一、分布式測控系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)簡介

分布式測控系統(tǒng)通常由多個子系統(tǒng)組成，他們之間協(xié)調(diào)工作，共同完成測控任務，分布式測控系統(tǒng)可緩解單機測控系統(tǒng)的負擔。隨著測控技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，現(xiàn)代工程試驗，尤其是大型11工試驗中，需要測試、控制的項目種類越來越多，對各種測控項目的實時性、同步性和測控精度等都提出了更高的要求。

分步式實時仿真系統(tǒng)采用一致的結(jié)構(gòu)、標準和算法，通過網(wǎng)絡將分散在不同地理位置的不同類型的仿真應用和真實世界互聯(lián)，支持異地分布的真實的、虛擬的和異構(gòu)的平臺級仿真應用之間的數(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。由于試驗場地面積有限，各大型仿真非標設(shè)備常分布于不同樓宇的試驗室內(nèi)，完成仿真試驗需要多樓宇、多試驗室跨域聯(lián)合進行。這對多試驗室遠程互連及并行試驗提出了迫切的需求，而遠程協(xié)同仿真技術(shù)中的數(shù)據(jù)實時交互技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵。

二、分布式實時仿真系統(tǒng)對遠程時間同步的需求

分布式仿真技術(shù)結(jié)合了計算機網(wǎng)絡技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，通過局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)將各個仿真節(jié)點的軟件、硬件和仿真環(huán)境整合為一體，共同完成仿真任務。隨著虛擬現(xiàn)實技術(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)點的通信網(wǎng)絡在實時性、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)時間同步

在分布式實時仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)的各部分之間的遠程時間同步非常重要。例如圖形工作站、驅(qū)動控制系統(tǒng)、仿真機、主控機、轉(zhuǎn)臺控制計算機等設(shè)備之間的時間同步，以及如何確定仿真開始時間、如何確定圖形生成開始時間、如何確定數(shù)據(jù)傳輸時間、如何及時讀取數(shù)據(jù)等都是需要面臨的問題。

2、仿真時間同步

三、分布式實時仿真系統(tǒng)的解決方案

在現(xiàn)代測試系統(tǒng)中，怎樣保證各個模塊之間的同步以及測量的實時性是一個非常重要的課題，光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡（RMN，Reflective Memory Network）因為內(nèi)在的延遲確定、延遲時間短、支持跨平臺等特點在實時系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。可采用光纖集線器（光纖HUB）進行實時光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡硬件平臺搭建，實現(xiàn)多試驗室協(xié)同試驗仿真。

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)是一種共享存儲器數(shù)據(jù)的高速實時計算機網(wǎng)絡。光纖反射內(nèi)存網(wǎng)實際上是在每臺被連接的計算機里都安裝一塊反射內(nèi)存卡，各反射內(nèi)存卡通過光纖進行連接。

基于光纖反射內(nèi)存網(wǎng)進行遠程異地協(xié)同仿真，很好解決了試驗室設(shè)備互聯(lián)及高速實時數(shù)據(jù)共享的問題，大大地提高了半實物仿真試驗室光纖組網(wǎng)及布線的靈活性，可以實現(xiàn)20km級的跨區(qū)域的低延遲實時數(shù)據(jù)共享，使試驗室具備了多試驗室遠程協(xié)同并行開展多項試驗的能力，同時具備單一試驗室同時服務于多個試驗的能力。

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)是由計算機節(jié)點互聯(lián)構(gòu)成的實時網(wǎng)絡。組成光纖反射內(nèi)存網(wǎng)，需要在每臺計算機中插入反射內(nèi)存卡，這樣計算機和反射內(nèi)存卡就構(gòu)成了光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的各個節(jié)點。各個節(jié)點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，相距較遠的(300m～20Km)設(shè)備采用單模光纖連接。

