摘 要:時(shí)間和頻率同步是雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，同步的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)采用兩地雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)所必須的。研究一種基于GPS的衛(wèi)星時(shí)間和頻率同步方案，即接收GPS轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率信號(hào)，采用同步模塊實(shí)現(xiàn)標(biāo)校系統(tǒng)艦上和岸上兩地的時(shí)間和頻率同步，該方案優(yōu)于傳統(tǒng)同步裝置的長(zhǎng)時(shí)間校正頻率誤差，提高了標(biāo)校系統(tǒng)的時(shí)間和頻率同步精度，從而減小了標(biāo)校系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)的誤差。

關(guān)鍵詞:雷達(dá)標(biāo)校; 時(shí)間同步; 頻率校準(zhǔn); GPS

中圖分類號(hào):TN98文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0008-03

Research of Synchronization for Satellite Time and Frequency Based on GPS

HOU Jian-hua1， WANG Bao-lin2， CAI Xin-jü2， LI Ting-jun2

(1.Yantai Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Yantai 264001， China;2.Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract: The time and frequency synchronization is a key technology of radar calibration system， the realization of synchronization is necessary for this calibration to adopt the technology of two-point radar target simulation. A method of synchronization for time and frequency based on GPS satellite is introduced， which is realized by receiving standard time and frequency signal transmitted from GPS satellite and adopting synchronization module to realize the time and frequency synchronization between sea-going part and harbor part. This method is superior to traditional synchronization device in aspect of long-time frequency error correction， greatly enhances synchronization accuracy of time and frequency in the calibration system， and reduces the error when the calibration system calibrates a ship radar.

Keywords: radar calibration; time synchronization; frequency calibration; GPS

0 引 言

雷達(dá)是艦船實(shí)施目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵，目標(biāo)參數(shù)的準(zhǔn)確度完全依賴于雷達(dá)的精度。采取何種方便、快捷、有效的標(biāo)校方法來提高雷達(dá)精度是當(dāng)前研究的熱門課題。針對(duì)艦船雷達(dá)的特殊性，本文采用基于GPS同步技術(shù)和雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的靜態(tài)有源標(biāo)校方法構(gòu)建新型艦船雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了艦船雷達(dá)的機(jī)動(dòng)式標(biāo)校和經(jīng)常性維修保障。

現(xiàn)代GPS的高頻率穩(wěn)定度和納秒級(jí)的時(shí)間同步精度為標(biāo)校系統(tǒng)應(yīng)用雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)提供了可靠的同步源，本文重點(diǎn)研究以GPS信號(hào)為基準(zhǔn)的同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

1 標(biāo)校系統(tǒng)原理

1.1 標(biāo)校系統(tǒng)組成

標(biāo)校系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、GPS接收機(jī)模塊、雷達(dá)天線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、延時(shí)處理模塊、標(biāo)定模塊和控制系統(tǒng)模塊等組成。

1.2 標(biāo)校系統(tǒng)工作原理

標(biāo)校系統(tǒng)分為岸上標(biāo)校部分和艦上被校雷達(dá)部分。首先通過數(shù)傳模塊互通使雷達(dá)操作員和標(biāo)校人員協(xié)調(diào)雷達(dá)工作方式及相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用兩個(gè)主控模塊控制GPS接收機(jī)模塊統(tǒng)一兩大部分的頻率f0和計(jì)時(shí)脈沖并設(shè)置好要測(cè)模擬目標(biāo)的距離S和速度V，被校雷達(dá)開機(jī)后并發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻被系統(tǒng)記錄N，岸上標(biāo)校部分的天線收發(fā)模塊接收到被校雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)并被系統(tǒng)記錄時(shí)刻M，岸上系統(tǒng)再通過延時(shí)處理模塊將雷達(dá)信號(hào)延時(shí)和多普勒頻移(延時(shí)對(duì)應(yīng)值為距離S、頻移對(duì)應(yīng)值為速度V，其中頻移是為了不需要采用高輻射功率就能很好地區(qū)別地、海雜波的干擾)，這樣得到一個(gè)雷達(dá)目標(biāo)模擬回波信號(hào)再通過岸上雷達(dá)天線發(fā)射回去讓被校雷達(dá)接收，被校雷達(dá)得到一個(gè)目標(biāo)信息，岸上部分通過數(shù)傳模塊將M，S傳給艦上部分，艦上標(biāo)定模塊將這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合計(jì)算得出該被校雷達(dá)的測(cè)距誤差，其中設(shè)置好的S當(dāng)作測(cè)距距離真值;其次，方位誤差主要是采用多個(gè)方位標(biāo)多次測(cè)量取平均值的方法。最后，雷達(dá)操作員根據(jù)誤差對(duì)雷達(dá)測(cè)距零值和測(cè)角零值進(jìn)行修正，完成對(duì)雷達(dá)的校準(zhǔn)。該過程就是基于GPS同步技術(shù)和雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的雷達(dá)靜態(tài)有源標(biāo)校。

