劉 鵬，陳 穎，郭曉利

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

海上艦艇編隊(duì)高精度時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 鵬，陳 穎，郭曉利

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

針對(duì)艦艇編隊(duì)遂行協(xié)同打擊任務(wù)的高精度時(shí)統(tǒng)需求，提出一種超寬帶CDMA體制的時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)應(yīng)用TOA算法，基于超寬帶高時(shí)間分辨率波形設(shè)計(jì)，采用可靠同步、干擾抑制和FFT校頻等關(guān)鍵算法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)中可靠高精度時(shí)間統(tǒng)一，時(shí)間同步精度達(dá)10 ns。關(guān)鍵算法仿真和試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵算法合理有效。

時(shí)統(tǒng);同步;TOA;CDMA

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式發(fā)生了根本性變化，由原平臺(tái)獨(dú)立作戰(zhàn)模式向網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)同作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)變，美軍航母編隊(duì)的CEC(協(xié)同作戰(zhàn)能力)系統(tǒng)就是新時(shí)期協(xié)同防御作戰(zhàn)的典范，該系統(tǒng)通過(guò)充分利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、導(dǎo)航等信息系統(tǒng)將各自獨(dú)立的作戰(zhàn)單元聯(lián)合起來(lái)，形成有機(jī)的作戰(zhàn)實(shí)體，支持統(tǒng)一作戰(zhàn)行動(dòng)。協(xié)同作戰(zhàn)是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，要實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)，必須實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)空間時(shí)空基準(zhǔn)的高度統(tǒng)一，信息化武器裝備的協(xié)同作戰(zhàn)高度依賴時(shí)空統(tǒng)一。本文針對(duì)海上編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)對(duì)高精度時(shí)間統(tǒng)一的要求，提出一種采用超寬帶CDMA技術(shù)體制，基于信號(hào)到達(dá)時(shí)延(TOA)算法的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 時(shí)間同步體系

信息化作戰(zhàn)中建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)至關(guān)重要，時(shí)間統(tǒng)一可通過(guò)北斗授時(shí)、GNSS組合授時(shí)、長(zhǎng)波授時(shí)和短波授時(shí)等多種方式實(shí)現(xiàn)。隨著信息化武器裝備的發(fā)展，對(duì)“時(shí)統(tǒng)”提出了越來(lái)越高的需求，迫切需要加強(qiáng)對(duì)“時(shí)統(tǒng)”的研發(fā)和利用，建立起自主的分層時(shí)間統(tǒng)一體系。按對(duì)時(shí)精度、范圍不同，可建立如圖1所示的3層時(shí)間統(tǒng)一體系:第一層為衛(wèi)星授時(shí)，主要解決整個(gè)作戰(zhàn)空間大范圍的時(shí)間統(tǒng)一問(wèn)題，但授時(shí)可靠性和抗干擾能力有限;第二層為短波、長(zhǎng)波等無(wú)線電廣播授時(shí)，作為大范圍授時(shí)的備份，授時(shí)精度不高;第三層為區(qū)域時(shí)間統(tǒng)一，主要是解決某個(gè)局部作戰(zhàn)區(qū)域高精度、高可靠、強(qiáng)抗干擾的相對(duì)時(shí)間同步問(wèn)題，為武器控制、協(xié)同打擊等提供統(tǒng)一的時(shí)間基線。綜合3層體系多種授時(shí)手段，通過(guò)區(qū)域相對(duì)對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)極高精度對(duì)時(shí)，再通過(guò)大范圍時(shí)統(tǒng)手段同步區(qū)域時(shí)間基準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)廣袤作戰(zhàn)空間內(nèi)各類作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一時(shí)間溯源，滿足各類作戰(zhàn)活動(dòng)對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的不同層次需求。本文主要針對(duì)區(qū)域相對(duì)時(shí)間同步展開(kāi)研究和設(shè)計(jì)。