每個節(jié)點的反射內(nèi)存卡的存儲器中都有其他節(jié)點的反射內(nèi)存卡的共享數(shù)據(jù)的拷貝。每個節(jié)點包括一個反射內(nèi)存板，每個反射內(nèi)存板配備一個大容量的雙口存儲器。雙口存儲器的一端連接到計算機的本地總線，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)絡上每個反射內(nèi)存板都占有一段內(nèi)存地址，任何時刻網(wǎng)上任何計算機向本地反射內(nèi)存板寫數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)和相應的內(nèi)存地址將在極短時間內(nèi)被廣播到網(wǎng)上其他所有反射內(nèi)存板并存儲在相同的位置。并且，所有節(jié)點的更新時間與網(wǎng)絡上實際連接的節(jié)點數(shù)量無關(guān)。每個節(jié)點的光纖接口板的板載存儲器都可由其他節(jié)點共享，因此在邏輯上全網(wǎng)的所有節(jié)點共享同一塊存儲器。數(shù)據(jù)一點寫入，多點同時更新，通過這種廣播式方式實現(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。兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲只有400ns。因此，在一個節(jié)點數(shù)目固定的環(huán)形網(wǎng)絡上，任意兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲都是確定的，并且是可以計算的。

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的核心器件是光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡接口板，可采用VME、PCI、CPCI、PMC等總線構(gòu)架，負責連接計算機與光纖網(wǎng)絡。整個光纖網(wǎng)絡通過光纖和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡接口板連接在一起。計算機通過對接口板的操作來完成對共享存儲器的寫入和讀取。以GE公司PCI5565型接口板為例，大可支持共享內(nèi)存256MB，網(wǎng)絡可容納256個節(jié)點，理論大傳輸速率可達到170MB／s，實際的點對點測試結(jié)果高達80MB／s。

在光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡中,反射內(nèi)存在物理上分布于各個計算機中(反射內(nèi)存卡中)，邏輯上共享同一段內(nèi)存地址。任何一臺計算機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)絡采用了簡化的網(wǎng)絡協(xié)議，所以具有非常高的傳輸速度，*如紅外圖像實時生成系統(tǒng)等對實時性要求很高的仿真系統(tǒng)的要求。

2、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)的物理拓撲結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種為環(huán)形拓撲；另一種為星型拓撲。如果選用環(huán)型拓撲連接，網(wǎng)上所有的反射內(nèi)存板將通過光纖串聯(lián)起來。如果采用星型拓撲連接，網(wǎng)上所有的反射內(nèi)存板將連接到光纖HUB上的自動光纖旁路板。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)絡的優(yōu)點是整個網(wǎng)絡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。其缺點是當環(huán)型網(wǎng)絡中的一個節(jié)點發(fā)生故障，則整個反射內(nèi)存網(wǎng)絡都會癱11瘓。星型連接則采用光纖集線器（也稱為光纖交換機）作為數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，網(wǎng)絡中每個節(jié)點先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊€器，集線器將數(shù)據(jù)進行相應處理后，再同時轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點。光纖集線器的使用，可以對數(shù)據(jù)流進行實時監(jiān)視，旁路錯誤節(jié)點，并且數(shù)據(jù)更新時間大大縮短?？傮w來講，環(huán)形拓撲比星形拓撲更適合反射內(nèi)存網(wǎng)。

四、遠程時間同步解決方案

為了解決分布式測控系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)遠程時間同步的問題，公司提出在基于光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，采用TFT系列高精度光纖時間頻率傳遞設(shè)備和時統(tǒng)信號接收子板（PCI或PCIe）的方式，實現(xiàn)分布式測控系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)的時間同步。

整個時統(tǒng)設(shè)備由主站時鐘、從站時鐘、光纖集線器、時統(tǒng)信號接收子板（PCI或PCIe）和配套連接光纜構(gòu)成，如圖3所示。

時統(tǒng)設(shè)備通過高性能的原子鐘和光纖交換傳遞，給出精確的時間或確定的時間基準，滿足系統(tǒng)內(nèi)部各用戶之間的高精度時間同步要求，另外通過北斗/GPS衛(wèi)星授時手段實現(xiàn)可實現(xiàn)與系統(tǒng)其它部門、單元之間的遠距離時間同步和協(xié)同。

1. 時鐘同步精度優(yōu)于±10ns；

2. 幀時鐘（0.2ms）傳輸延遲小于10μs；

3. 授時設(shè)備主站時鐘源穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-11/日（衛(wèi)星信號鎖定）；

4. 時標同步網(wǎng)絡上，各個時統(tǒng)信號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. 同步時鐘信號小輸出間隔周期不大于10μs；

6. 時統(tǒng)信號接收板卡支持的實時光纖網(wǎng)絡通訊速率不小于2.125Gbps；

7. 時鐘信號大傳輸距離不小于5km（不考慮時鐘信號傳輸延時）。