分布式仿真中基于GNSS的同步控制系统设计与实现
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对于大型分布式仿真系统，时序同步和时间管
问题 [1-3]。
理是实现正确仿真逻辑的关键和难点，尤其对组网
目前，为了解决各仿真节点的同步推进，主要有
条件下的飞行模拟训练实时仿真系统来说，必须保
3 种解决方案：一是软件同步方法，完全利用软件完
证各仿真节点计算时序的同步性和时间的一致性，
成分布式仿真系统中各时钟的同步 [4-6]，但这种软件
结构设计
同 步 控 制 系 统 的 电 路 结 构 划 分 如 图 2 所 示 ，主
要包括 GNSS 模块、微处理器模块、同步信号选择模
块、同步信号输出模块、外同步信号调理模块、级联
产生的同步信号输出给其他的控制器，实现多台计
模块、网络通信模块、工作模式配置模块、编程模块
算机同步仿真计算。
和电源模块等。
统，其仿真周期一般在 10 ms 左右，模拟机传输延迟
同步信号选择模块则根据工作模式配置和上位
可满足要求 [7]。因此，为了实现异地组网条件下的分
准的网络时间同步，完成远程网络管理功能。
机的网络管理，完成卫星同步、从同步、外同步和定
时同步 4 种同步信号的四选一输出。同步信号输出
模块负责完成串口 C 输出授时数据和选中同步信号
整个同步控制系统的连接方案如图 1 所示。采用网
口的形式进行同步信号的传送。
并在时间管理主机上引入一个 GNSS 接收机，在不同
局域网中的时间管理主机就可以通过 GNSS 的时间
信号实现同步，在每一个局域网内部，各节点通过软
件实现与该局域网中的时间管理主机同步。
文献[5]就是通过未引入 GNSS 接收机的心跳服
Send Ready）或 RLSD（Received Line Signal Detector）
管脚直接接收同步仿真时序触发信号，在信号的上
升沿和下降沿产生高优先级中断触发事件，以实现
同步触发的周期性仿真解算。
同时，同步控制系统能够接收外部的触发信号，
并 具 有 主 从 工 作 模 式 ，实 现 同 步 控 制 系 统 的 级 联 。
and Ethernet communication. The tested results show that the system can provide synchronous trigger
signal with accuracy below 600 ns and has the ability of simulation timing synchronization and time
图 2 同步控制系统电路结构划分
GNSS 模块能够输出两路频率和占空比可调的
的逻辑电平转换。级联模块完成主同步控制器和从
号 TP2，其中 TP1 作为串口授时数据的基准脉冲，其
发。外同步调理模块则用于外部脉冲触发式或边沿
高精度同步信号——秒脉冲信号 TP1 和卫星同步信
同 步 控 制 器 的 RS- 485 同 步 信 号 和 授 时 数 据 的 收
上 升 沿 为 串 口 授 时 数 据 对 应 的 时 刻 ，TP2 为 正 负 频
触发式同步信号的接收和调理。
上升和下降沿均触发上位机的中断事件。GNSS 模
嵌入式程序的调试和下载。网络通信模块完成网络信
块输出的授时数据通过串口 D 发送到微处理器模
号的隔离变压和信号滤波处理。工作模式配置模块
行设置和状态查询。
信号输入源的触发，从而基于外同步输入产生同步
计算信号。
4）网络授时和串口授时
基于卫星时间或者控制器的本地时间，可以通
过网络或串口提供授时时间间隔可调的周期性授时
服 务 。 同 时 ，可 以 作 为 NTP 授 时 服 务 器 ，提 供 满 足
张兵强，等
分布式仿真中基于 GNSS 的同步控制系统设计与实现
延不确定性，并且不需要各仿真节点计算机安装专
控制系统具有如下功能：
门的同步硬件板卡，支持异地组网条件下大型分布
式仿真系统的同步计算和校时控制。
1）输出 RS-232C 同步计算信号
依据卫星系统、外同步、主控制器或微处理器内
1 同步控制技术原理和结构
部的定时器等多种同步源产生同步计算信号，并通
1.1
事件触发来实现周期性仿真计算。
第 29 卷
Vol.29
第6期
No.6
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2021 年 3 月
Mar. 2021
分布式仿真中基于 GNSS 的同步控制系统设计与实现
张兵强，徐 涛，朱子强
（海军航空大学 信息融合研究所，山东 烟台 264001）