圖1 分層時(shí)間統(tǒng)一體系Fig.1 Top architecture of time synchronization system

2 海上編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)對(duì)區(qū)域時(shí)統(tǒng)的要求

按照作戰(zhàn)需求，戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役級(jí)指揮、兵力指揮、態(tài)勢(shì)生成、武器控制和協(xié)同打擊等作戰(zhàn)活動(dòng)對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的精度和范圍要求各不相同，其中，武器控制、協(xié)同打擊、協(xié)同防空等對(duì)時(shí)統(tǒng)的要求最為苛刻，可以歸納為:

1)時(shí)統(tǒng)精度要求高

編隊(duì)內(nèi)組織協(xié)同反潛、防空、對(duì)陸打擊時(shí)，要求探測(cè)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)高度協(xié)同，基于統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行火力分配、武器控制和精確打擊。高精度時(shí)間統(tǒng)一是分布式傳感器協(xié)同探測(cè)的基礎(chǔ)，支持分布式探測(cè)器聯(lián)合探測(cè)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，各分布式探測(cè)器基于統(tǒng)一精確的時(shí)間基準(zhǔn)探測(cè)，可大大降低后級(jí)信息處理的難度，提高態(tài)勢(shì)準(zhǔn)確性、完整性和統(tǒng)一性;高精度時(shí)間統(tǒng)一是武器系統(tǒng)跨平臺(tái)協(xié)同打擊的前提條件，基于統(tǒng)一的時(shí)間基線才能實(shí)現(xiàn)從傳感器到分布式武器系統(tǒng)的自同步和自組織協(xié)同，形成從傳感器到射手的快速打擊鏈，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高速來(lái)襲目標(biāo)實(shí)施精確打擊。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算分析和綜合仿真，為支持協(xié)同防空和打擊，編隊(duì)內(nèi)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步精度應(yīng)在ns級(jí)。

2)時(shí)統(tǒng)手段具有抗摧毀和強(qiáng)抗干擾能力

信息化作戰(zhàn)環(huán)境下，海上編隊(duì)必將處于復(fù)雜的電磁環(huán)境下，當(dāng)前敵實(shí)施電子戰(zhàn)的模式已從大功率壓制干擾模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫_靈巧的干擾模式，即通過(guò)對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)、關(guān)鍵頻段、關(guān)鍵信號(hào)實(shí)施精確干擾癱瘓整個(gè)信息保障系統(tǒng)，鑒于時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)信息系統(tǒng)的關(guān)鍵作用，時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)成為敵干擾的首要目標(biāo)之一。因此，支持協(xié)同打擊、協(xié)同防空的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)必須具備強(qiáng)抗干擾能力，能在敵實(shí)施大規(guī)模電子干擾支援武器突擊時(shí)持續(xù)可靠地提供精確時(shí)間基準(zhǔn)。

3)時(shí)間同步信號(hào)具有隱蔽性

編隊(duì)內(nèi)為保持高度的時(shí)間同步，需頻繁發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)，這將大大提高敵無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)對(duì)我方作戰(zhàn)單元的發(fā)現(xiàn)概率，增加我方編隊(duì)遭受敵反輻射攻擊武器打擊的風(fēng)險(xiǎn)，因此需提高時(shí)間同步系統(tǒng)的信號(hào)隱蔽性，采用低譜密度信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步。

3 高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)間同步原理

基于信號(hào)到達(dá)時(shí)延(TOA)算法的時(shí)間同步原理如圖2所示。網(wǎng)成員向系統(tǒng)時(shí)基成員每隔一段時(shí)間發(fā)出RTT詢問(wèn)，時(shí)基成員給出RTT回答，使網(wǎng)成員通過(guò)計(jì)算獲得自身時(shí)鐘與時(shí)基的漂移量。

圖2 信號(hào)到達(dá)時(shí)延(TOA)時(shí)間同步Fig.2 TOA based time synchronization algorism

基于圖2的雙向RTT時(shí)間精確同步算法為:

