHz信号作为时间基准产生高精度的定时脉冲（1PPS）信号和时间信息。
它可以采取手动和自动两种授时方式，也可依靠原子钟长时间精确守时，该设备设备具有掉电保护功能：
提供外接电池输入接口，电池为直流24V～32V；系统主电源采用交流220V50Hz，当主电源供电时，电池供电处于省电待机状态或自动切断；也有监控故障警告、备份等功能。
4、时间统一系统的应用
1）在航天航空中，对于火箭的发射时间、点火时间、调试时间、上升时间、脱落时间都有着严格的要求，所有的程序必须要求时间统一，每一步都是要经过精准的计算测量和统计获得，时间要是有一分一秒的误差就会导致工作无法正常完成，因此要借助时间统一系统来保证每一步每一个时间段的时间精度都符合要求，达到工作的完美进行。
2）在电力电厂中对时间的要求也是非常高的，它的工作范围比较广泛，传输距离较远，所有的工作都要统一到一个管理站进行管理操作，所有传递到的信息都是要进行统计记录，因此每一个信息的获取都要有一个标准，在时间上边必须保持两者之间的一致，这样才能保证输出的数据准确有效。
3）在计算机控制系统中，一切工作的运行都得依靠多台计算机连接完成，这些计算机都得协同工作，上边显示的时间信息也都得统一，所以就得借助时统设备来将这些计算机的时间进行统一，达到工作需求。
对于社会的各个行业领域，精准的时间就是工作的实行基础，一切工作的实施都得依赖精准的统一的时间系统，将所有工作的衔接点都连接到一块，这样就能保证在第一时间内接收到准确的信息，才能维持工作的正常稳定持续运行。
因此，在以后的发展中实现时间统一必不可少，选择时统设备就来选择西安同步。
2.项目整体需求
时间统一分系统的基本任务就是保持被控对象与测控系统的时间和频率高度统一，并提供高精度的时间信号和频率基准信号。
如今，时统系统的应用已经推广到常规测控领域及其它对时间同步精度要求较高的系统中。
它是由各种电子设备组成的一套完整的系统。
它的组成如下图所示：
时间统一系统由授时和用户两大部分组成。
授时部分有国家时间频率基准，它产生的标准时间和标准频率信号通过授时台用无线电方式发播至各地用户设备组成。
每个地方的用户设备由定时校频接收机、频率标准、时间码产生器、时间码分配放大器和用户等部分组成。
用户部分即称为时间统一系统。
时间统一控制系统是由两个时间发布子系统构成的，该系统可以扩展为由多个时间发布子系统构成，每个时间发布子系统组成结构及功能基本相同。
系统有主从和独立两种工作状态。
独立工作状态下，各时间发布子系统间无联系，在各自的时间服务器控制下单独工作；在主从工作状态下，全系统在一个时刻只有一台时间发布子系统的时间服务器作为主时间服务器，负责产生并向全系统发布各类时间信息，时间服务器系统的主从状态由通信控制处理器依据任务时段和预案要求进行仲裁。
时间服务器是由一台微机和数块功能插件板组成，其功能是生成各类时间信息和显示控制信息。
组成时间服务器的各部分分别为：
时统解码单元：
时统接收天文台发布的标准北京时间生成AC码和DC码发送到系统中的时间服务器和远程时间客户机，时间服务器通过时统解码板，对时统发送来的AC码和DC码进行解码，得到当前的北京时间，并以此作为各类时间信息的生成依据。
用户处理控制：
当任务状态发生改变时，时间服务器接收用户的输入信息，并根据当前已经确立的北京时间、任务预计开始时间等时间信息，生成相关各类时间信息和控制信息。
各类时间信息主要包括准备时间、累计推迟时间、实施时间、窗口时间等。
中断控制处理：
负责接收外部发送来的任务开始实施的中断信息，生成任务开始时间并启动任务实施时间。
2.1.用户需求分析
时间统一系统是测控系统的一个重要组成部分，主要任务是实施分布调度、测量、安控和数据处理建立统一的、高精度的时间基准，实现全系统的对时同步。
时统作为描述测控目标运动的基本变量，其精准度取决于被控对象的目标运行特性和测控需求。
因此，如何解决时间连续性、时间准确性、传输同步问题，满足不断变化的测控需求，保障测控系统的信息采集、处理精度是时统建设的根据目标，也是今后将长期努力的方向。
用户需求可以归纳为以下几个方面：
时统体制：
时间统一系统是为测控系统提供统一标准时间信号和标准频率信号的系统。
航天测控设备种类多、数量大、分布广，如果没有统一的时间长度，根本无法完成任务。
发射起飞时间（L）、各级火箭发动机的点火与关机时间、分离时间、数据注入时间、星（船）箭分离时间、航天器人轨时间等关键事件特征点都需要时统系统提供准确的时刻。