摘要：针对分布式仿真系统中的时序同步和时间管理问题，提出一种基于 GNSS 的同步时序触发信
-136-
过 8 个同步口输出给计算机串口，上位机通过串口
2）输出 TTL 同步信号
通过 TTL 同步输出接口将同步信号输出给专业
显卡的同步子卡，实现仿真计算与视频刷新的同步。
3）支持外同步输入源的触发
支持视景仿真系统中专业显卡同步子卡输出的
同 步 信 号 或 VGA 帧 同 步（即 垂 直 同 步）信 号 等 同 步
Abstract: To solve the problem of timing synchronization and time management for distributed simulation
systems，a method of producing synchronous scheduling trigger signal and timing control based on GNSS
电源模块为整个同步控制器提供稳定的 3.3 V 供电。
另外，微处理器模块通过串口 A 与编程模块完成
宽相等的方波信号，正负频宽对应仿真解算的周期，
块，同时微处理器模块也通过串口 D 对 GNSS 模块进
微处理器模块是整个同步系统的控制核心，在
卫 星 同 步 信 号 TP2、外 同 步 信 号 或 从 同 步 信 号 中 断
management for different areas networked training. The system is already used to control the synchronization
for flight simulators networked training.
Keywords: distributed simulation；GNSS；timing synchronization；time management
致性的同步时钟和仿真时序触发信号。
同步控制系统通过多个串口输出多路同步仿真
时序触发信号，并提供基于卫星时间的网络授时和
PPS 触发下的串口精确授时。
有 别 于 文 献 [7] 中 通 过 专 门 定 制 的 P，该 文 则 通 过 仿 真 节 点 计 算 机
同步控制原理和方法
为了满足大型分布式仿真系统对仿真周期和时
戳一致性的要求，并支持异地的仿真系统进行组网
模拟训练，利用导航卫星的异地时钟高度同步的特
性 [11]，根 据 GPS 或 北 斗 导 航 卫 星 发 送 的 时 钟 数 据 块
和载波信号，结合 GNSS 精密授时模块输出的高精度
秒脉冲，来获得异地分布式仿真系统间具有高度一
可提供精度小于 600 ns 的同步触发信号，具有异地组网条件下仿真时序同步和校时控制能力，已应
用于多飞行模拟器组网训练的同步仿真控制。
关键词：分布式仿真；全球导航卫星系统；时序同步；时间管理
中图分类号：TN98
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2021）06-0135-07
DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2021.06.027
Design and realization of synchronous control system based on GNSS for distributed
simulation
ZHANG Bingqiang，XU Tao，ZHU Ziqiang
（Institute of Information Fusion，Naval Aeronautical University，Yantai 264001，China）
时，能够通过内部定时器产生与仿真周期对应的自
同步信号，并控制同步信号选择模块的输出。同时，
则决定控制器工作是主同步模式还是从同步模式。
2 同步控制系统硬件设计和实现
2.1
GNSS 同步时序模块
飞行训练模拟器是人在回路的分布式仿真系
该 模 块 还 完 成 授 时 数 据 的 UDP 组 播 或 满 足 NTP 标
网、反射内存网或 PTP 协议来发送时序信号实现同
步功能
[7-9]
，基于以太网的同步同样存在时延的不确
定性，而基于反射内存网或者 PTP 协议的同步则存
在硬件成本较高的缺点；三是分层式混合的同步方
[10]
法 ，采用硬件和软件同步一起工作来实现节点间
的时钟同步，即选择某一个节点作为时间管理主机，
RS- 232C 串 口 的 CTS（Clear To Send）、DSR（Data
作者简介：张兵强（1981—），男，河南通许人，博士，副教授。研究方向：航空电子系统仿真。
-135-