2 同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

為了使岸上和艦上的雷達(dá)天線收發(fā)模塊能夠協(xié)調(diào)工作，雷達(dá)信號(hào)從被校雷達(dá)到標(biāo)校系統(tǒng)時(shí)，艦上的發(fā)射機(jī)和岸上的接收機(jī)要有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)即時(shí)間同步;為了接收和處理回波信號(hào)，艦上發(fā)射機(jī)和岸上接收機(jī)必須工作在相同的本振頻率，若要求進(jìn)行脈沖壓縮和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，還需保持相位相參性，即頻率和相位同步。同理，雷達(dá)目標(biāo)模擬回波信號(hào)從岸上標(biāo)校系統(tǒng)到艦上被校雷達(dá)時(shí)，岸上發(fā)射機(jī)和艦上接收機(jī)也要統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，處理回波信號(hào)時(shí)接收機(jī)要求工作在相同的本振頻率以保持相參。為滿足以上同步需求就必須使用時(shí)間與頻率信號(hào)傳遞技術(shù)。

在各種授時(shí)技術(shù)中，無線電信號(hào)是最重要、最方便、采用最為普遍的遠(yuǎn)距離時(shí)間和頻率比對(duì)手段，主要有短波時(shí)號(hào)、長(zhǎng)波時(shí)號(hào)、電視廣播和衛(wèi)星系統(tǒng)等，利用短波時(shí)號(hào)時(shí)設(shè)備雖簡(jiǎn)單但精度低;長(zhǎng)波時(shí)號(hào)的精度較高但需短波粗同步;電視信號(hào)的精度較高，但時(shí)延不易確定;而利用空間衛(wèi)星傳遞時(shí)間，具有精度高、覆蓋范圍大的優(yōu)點(diǎn)，利用GPS接收機(jī)定時(shí)，只需跟蹤一顆衛(wèi)星便可精確計(jì)算出相對(duì)美國(guó)海軍天文臺(tái) UTC的時(shí)差，同步精度優(yōu)于100 ns，時(shí)間同步穩(wěn)定度在10 s內(nèi)平均隨機(jī)誤差為15 ns[1]。

2.1 同步系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)的時(shí)間同步裝置是通過對(duì)內(nèi)部振蕩器振蕩頻率誤差、信號(hào)漂移誤差和相位誤差進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算校正內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率獲得準(zhǔn)確的時(shí)間信息，這種方式的同步裝置需要較長(zhǎng)的時(shí)間來校正頻率誤差，而且校正后精度不是很高，尤其是瞬時(shí)頻率精度很難保證，從而使本次研究的雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)中各參數(shù)的測(cè)量出現(xiàn)較大的誤差。因此，結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際，同步系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、數(shù)傳模塊、同步模塊、時(shí)間計(jì)數(shù)模塊和中心控制器組成[2]。

2.1.1 時(shí)間同步

艦上和岸上兩地的GPS接收機(jī)分別接收來自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，用系統(tǒng)廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計(jì)算模型由用戶機(jī)自主計(jì)算單向傳播時(shí)延，校正衛(wèi)星位置誤差、建模誤差(對(duì)流層模型、電離層模型等)后便可實(shí)現(xiàn)兩地GPS接收機(jī)的同步，同步后的GPS接收機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖信號(hào)(長(zhǎng)期穩(wěn)定度為10-12，最大時(shí)間誤差25 ns)，經(jīng)過同步模塊，得到f0(方波)作為中心控制器的時(shí)鐘，此時(shí)兩地時(shí)間同步。

2.1.2 校頻的實(shí)現(xiàn)

由晶振、放大器、計(jì)數(shù)器、鑒相器、緩沖器CPU和數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。

岸上和艦上的GPS接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖信號(hào)(1 PPS)作為同步模塊的輸入，去同步本地的高穩(wěn)定晶體振蕩器。晶體振蕩器是系統(tǒng)頻率來源，為滿足兩地雷達(dá)接收機(jī)相噪指標(biāo)，采用長(zhǎng)期穩(wěn)定度為10-11且短期頻率穩(wěn)定度為10-10的f0高穩(wěn)定度電壓控制晶體振蕩器(VCXO)，它是一個(gè)電壓/頻率變換裝置，特點(diǎn)是振蕩頻率隨輸入控制電壓線性地變化。計(jì)數(shù)器通過對(duì)晶體振蕩頻率的計(jì)算輸出內(nèi)部1 PPS信號(hào)，為避免輸出的1 PPS信號(hào)與來自GPS接收機(jī)的1 PPS信號(hào)在初始相位上相差太大，用GPS接收機(jī)的1 PPS信號(hào)作為計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的開門信號(hào)，鑒相器將計(jì)數(shù)器輸出的1 PPS信號(hào)與來自GPS接收機(jī)的1 PPS信號(hào)進(jìn)行比較得出相位差，緩沖器存儲(chǔ)比較器輸出的相位差，然后送往微處理器，經(jīng)計(jì)算后以數(shù)字形式向晶振輸出頻率差值，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后對(duì)晶振電壓進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其振蕩頻率的校正，因此，同步模塊是一個(gè)鎖相環(huán)路，也是一個(gè)負(fù)反饋裝置。同步模塊經(jīng)由放大器端輸出三路，一路f0正弦信號(hào)，作為雷達(dá)接收機(jī)頻率綜合器的頻率源，相同的頻率源以保證兩地雷達(dá)接收機(jī)的相參工作;兩路f0方波信號(hào)，一路作為時(shí)鐘信號(hào)送給中心控制器，另一路送到時(shí)間計(jì)數(shù)器模塊以GPS接收機(jī)輸出的1 PPS為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)數(shù)[3]。