时间统一系统连续可靠、稳定的运行是测控系统正常工作的前提，其性能优劣直接影响航天测控系统的测量精度和测量体制。
典型的时间统一系统组成如右图所示。
它由时间频率基准及发播系统、定时校频信号接收系统、本地频率标准、时间码产生器、分配放大器和用户设备等组成
可靠性：
是指时统模块软件产品在规定的条件下和规定的时间区间完成规定功能的能力。
规定的条件是指直接与软件运行相关的使用该软件的计算机系统的状态和软件的输入条件，或统称为软件运行时的外部输入条件；规定的时间区间是指软件的实际运行时间区间；规定功能是指为提供给定的服务，软件产品所必须具备的功能。
软件可靠性不但与软件存在的缺陷和（或）差错有关，而且与系统输入和系统使用有关。
软件可靠性的概率度量称软件可靠度。
2.2.系统的功能与指标
2.2.1.时系系统主要功能
授时与对时同步：
在军事领域，时间以小数秒计量和计划的信息时代，准确时间和时间统一对于赢得现代战争胜利的重要性是是不言而喻的。
无论是全军联合作战指挥、全军通信保障、武器平台作战、武器试验、网络信息化、海空军敌我识别，以及军用通信网/侦察网/预警雷达网、多兵种武器协同作战、时间频率计量测试等等，都离不开精确的授时支持。
精确授时已成为建设信息化军队、打赢信息化战争的重要基础和保证，已成为军事战斗力的有机组成部分和作战效能倍增器。
授时与对时同步功能是指在基本控制单元模块进行为各用户单元模块进行授时时，各用户单元模块的时间可同时与基本控制单元模块的授时时间进行同步。
状态显示与记忆：
基本单元模块和用户单元模块中对授时与时间同步信息标有状态，对其授时状态和同步状态进行显示并可查看历史授时和同步记录信息。
发射信号处理：
时统模块在授时信息发射时，如何确保授时、同步发射信号信息的安全则是重中之重，此时必然需求引入信号加密技术。
数字化加密技术是当今科技发展的重要成果之一，已经在各行各业中发挥着重要的作用，尤其是军事化系统中的通讯中承担着重要职责，加密则是其中的重要技术手段。
自动对时同步与监控：
用户单元模块在与基本单元模块做时间同步时，可做到自动同步和手动同步。
自动同步即时时对基本单元模块发送请求时间同步要求并监控基本单元模块的时间变化进行时间自动同步。
手动同步可采用人工操作的方式向基本单元模块发送时间同步请求进行时间同步。
状态指示与告警：
当基本单元模块和用户单元模块在授时和同步过程中，对授时同步状态进行监控，发现信息发送异常或同步信息接收异常时进行告警提示。
计算机监控管理：
时统模块软件对承载其运行的设备进行监控管理。
远程监控：
时统模块软件可通过远程监控的方式对基本单元模块和用户单元模块进行相应运行状态进行监控。
2.2.2.时系系统技术要求
时间同步误差
时间同步误差可以说是时间统一系统最基本的也是最关键的要求。
时间同步误差可分为绝对时间同步误差（即时间统一系统的时间与时间标准之差）和相对时间同步误差（即时间统一系统内部各站同步时间误差）两种。
从国防科研试验测量的机理来看，对测量误差起主要影响作用的是相对时间同步误差。
测量准确度和频率误差
当测量设备的本振频率需求用时统设备的频率标准来校准时，就会对频率标准的频率准确度提出要求。
此时对频率准确度的要求是应比欲校准的频率准确度高一个数量级。
兼容性
系统兼容性，也可以称为系统可扩充性随着VLSI技术和计算机技术的迅速发展，计算机硬件和体系结构也随之得到迅速发展，相应地，它们也对OS提出了更高的功能和性能要求。
此外，多处理机系统、计算机网络，特别是Internet的发展，又对OS提出了一系列更新的要求。
因此，OS必须具有很好的可扩充性，方能适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。
这就是说，现代OS应采用新的OS结构，如微内核结构和客户服务器模式，以便于方便地增加新的功能和模块，并能修改老的功能和模块。
可靠性
在设计时采用了可靠的技术，系统各环节具备故障分析与恢复和容错能力，并在安全体系建设、复杂环节解决方案和系统切换等各方面考虑周到、切实可行，建成的系统将安全可靠，稳定性强，把各种可能的风险降至最低。
可维护性
系统的可维护性是衡量一个系统的可修复（恢复）性和可改进性的难易程度。
所谓可修复性是指在系统发生故障后能够排除（或抑制）故障予以修复，并返回到原来正常运行状态的可能性。