《电子设计工程》2021 年第 6 期
理想；二是硬件同步方法，硬件同步往往是借助于全
球 导 航 卫 星 系 统（Global Navigation Satellite System，
GNSS）来实现，通常根据实时性约束条件选择以太
NTP 标准的计算机授时服务。
7）远程网络管理功能
5）多卫星系统同步
支持基于网络的配置管理，方便对局域网内的
支 持 北 斗 、北 斗 &GPS 卫 星 导 航 系 统 提 供 的 定
位 和授时服务，提供了 3 种时间模式下的时间脉冲
多台控制器进行跨网段的集中式配置管理。
1.3
生成。
6）级联同步功能
控制器具有级联同步功能，可以将一个控制器
图 1 同步控制系统的连接方案
调的多串口输出同步控制系统。通过分布式仿真系
统中的各仿真节点计算机的串行通讯端口引入同
1.2
功能设计
源、高精度的周期性时序触发信号，来驱动各仿真节
为了满足分布式仿真对时钟同步和时间管理的
点的同步仿真计算，克服通过以太网进行同步的时
要求，同时兼顾视景仿真系统的刷新率，设计的同步
LEA- M8T accurate timing module and RCM6700 microprocessor module，a multi- COM synchronous
control system with adjustable trigger frequency is designed and realized combining RS- 232C，RS422
号生成和授时控制方法，通过仿真节点计算机的串行通讯端口引入时序触发信号，并通过 UDP 组
播 或 NTP 方 式 进 行 网 络 授 时 。 以 LEA-M8T 精 密 授 时 模 块 和 RCM6700 处 理 器 模 块 为 核 心 ，结 合
RS-232C、RS422 和以太网通信，设计实现了触发频率可调的多串口输出同步控制系统。经测试，
is proposed. The scheduling trigger signal is imported into the COM port of computer using as a
simulation node. The timing information is transmitted through UDP multicast and NTP. Using the core of
才能实现各仿真模型的正确交互和同步推进，避免
进行同步的工作量很大，且节点间的同步偏差容易
诸如大机动飞行条件下视景图像或目标显示抖动等
积累，更重要的是，同步信息在广域网上传输时延迟
收稿日期：2020-04-01
大，且有很大的不确定性，这会使软件同步的效果不
稿件编号：202004017
基金项目：泰山学者专项基金项目（ts201511020）
务器向各仿真节点发送同步信息，存在的主要缺点
是同步信息延迟的不确定性，不适合组网条件下大
型分布式仿真系统的同步控制。
该 文 则 采 用 基 于 GNSS 的 硬 件 同 步 方 法 ，利 用
U-BLOX 公司的 LEA-M8T 精密授时模块和 DIGI 公
司的 RCM6700 处理器模块，设计实现了触发频率可
问题 [1-3]。
理是实现正确仿真逻辑的关键和难点，尤其对组网
目前，为了解决各仿真节点的同步推进，主要有
条件下的飞行模拟训练实时仿真系统来说，必须保
3 种解决方案：一是软件同步方法，完全利用软件完
证各仿真节点计算时序的同步性和时间的一致性，
成分布式仿真系统中各时钟的同步 [4-6]，但这种软件
结构设计
同 步 控 制 系 统 的 电 路 结 构 划 分 如 图 2 所 示 ，主
要包括 GNSS 模块、微处理器模块、同步信号选择模
块、同步信号输出模块、外同步信号调理模块、级联
产生的同步信号输出给其他的控制器，实现多台计
模块、网络通信模块、工作模式配置模块、编程模块
算机同步仿真计算。
和电源模块等。
统，其仿真周期一般在 10 ms 左右，模拟机传输延迟
同步信号选择模块则根据工作模式配置和上位
可满足要求 [7]。因此，为了实现异地组网条件下的分
准的网络时间同步，完成远程网络管理功能。
机的网络管理，完成卫星同步、从同步、外同步和定
时同步 4 种同步信号的四选一输出。同步信号输出
模块负责完成串口 C 输出授时数据和选中同步信号
整个同步控制系统的连接方案如图 1 所示。采用网
口的形式进行同步信号的传送。
并在时间管理主机上引入一个 GNSS 接收机，在不同
局域网中的时间管理主机就可以通过 GNSS 的时间
信号实现同步，在每一个局域网内部，各节点通过软
件实现与该局域网中的时间管理主机同步。