2.2 時(shí)間計(jì)數(shù)器模塊

計(jì)數(shù)器A和B被來自GPS的1 PPS同步脈沖觸發(fā)，當(dāng)被校雷達(dá)發(fā)射信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)記錄該時(shí)刻并通知計(jì)數(shù)器A為時(shí)刻N(yùn);當(dāng)被校雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)被岸上的標(biāo)校系統(tǒng)收發(fā)天線接收時(shí)系統(tǒng)記錄該時(shí)刻并通知計(jì)數(shù)器B為時(shí)刻M，計(jì)數(shù)時(shí)序如圖1所示[4]。

圖1 計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

為了完成岸上和艦上兩部分的測(cè)距，N和M兩個(gè)數(shù)值被數(shù)傳模塊送往系統(tǒng)標(biāo)定模塊進(jìn)行后續(xù)處理，主要原理是:(M-N)/f0就是艦上被校雷達(dá)發(fā)射信號(hào)到岸上標(biāo)校系統(tǒng)天線收發(fā)模塊接收該信號(hào)的距離時(shí)間差，已知f0是時(shí)序計(jì)數(shù)脈沖[5]。由公式可以得到艦上和岸上距離為:S0=c(M-N)/f0，在計(jì)算被校雷達(dá)目標(biāo)距離測(cè)量值時(shí)將會(huì)被標(biāo)定模塊扣除2S0(包含信號(hào)的發(fā)射和返回兩個(gè)距離值)。

2.3 系統(tǒng)誤差分析

針對(duì)系統(tǒng)的距離誤差，存在關(guān)鍵的三個(gè)數(shù)據(jù):S設(shè)定的模擬目標(biāo)的距離真值;S0艦上和岸上兩部分的距離;Sr被校雷達(dá)得到模擬目標(biāo)信號(hào)的讀取值。理論上，距離誤差應(yīng)該是S和Sr-2S0的差值，即ΔS=Sr-2S0-S。根據(jù)ΔS對(duì)被校雷達(dá)的測(cè)距零值進(jìn)行修正，完成距離校準(zhǔn)。

實(shí)際上，為了提高標(biāo)校系統(tǒng)的距離校準(zhǔn)精度，減小真值相關(guān)數(shù)據(jù)的誤差是最有效的方法。

影響?yīng)0的有:計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)1 PPS脈沖本身有25 ns的最大時(shí)間誤差;另外，信標(biāo)在通知計(jì)數(shù)器雷達(dá)信號(hào)發(fā)射接收兩時(shí)刻時(shí)存在電路處理延時(shí)，但鑒于兩地在通知過程都存在延時(shí)，因此M和N相減后基本沒有時(shí)間差，電路的微小差異決定此延時(shí)在5 ns以內(nèi)。

影響?yīng)的主要是雷達(dá)信號(hào)在目標(biāo)回波模擬過程中存在信號(hào)存儲(chǔ)和回放電路處理的延時(shí)tα(通常測(cè)定在100 ns以內(nèi))，此延時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致被校雷達(dá)回波信號(hào)的測(cè)距延時(shí)而產(chǎn)生距離誤差，該延時(shí)應(yīng)該在標(biāo)校系統(tǒng)安裝延時(shí)處理模塊時(shí)就應(yīng)該多次精確測(cè)定，系統(tǒng)在標(biāo)定模塊就自動(dòng)默認(rèn)扣除，在系統(tǒng)扣除后此延時(shí)存在的波動(dòng)誤差為總值的±10%，即20 ns[6]。

3 結(jié) 語(yǔ)

該雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)的同步裝置利用了同一個(gè)高精度基準(zhǔn)即GPS衛(wèi)星，通過衛(wèi)星對(duì)地面中心站的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，保證了對(duì)兩地時(shí)鐘的精確時(shí)間同步，精度優(yōu)于100 ns，GPS接收機(jī)輸出高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖信號(hào)(1 PPS)作為校頻的標(biāo)準(zhǔn)，兩地的壓控晶振頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-11，在時(shí)間、頻率和相位上實(shí)現(xiàn)了同步的要求，從而保證了該系統(tǒng)兩地雷達(dá)接收機(jī)的相參工作，也減小了由同步時(shí)鐘非準(zhǔn)確同步引起的測(cè)距離和誤差，提高了雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)的距離校準(zhǔn)精度。

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