08-EFT.WP.Core.Sea v1.0 | 第3章 同步与时间基准

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第3章 同步与时间基准

I. 目标与范围

• 统一 tau_mono 与 ts 的时间语义，建立 offset/skew/J 的可测、可控与可追溯体系。
• 给出 P83-* 公设、S83-* 最小方程与 Mx-3 同步流程；与《Core.Threads》第4章 hb 关系、《Core.Sea》第8章 T_arr 校准一致。

II. 基本定义与模型

1. 时间基准
   • tau_mono：本地单调时基，用于度量延时、抖动与超时。
   • ts：UTC 墙钟时间，用于发布与审计。
   • sync_ref：同步参考源，取自 {"ptp","ntp","gnss_pps","hw_fanout"}。
   • clock_id：时钟标识，绑定到 sid 或主机域。
2. 线性时钟模型
   每个时钟 i 以参考 tau_mono 描述：ts_i(t) = alpha_i * tau_mono + beta_i + epsilon_i(t)；
   其中 alpha_i 为 skew（无量纲），beta_i 为 offset（秒），epsilon_i(t) 为零均值噪声。
3. 派生量
   • 相对偏移（相对参考 r）：offset_{i->r}(t) = ( alpha_i - alpha_r ) * tau_mono + ( beta_i - beta_r )。
   • 相对频偏（ppm）：skew_ppm(i->r) = 1e6 * ( alpha_i / alpha_r - 1 )。
   • 抖动：J_i = rms( epsilon_i(t) )（秒）。

III. 公设 P83-*（同步与时间语义）

• P83-1 单调优先公设
  延时、抖动与超时一律以 tau_mono 评估与比较；ts 仅用于对外发布与审计。
• P83-2 参考锚定公设
  系统必须声明唯一 sync_ref 与参考时钟 r；所有 offset/skew/J 皆以 r 为零点与量纲基准。
• P83-3 因果保真公设
  任一跨设备事件比较若需 hb 语义，先将各自时间映射到 tau_mono 再比较；禁止直接以原始 ts_i 比较。
• P83-4 不确定度显式公设
  报告 alpha_i 与 beta_i 必同时给出 u(alpha_i)、u(beta_i) 与评估窗 Delta_t。
• P83-5 到达时一致公设
  delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) |。如使用 T_arr 校准时序，必须同时给出 gamma(ell)、d ell、c_ref、n_eff 与两口径差异

IV. 最小方程 S83-*（估计与边界）

1. S83-1 OLS 估计 alpha_i 与 beta_i
   • 设样本对 { ( t_k, s_k ) }，t_k = tau_mono(k)，s_k = ts_i(k)，则
     alpha_hat = cov(t,s) / var(t)；beta_hat = mean(s) - alpha_hat * mean(t)。
   • 残差方差：sigma_eps^2 = ( 1 / (K - 2) ) * ∑ ( s_k - ( alpha_hat * t_k + beta_hat ) )^2。
   • 近似不确定度：u(alpha_i)^2 ≈ sigma_eps^2 / ∑ ( t_k - mean(t) )^2；
     u(beta_i)^2 ≈ sigma_eps^2 * ( 1/K + mean(t)^2 / ∑ ( t_k - mean(t) )^2 )。
2. S83-2 相对偏移与频偏
   给定参考 r，有 offset_{i->r}(t) 与 skew_ppm(i->r)（见基本定义），在线估计时以 t = tau_mono_now 代入。
3. S83-3 抖动对相干性的影响
   • 相位标准差：sigma_phi ≈ 2 * pi * f_in * J_i；相干衰减因子近似
     coh ≈ exp( -0.5 * sigma_phi^2 )。
   • 抖动受限 SNR（dB）：SNR_jitter_dB ≈ -20 * log10( 2 * pi * f_in * J_i )（与第2章 S82-4 一致）。
4. S83-4 采样点对齐误差
   Delta_t_n(i->r) = offset_{i->r}(t_n) + ( fs_i_err / fs_i ) * t_n，其中 fs_i_err ≈ skew(i->r) * fs_i。对设备 i 的第 n 点，理想时间 t_n = n / fs_i；相对参考的时间误差
5. S83-5 到达时投影到共同时基
   • 若测得 T_arr_i，其映射到参考时基为
     T_arr_i_ref = alpha_r^{-1} * ( alpha_i * T_arr_i + beta_i - beta_r )。
   • 误差传播（线性近似）：u(T_arr_i_ref)^2 ≈ ( ∂T/∂alpha_i )^2 u(alpha_i)^2 + ( ∂T/∂beta_i )^2 u(beta_i)^2 + ...。