文献[5]就是通过未引入 GNSS 接收机的心跳服
Send Ready）或 RLSD（Received Line Signal Detector）
管脚直接接收同步仿真时序触发信号，在信号的上
升沿和下降沿产生高优先级中断触发事件，以实现
同步触发的周期性仿真解算。
同时，同步控制系统能够接收外部的触发信号，
并 具 有 主 从 工 作 模 式 ，实 现 同 步 控 制 系 统 的 级 联 。
and Ethernet communication. The tested results show that the system can provide synchronous trigger
signal with accuracy below 600 ns and has the ability of simulation timing synchronization and time
图 2 同步控制系统电路结构划分
GNSS 模块能够输出两路频率和占空比可调的
的逻辑电平转换。级联模块完成主同步控制器和从
号 TP2，其中 TP1 作为串口授时数据的基准脉冲，其
发。外同步调理模块则用于外部脉冲触发式或边沿
高精度同步信号——秒脉冲信号 TP1 和卫星同步信
同 步 控 制 器 的 RS- 485 同 步 信 号 和 授 时 数 据 的 收
上 升 沿 为 串 口 授 时 数 据 对 应 的 时 刻 ，TP2 为 正 负 频
触发式同步信号的接收和调理。
上升和下降沿均触发上位机的中断事件。GNSS 模
嵌入式程序的调试和下载。网络通信模块完成网络信
块输出的授时数据通过串口 D 发送到微处理器模
号的隔离变压和信号滤波处理。工作模式配置模块
行设置和状态查询。
信号输入源的触发，从而基于外同步输入产生同步
计算信号。
4）网络授时和串口授时
基于卫星时间或者控制器的本地时间，可以通
过网络或串口提供授时时间间隔可调的周期性授时
服 务 。 同 时 ，可 以 作 为 NTP 授 时 服 务 器 ，提 供 满 足
张兵强，等
分布式仿真中基于 GNSS 的同步控制系统设计与实现
延不确定性，并且不需要各仿真节点计算机安装专
控制系统具有如下功能：
门的同步硬件板卡，支持异地组网条件下大型分布
式仿真系统的同步计算和校时控制。
1）输出 RS-232C 同步计算信号
依据卫星系统、外同步、主控制器或微处理器内
1 同步控制技术原理和结构
部的定时器等多种同步源产生同步计算信号，并通
1.1
事件触发来实现周期性仿真计算。
第 29 卷
Vol.29
第6期
No.6
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2021 年 3 月
Mar. 2021
分布式仿真中基于 GNSS 的同步控制系统设计与实现
张兵强，徐 涛，朱子强
（海军航空大学 信息融合研究所，山东 烟台 264001）
摘要：针对分布式仿真系统中的时序同步和时间管理问题，提出一种基于 GNSS 的同步时序触发信
-136-
过 8 个同步口输出给计算机串口，上位机通过串口
2）输出 TTL 同步信号
通过 TTL 同步输出接口将同步信号输出给专业
显卡的同步子卡，实现仿真计算与视频刷新的同步。
3）支持外同步输入源的触发
支持视景仿真系统中专业显卡同步子卡输出的
同 步 信 号 或 VGA 帧 同 步（即 垂 直 同 步）信 号 等 同 步
Abstract: To solve the problem of timing synchronization and time management for distributed simulation
systems，a method of producing synchronous scheduling trigger signal and timing control based on GNSS
电源模块为整个同步控制器提供稳定的 3.3 V 供电。
另外，微处理器模块通过串口 A 与编程模块完成
宽相等的方波信号，正负频宽对应仿真解算的周期，
块，同时微处理器模块也通过串口 D 对 GNSS 模块进
微处理器模块是整个同步系统的控制核心，在
卫 星 同 步 信 号 TP2、外 同 步 信 号 或 从 同 步 信 号 中 断
management for different areas networked training. The system is already used to control the synchronization
for flight simulators networked training.