式中:TOAR，TOAt分別為詢問(wèn)到達(dá)時(shí)間和回答到達(dá)時(shí)間;tP為信號(hào)傳播延時(shí);Δτ為要估計(jì)的時(shí)差。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析，考慮到區(qū)域時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)抗干擾性、隱蔽性等要求，提出一種工作于微波頻段支持區(qū)域相對(duì)時(shí)間同步的系統(tǒng)方案，系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 區(qū)域相對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)組成Fig.3 Limed region relative time synchronization system

區(qū)域相對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)由艦載時(shí)頻管理系統(tǒng)、高穩(wěn)定度頻標(biāo)和超寬帶CDMA時(shí)間相對(duì)同步系統(tǒng)組成，艦載時(shí)頻管理系統(tǒng)面向艦載時(shí)間用戶，按需提供各種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。高穩(wěn)定頻標(biāo)作為系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入，在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定守時(shí)。超寬帶CDMA時(shí)間相對(duì)同步系統(tǒng)基于TOA時(shí)間同步算法實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)相對(duì)時(shí)間同步，其組成如圖4所示。按照各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)在時(shí)間基準(zhǔn)建立過(guò)程中的職責(zé)不同，可以分為時(shí)間用戶節(jié)點(diǎn)和時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)為整個(gè)編隊(duì)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)間用戶節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線手段與時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，由于編隊(duì)時(shí)間基準(zhǔn)惟一，編隊(duì)所有作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)分布式完成時(shí)間同步后，可實(shí)現(xiàn)編隊(duì)區(qū)域內(nèi)時(shí)間統(tǒng)一。編隊(duì)內(nèi)多個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)采用CDMA(碼分多址)的多址方式，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)用特定惟一的偽碼對(duì)信息進(jìn)行擴(kuò)頻，基于碼分多址共用信道。

圖4 超寬帶CDMA時(shí)間相對(duì)同步系統(tǒng)Fig.4 UWB-CDMA based relative time synchronization system

3.3 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

超寬帶CDMA時(shí)間相對(duì)同步系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)為:系統(tǒng)工作頻段1.7～1.9 GHz;調(diào)制方式為MSK-DSSS;多址方式CDMA;偽碼周期256;信號(hào)帶寬20 MHz;信息速率1Mbps;支持不小于8個(gè)用戶同時(shí)時(shí)間同步。

4 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

如前所述，高精度時(shí)間同步系統(tǒng)需工作于復(fù)雜電磁環(huán)境，系統(tǒng)除基于擴(kuò)展頻譜技術(shù)獲得抗干擾增益外，還需采用干擾抑制算法實(shí)現(xiàn)單頻點(diǎn)干擾、窄帶干擾和部分帶干擾等多種類型大功率干擾的抑制;系統(tǒng)裝載于快速移動(dòng)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)帶來(lái)較大的多普勒頻偏，影響系統(tǒng)時(shí)間同步的性能，采用基于FFT頻率估計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多普勒頻偏的校正;系統(tǒng)基于低譜密度信號(hào)完成對(duì)時(shí)，需突破低信噪比同步算法，以較低的信號(hào)功率持續(xù)進(jìn)行隱蔽通信完成高精度時(shí)間同步和同步保持。

4.1 低信噪比同步算法

高精度時(shí)間同步系統(tǒng)依靠接收機(jī)可靠檢測(cè)到信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，這是時(shí)間精確同步的基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)時(shí)的關(guān)鍵，信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的估計(jì)準(zhǔn)確性直接決定系統(tǒng)對(duì)時(shí)的準(zhǔn)確性。超寬帶CDMA相對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)利用偽碼將有用信息進(jìn)行擴(kuò)頻，展寬信號(hào)頻譜提高對(duì)時(shí)信號(hào)的時(shí)間分辨率，并依靠偽碼尖銳的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確估計(jì)，因此，基于相關(guān)峰進(jìn)行碼相位的估計(jì)和同步是關(guān)鍵算法之一。偽碼相關(guān)性影響系統(tǒng)的時(shí)間同步性能，當(dāng)偽碼相位對(duì)齊時(shí)，偽碼相關(guān)值很大，當(dāng)碼相位相差超過(guò)一個(gè)碼片時(shí)，偽碼相關(guān)值降低，即偽碼相關(guān)結(jié)果為如圖5所示的偽碼相關(guān)峰，通過(guò)檢測(cè)相關(guān)峰出現(xiàn)的時(shí)刻實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)。