而可改进性则是系统具有接受对现有功能的改进，增加新功能的可能性。
因此，可维护性实际上也是对系统性能的一种不可缺少的评价体系，它主要包括两个方面：
首先是评价一个系统在实施预防型和纠正型维护功能时的难易程度，其中包括对故障的检测、诊断、修复以及能否将该系统重新进行初始化等功能；其次，则是衡量一个系统能接受改进，甚至为了进一步适应外界（或新的）环境而进行功能修改的难易程度。
事实上，可维护性是可信性属性中一项相当重要的评价标准。
可维护性的优劣可能直接影响到系统的可靠性和可信性。
安全性
在系统设计把安全性放在首位，既考虑信息资源的充分共享，也考虑了信息的保护和隔离。
系统在各个层次对访问都进行了控制，设置了严格的操作权限。
并充分利用日志系统、健全的备份和恢复策略增强系统的安全性。
抗信道干扰
信道干扰指的是在给定传输信道里，由其他一路或多路信道中的信号所导致的干扰。
信道干扰包括邻道干扰和同信道干扰，在多信道移动通信系统中，当移动台靠近基站时，移动台发信机的桃枝边带扩展，会对正在接受微弱信号的基站邻道收信机形成干扰。
时统模块软件在设计时需要重点考虑抗信道干扰的技术实现以完善系统的安全、稳定性。
2.2.3.系统组成及原理
系统组成
时统系统以三级管理体系为主，分布对时同步体系为辅。
为了使时统系统在使用方便、灵活、可靠性、站点组合灵活，在总体设计时通用时统系统上的所有功能和操作保证系统独立操作，同时都能在监控计算机上进行操作和监控记录；在没有监控计算机时，通过时统系统也能正常运行工作，确保单台通用时统设备在独立或机联工作环境下正常工作。
工作原理
系统体系结构是决定设备性能功能和技术指标的关键因素，为了实现小型化、模块化、标准化、易与扩展和升级，有效保护设备投资建设，本设计在设备体系结构上同制定统一的、通用的体系结构。
为满足用户需求中提出的系统扩展和升级需求，本需求对系统的主要技术指标实施功能模拟化设计，尽可能降低模拟关联度。
将整套设备分为基本单元模块和用户单元模块两方面。
基本单元模块主要是为用户单元模块提供设备工作环境，如各种工作频率、电源告警和信息总线等，适应长期需求的基本硬件环境，即各类用户单元模块当前和将来升级所必需的配置，包括监控模块、报警模块、电源配置模块、时间标准模块、频标和辅助控制计算机等。
用户单元模块主要是满足用户对分站和终端设备的不同接口和数据需求，实现输出各类时间脉冲信号的功能单元，通过总线结构与基本单元模块接口，便于用户根据实际需求进行扩展。
2.2.4.时统授时同步协议选择
授时协议
首先要了解什么是NTP协议:
NTP协议全称网络时间协议（NetworkTimeProcotol）。
它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。
具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度。
NTP最早是由美国Delaware大学的Mills教授设计实现的，从1982年最初提出到现在已发展了将近20年，2001年最新的NTPv4精确度已经达到了200毫秒。
NTP同时同步指的是通过网络的NTP协议与时间源进行时间校准。
前提条件，时间源输出必须通过网络接口，数据输出格式必须符合NTP协议。
天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间（世界时）精度只能达到10-9，无法满足二十世纪中叶社会经济各方面的需求。
一种更为精确和稳定的时间标准应运而生，这就是“原子钟”。
世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种手段和媒介将时间信号送达用户，这些手段包括：
短波、长波、电话网、互联网、卫星等。
这一整个工序，就称为“授时系统”。
NTP协议
网络授时是指NTP协议全称网络时间协议（NetworkTimeprotocol）。
它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。
具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度。
NTP协议全称网络时间协议（NetworkTimeProtocol）。
它的目的是在国际
互联网上传递统一、标准的时间。