Keywords: distributed simulation；GNSS；timing synchronization；time management
致性的同步时钟和仿真时序触发信号。
同步控制系统通过多个串口输出多路同步仿真
时序触发信号，并提供基于卫星时间的网络授时和
PPS 触发下的串口精确授时。
有 别 于 文 献 [7] 中 通 过 专 门 定 制 的 P，该 文 则 通 过 仿 真 节 点 计 算 机
同步控制原理和方法
为了满足大型分布式仿真系统对仿真周期和时
戳一致性的要求，并支持异地的仿真系统进行组网
模拟训练，利用导航卫星的异地时钟高度同步的特
性 [11]，根 据 GPS 或 北 斗 导 航 卫 星 发 送 的 时 钟 数 据 块
和载波信号，结合 GNSS 精密授时模块输出的高精度
秒脉冲，来获得异地分布式仿真系统间具有高度一
可提供精度小于 600 ns 的同步触发信号，具有异地组网条件下仿真时序同步和校时控制能力，已应
用于多飞行模拟器组网训练的同步仿真控制。
关键词：分布式仿真；全球导航卫星系统；时序同步；时间管理
中图分类号：TN98
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2021）06-0135-07
DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2021.06.027
Design and realization of synchronous control system based on GNSS for distributed
simulation
ZHANG Bingqiang，XU Tao，ZHU Ziqiang
（Institute of Information Fusion，Naval Aeronautical University，Yantai 264001，China）
时，能够通过内部定时器产生与仿真周期对应的自
同步信号，并控制同步信号选择模块的输出。同时，
则决定控制器工作是主同步模式还是从同步模式。
2 同步控制系统硬件设计和实现
2.1
GNSS 同步时序模块
飞行训练模拟器是人在回路的分布式仿真系
该 模 块 还 完 成 授 时 数 据 的 UDP 组 播 或 满 足 NTP 标
网、反射内存网或 PTP 协议来发送时序信号实现同
步功能
[7-9]
，基于以太网的同步同样存在时延的不确
定性，而基于反射内存网或者 PTP 协议的同步则存
在硬件成本较高的缺点；三是分层式混合的同步方
[10]
法 ，采用硬件和软件同步一起工作来实现节点间
的时钟同步，即选择某一个节点作为时间管理主机，
RS- 232C 串 口 的 CTS（Clear To Send）、DSR（Data
作者简介：张兵强（1981—），男，河南通许人，博士，副教授。研究方向：航空电子系统仿真。
-135-
《电子设计工程》2021 年第 6 期
理想；二是硬件同步方法，硬件同步往往是借助于全
球 导 航 卫 星 系 统（Global Navigation Satellite System，
GNSS）来实现，通常根据实时性约束条件选择以太
NTP 标准的计算机授时服务。
7）远程网络管理功能
5）多卫星系统同步
支持基于网络的配置管理，方便对局域网内的
支 持 北 斗 、北 斗 &GPS 卫 星 导 航 系 统 提 供 的 定
位 和授时服务，提供了 3 种时间模式下的时间脉冲
多台控制器进行跨网段的集中式配置管理。
1.3
生成。
6）级联同步功能
控制器具有级联同步功能，可以将一个控制器
图 1 同步控制系统的连接方案
调的多串口输出同步控制系统。通过分布式仿真系
统中的各仿真节点计算机的串行通讯端口引入同
1.2
功能设计
源、高精度的周期性时序触发信号，来驱动各仿真节
为了满足分布式仿真对时钟同步和时间管理的
点的同步仿真计算，克服通过以太网进行同步的时
要求，同时兼顾视景仿真系统的刷新率，设计的同步
LEA- M8T accurate timing module and RCM6700 microprocessor module，a multi- COM synchronous
control system with adjustable trigger frequency is designed and realized combining RS- 232C，RS422
号生成和授时控制方法，通过仿真节点计算机的串行通讯端口引入时序触发信号，并通过 UDP 组
播 或 NTP 方 式 进 行 网 络 授 时 。 以 LEA-M8T 精 密 授 时 模 块 和 RCM6700 处 理 器 模 块 为 核 心 ，结 合
RS-232C、RS422 和以太网通信，设计实现了触发频率可调的多串口输出同步控制系统。经测试，
is proposed. The scheduling trigger signal is imported into the COM port of computer using as a
simulation node. The timing information is transmitted through UDP multicast and NTP. Using the core of
才能实现各仿真模型的正确交互和同步推进，避免
进行同步的工作量很大，且节点间的同步偏差容易
诸如大机动飞行条件下视景图像或目标显示抖动等
积累，更重要的是，同步信息在广域网上传输时延迟
收稿日期：2020-04-01
大，且有很大的不确定性，这会使软件同步的效果不
稿件编号：202004017
基金项目：泰山学者专项基金项目（ts201511020）
务器向各仿真节点发送同步信息，存在的主要缺点
是同步信息延迟的不确定性，不适合组网条件下大
型分布式仿真系统的同步控制。
该 文 则 采 用 基 于 GNSS 的 硬 件 同 步 方 法 ，利 用
U-BLOX 公司的 LEA-M8T 精密授时模块和 DIGI 公
司的 RCM6700 处理器模块，设计实现了触发频率可