V. 估计器与校准方法

1. 粗到细两级估计
   • 粗估计：基于 gnss_pps 或帧标记对齐，得到初始 beta_i（亚毫秒）。
   • 细估计：滑窗 OLS 或 RLS 更新 alpha_i/beta_i；对宽带数据使用互相关 xcorr 精化分数偏移。
2. 在线 RLS（建议）
   递归更新 theta_k = [ alpha, beta ]^T：theta_k = theta_{k-1} + K_k * ( s_k - phi_k^T * theta_{k-1} )；
   其中 phi_k = [ t_k, 1 ]^T，K_k = P_{k-1} * phi_k / ( lambda + phi_k^T * P_{k-1} * phi_k )，P_k = ( P_{k-1} - K_k * phi_k^T * P_{k-1} ) / lambda；
   遗忘因子 lambda ∈ (0,1] 控制对漂移的响应。
3. 不确定度报告
   • 对 OLS 用 S83-1 的 u(alpha_i), u(beta_i)；对 RLS 用 P_k 的对角元素的平方根作为置信半径。
   • 同时报告窗口长度 Delta_t 与样本数 K。
4. 抖动测量
   对 pps 或零交叉序列计算到达时间抖动的 RMS；如为波形，先以 band-pass 降噪后用 xcorr 得到到达时序列再求 J_i。

VI. 协议与基准源建议

• ptp（二层/一层透明时钟优先）
  要求硬件时间戳；记录 path_delay 与 announce 优先级；将 ptp_domain 纳入 manifest。
• ntp
  作为备源；限制高频应用；记录对齐偏移的 P99。
• gnss_pps
  通过 pps 与 time-of-day 解算 UTC；跨站点一致性强；注意天线延迟与多径误差建模。
• hw_fanout
  中心参考时钟经硬件分配；优于软件分发；记录拓扑与线缆时延补偿。

VII. 质量门限与回退策略

1. 建议门限（以参考 r）：
   • | offset_{i->r}(now) | ≤ 100 us（常规传感）；≤ 1 us（高相干声学/射频）。
   • | skew_ppm(i->r) | ≤ 5 ppm（常规）；≤ 0.1 ppm（高精度）。
   • J_i 使得 SNR_jitter_dB 不低于目标 3 dB 以内（由第2章目标导出）。
2. 回退
   • 超阈：切换 sync_ref 到次优源；启动 RLS 高权重更新；必要时降采样或放宽带宽以维持相干。
   • 记录事件并触发 raise_alert(kind="sync_fault")。

VIII. 同步与到达时（跨章对齐）

IX. 配置与执行流程 Mx-3（同步基线）

• 选择 sync_ref 与参考时钟 r，初始化清单字段 {sync_ref, r, topology}。
• 采集 { ( tau_mono, ts_i ) } 滑窗样本，运行 OLS 得 alpha_hat/beta_hat 与 u(·)；产生初始映射。
• 校核抖动：测 J_i 并由 S83-3 评估 SNR_jitter_dB；若不足，优化硬件时序或窄化带宽。
• 精化：对波形执行 xcorr 获取分数偏移，更新 beta_hat；必要时启动 RLS（lambda 设置 0.98~0.999）。
• 验证：在独立标记（如 pps 或帧同步）上检查 offset_{i->r} 的 P50/P95 不超过门限。
• 固化：写入 manifest：{alpha_i, beta_i, u(alpha_i), u(beta_i), J_i, Delta_t, K, method}。
• 发布：对外 ts 以参考 r 的 UTC 语义发布，并保留可追溯的 tau_mono 映射。

X. 实现绑定与接口提示（I80 2 与 I80 6）

1. sync_clocks(sids:list[str], method:str="ptp", ref:str|None=None) -> SyncRef
   method ∈ {"ptp","ntp","gnss_pps","hw_fanout"}；ref 指定参考 clock_id。返回包含 alpha_hat/beta_hat/J 的句柄。
2. measure_skew_offset(sids:list[str], window:float) -> dict
   • 输出 {"sid": {"alpha":val,"beta":val,"u_alpha":val,"u_beta":val,"J":val,"K":int}}。
   • 建议 window >= 60 s；高速漂移场景启用 RLS（见第 V 节）。
3. enforce_arrival_time_convention(trace:any) -> None（I80 6）
   在写入或消费 T_arr 前执行，检查两口径、delta_form 与参考时基映射是否齐备。

XI. 追溯与清单（manifest）最小字段

• {sync_ref, clock_id, r, method, window, K, alpha, beta, u_alpha, u_beta, J, skew_ppm, topology, pps_delay, ptp_domain, note}。
• 任何跨设备比较必须引用该清单版本号与采集区间 Delta_t。