具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度。
以通信道为媒介同步授时，如计算机网络、电话网络。
这种授时方式需要占用信道时间，对信道的可靠性要求高，而且由于时间信号通过信道传送到不同终端的延时不同，只能满足中等精度时间用户的要求。
NTP同时同步指的是通过网络的NTP协议与时间源进行时间校准。
前提条件，时间源输出必须通过网络接口，数据输出格式必须符合NTP协议。
局域网内所有的PC、服务器和其他设备通过网络与时间服务器保持同步，NTP协议自动判断网络延时，并给得到的数据进行时间补偿。
从而使局域网设备时间保持统一精准。
使用互联网同步计算机的时间是十分方便的，目前这种方式在局域网内得到广泛的应用。
微软公司已将网络时间协议（NTP）嵌入到WindowsXP系统中，只要计算机能联网，就能进行局域网或广域网内的计算机时间校准。
NTP协议包含一个64bit的协调世界时（UTC）时间戳，时间分辨率时200ps，并可以提供1~50ms的时间精度（依赖网络负载）。
但实验表明这种技术在洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。
所以，在庞大的网络中应设立一级和二级时间服务器来解决精度的问题。
2.3.系统的开发工具及运行环境需求
随着计算机辅助计算技术的广泛应用，对硬件的需求也逐步提高，本系统开发依赖于计算机软件程序的开发，但最根本还是计算机的编程语言。
项目需要以主流编程语言开发技术及数据库技术来实现此系统的设计开发工作。
时统模拟软件系统开发计划采用JAVA进行编程开发。
Java是一门面向对象编程语言，不仅吸收了C++语言的各种优点，还摒弃了C++里难以理解的多继承、指针等概念，因此Java语言具有功能强大和简单易用两个特征。
Java语言作为静态面向对象编程语言的代表，极好地实现了面向对象理论，允许程序员以优雅的思维方式进行复杂的编程。
Java具有简单性、面向对象、分布式、健壮性、安全性、平台独立与可移植性、多线程、动态性等特点。
Java可以编写桌面应用程序、Web应用程序、分布式系统和嵌入式系统应用程序等
2.4.系统整体功能设计
2.4.1.统一时源
各级调度和用户单元时间监测装置将最高等级时间监测装置的时钟源作为参考基准，逐级向下传递，形成以最高等级时钟源为参考的统一时源。
统一时源是各级测量数据具备可对比性的基本条件。
基础时源建立
系统的可维护性是衡量一个系统的可修复（恢复）性和可改进性的难易程度。
所谓可修复性是指在系统发生故障后能够排除（或抑制）故障予以修复，并返回到原来正常运行状态的可能性。
而可改进性则是系统具有接受对现有功能的改进，增加新功能的可能性。
因此，可维护性实际上也是对系统性能的一种不可缺少的评价体系，它主要包括两个方面：
首先是评价一个系统在实施预防型和纠正型维护功能时的难易程度，其中包括对故障的检测、诊断、修复以及能否将该系统重新进行初始化等功能；其次，则是衡量一个系统能接受改进，甚至为了进一步适应外界（或新的）环境而进行功能修改的难易程度。
事实上，可维护性是可信性属性中一项相当重要的评价标准。
可维护性的优劣可能直接影响到系统的可靠性和可信性
POE授时
目前，虽然时间同步系统被广泛应用，但各系统相对独立，各自从卫星获取时钟源，尚未有效实现全网统一授时。
时间监测系统要求统一时源，实现统一时源可以新铺设专门的授时网络，但成本高昂。
时统系统通信网以SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系）传输网为主体。
SDH技术，以其可靠性、可控性、扩展性以及完善的网络体制，在传输网中占着主导地位[7]。
如果PTP能通过E1通道接入SDH中进行传输，即POE传输，实现优于1μs的同步精度，将会减少新设备投入，提高授时网络的可靠性。
本系统基于嵌入式操作系统和现场可编程门阵列实现将PTP包封装在E1通道中，进行不缓存透明传输，充分利用SDH传输网络资源，高效快捷地建立时码地面传输链路，达到1μs的时间同步精度。
如下图所示：
需要特别提出的是，传输网络存在上下行通信电路的不对称性，因此时间传输与接收装置需对电路的不对称性进行相应的测量和补偿，进行通
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