圖5 偽碼相關(guān)峰Fig.5 Correlation peak of pseudo sequence

偽碼同步分為碼捕獲和碼跟蹤2個(gè)過(guò)程:碼捕獲實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)并將本地偽碼與接收信號(hào)偽碼的粗同步，使兩者的相位差控制在半個(gè)碼片(chip)之內(nèi);碼跟蹤在粗同步的基礎(chǔ)上進(jìn)一步精確同步，使最后的同步誤差盡量小，并跟蹤接收信號(hào)的碼相位，同步狀態(tài)得到保持。系統(tǒng)采用如圖6所示的最大似然算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和碼相位捕獲。

圖6 最大似然碼相位捕獲框圖Fig.6 PN acquisition method based on maximum likelihood algorism

圖7 低信噪比偽碼同步單元框圖Fig.7 PN acquisition method used in low SNR environment

4.2 大多普勒頻偏校正技術(shù)

海上編隊(duì)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行時(shí)間同步，會(huì)帶來(lái)較大的多普勒頻偏，導(dǎo)致超寬帶CDMA時(shí)間相對(duì)同步系統(tǒng)性能下降。采用基于FFT的多普勒頻偏估計(jì)和校正技術(shù)，在信息前插入前導(dǎo)碼序列，通過(guò)對(duì)接收到的前導(dǎo)碼序列進(jìn)行復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算，進(jìn)行頻譜估計(jì)。然后根據(jù)頻譜能量最大值計(jì)算出頻差，從而調(diào)整載波輸出頻率，對(duì)頻率偏差進(jìn)行校正，工作流程如圖8所示。

采用FFT的方法得到的頻譜估計(jì)存在一定的頻率檢測(cè)精度，當(dāng)采樣頻率為fd時(shí)，F(xiàn)FT頻率估計(jì)的范圍為［－fd/2，fd/2］］，頻率分辨率為 fd/N，其估計(jì)精度為fd/2N。

圖8 基于FFT校頻流程Fig.8 FFT based frequency adjust flow

4.3 強(qiáng)干擾抑制技術(shù)

針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)抗干擾問(wèn)題，基于變換域干擾抑制算法進(jìn)行干擾功率抑制。變換域干擾抑制主要由2個(gè)關(guān)鍵步驟組成，即變換和變換域干擾抑制。變換的目的是使在時(shí)域不容易被分離的信號(hào)和干擾在變換域比較容易分開(kāi)，因此，選擇的變換應(yīng)該使有用信號(hào)均勻分布在所有變換域子帶內(nèi)，而干擾功率盡可能的集中在少數(shù)子帶內(nèi)，這樣才能在抑制干擾的同時(shí)盡可能少的損失有用信號(hào)功率。實(shí)施變換域干擾抑制，要采用快速算法，且算法復(fù)雜度較低。變換域技術(shù)把擴(kuò)頻信號(hào)、熱噪聲以及干擾組成的混合信號(hào)映射到另一個(gè)域處理。一般將干擾映射為類似于沖擊的函數(shù)，將有用信號(hào)映射為與干擾近似正交，具有平坦特性的波形。這樣就能在較徹底去除干擾的同時(shí)對(duì)有用信號(hào)的損傷較小。

圖9為變換域技術(shù)抑制部分帶干擾的原理框圖，首先對(duì)接收信號(hào)r—進(jìn)行變換得到R—，然后檢測(cè)干擾，調(diào)整陷波位置，將相應(yīng)的譜線置零或者進(jìn)行衰減;接著將抑制處理后的變換域分量反變換回時(shí)域，再與擴(kuò)頻碼相關(guān)解擴(kuò)得到判決變量，根據(jù)判決量進(jìn)行后續(xù)的跳頻同步，最后對(duì)解跳解擴(kuò)后判決變量的極性做出判決。

圖9 變換域干擾抑制原理Fig.9 Transform domain based interface suppression algorism

5 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性以及系統(tǒng)關(guān)鍵算法的正確性和有效性，利用Matlab仿真工具對(duì)低信噪比下系統(tǒng)同步、強(qiáng)干擾抑制等算法進(jìn)行了仿真。對(duì)部分關(guān)鍵算法進(jìn)行了原理樣機(jī)驗(yàn)證，用 Xilinx公司的Chipscope數(shù)據(jù)采集工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行了顯示和分析。

圖10為Eb/N0=5 dB時(shí)，采用非相干多碼元累加算法檢測(cè)到的偽碼相關(guān)峰情況，從仿真中可以看出，隨著累加次數(shù)的增加，相關(guān)峰越來(lái)越尖銳，即采用非相干累加可以提高碼相位同步的性能。圖11為Eb/N0=－5 dB條件下，系統(tǒng)不同非相干累加次數(shù)時(shí)間誤同步概率曲線，仿真中設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)到達(dá)時(shí)間與實(shí)際到達(dá)時(shí)間相差0.2 chip時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)誤同步，因此，圖11為超寬帶CDMA時(shí)間相對(duì)同步系統(tǒng)時(shí)間同步誤差超過(guò)10 ns的概率曲線。由圖11可以看出，隨著累加數(shù)的增加，時(shí)間誤同步概率下降，6次非相干累加時(shí)的檢測(cè)性能比無(wú)累加的時(shí)間同步性能最多有8 dB的信噪比增益，當(dāng)非相干累加6次，Eb/N0=－11 dB時(shí)還能達(dá)到10－3的時(shí)間誤同步概率。

圖12為本系統(tǒng)在干擾帶寬占信號(hào)帶寬5%時(shí)的部分帶干擾情況下，時(shí)間誤同步概率隨干信比變化的曲線。仿真中，設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)捕獲到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間與實(shí)際到達(dá)時(shí)間相差0.2 chip時(shí)，認(rèn)為時(shí)間誤同步。因此，圖12為系統(tǒng)時(shí)間同步誤差大于10 ns的概率曲線。

為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵算法的實(shí)際效果，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵同步算法、干擾抑制算法進(jìn)行了原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)，并用Xilinx公司的Chipscope軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示分析。系統(tǒng)存在單頻干擾的頻域波形如圖13所示，干擾抑制后的頻域波形如圖14所示，頻域圖形中的橫線即為干擾門限。由實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果可以看出，未進(jìn)行干擾抑制前，單頻干擾的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)的功率，采用基于變換域的干擾抑制算法后，干擾功率明顯減少，有用信號(hào)功率大于干擾功率。原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)能在低信噪比、強(qiáng)干擾環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠時(shí)間同步。

圖12 時(shí)間誤同步概率隨干信比變化Fig.12 Time mis-synchronization probability in different ISR

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A high precision time synchronization system design for naval formation

LIU Peng，CHEN Ying，GUO Xiao-li
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Aiming at the high precision time synchronization demand of naval formation execute operational cooperative attack，the article presents a design for time synchronization system，based on UWB CDMA technology.The system employ TOA algorism，high definition wave design，robust synchronization technology，and FFT frequency correcting technology，achieve reliable time synchronization in war-field complex electromagnetic environment.The time synchronization precision performance is higher than 10 ns.According to the simulation results，it has been proved assuredly that the proposed design and key algorithms are effective and has good performance.

time synchronization;synchronization;TOA;CDMA

TN914.53

A

1672－7649(2011)06－0046－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.012

2011－05－06

劉鵬(1980－)，博士，高級(jí)工程師，從事綜合電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與仿真、通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗研究。