錢 東

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

機(jī)載平臺(tái)目前已有越來越多的作戰(zhàn)應(yīng)用需在平臺(tái)內(nèi)多傳感器或平臺(tái)間多傳感器間進(jìn)行協(xié)同，而時(shí)間同步則是實(shí)現(xiàn)這些協(xié)同應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。機(jī)載平臺(tái)時(shí)間同步系統(tǒng)主要解決作戰(zhàn)飛機(jī)內(nèi)部以及編隊(duì)間作戰(zhàn)飛機(jī)各傳感器的時(shí)鐘一致問題，因協(xié)同應(yīng)用高精度需求、機(jī)載平臺(tái)環(huán)境特點(diǎn)以及航電架構(gòu)等因素綜合約束，機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與陸?；鶗r(shí)間同步系統(tǒng)相比自有其特點(diǎn)。相關(guān)研究中，文獻(xiàn)［1］提出了一種用于多機(jī)組網(wǎng)試飛的時(shí)間同步方法，文獻(xiàn)［2］研究了航電系統(tǒng)的時(shí)間同步，但現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)機(jī)載時(shí)間同步問題的探討多針對(duì)特定的應(yīng)用場合。時(shí)間和頻率同步已經(jīng)是作戰(zhàn)飛機(jī)綜合航電的基本要求，是實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)的必要前提條件，作為航電系統(tǒng)基本公共資源，機(jī)載平臺(tái)時(shí)間同步系統(tǒng)必須具備足夠的開放性和可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)各類航電架構(gòu)，兼容各種時(shí)間同步鏈路，滿足不同傳感器協(xié)同應(yīng)用的使用，這就必須討論機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)問題。本文探討了機(jī)載平臺(tái)典型協(xié)同應(yīng)用的時(shí)間同步需求，重點(diǎn)圍繞時(shí)間同步系統(tǒng)基本要素，對(duì)機(jī)載平臺(tái)可選技術(shù)手段進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種分層的開放式機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)該架構(gòu)性能進(jìn)行了測試。

2 機(jī)載時(shí)間同步的應(yīng)用需求

目前在機(jī)載信息融合［3］、雷達(dá)組網(wǎng)［4－5］、無源定位［6］等戰(zhàn)術(shù)級(jí)協(xié)同應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)等體系級(jí)協(xié)同應(yīng)用中，時(shí)間同步都已是重要的共性基礎(chǔ)技術(shù)。

2.1 機(jī)載信息融合

機(jī)載信息融合是在綜合航電系統(tǒng)基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種重要應(yīng)用。隨著機(jī)載傳感器數(shù)量的增長，進(jìn)入航電系統(tǒng)的信息來源、層次急劇增加。信息融合能使作戰(zhàn)飛機(jī)更充分地利用多種機(jī)載傳感器資源，產(chǎn)生比單個(gè)傳感器置信度更高的數(shù)據(jù)和更準(zhǔn)確的信息，優(yōu)化傳感器使用，為此美軍甚至將信息融合定義為四代戰(zhàn)斗機(jī)特征。機(jī)載平臺(tái)各傳感器要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，必須首先保證融合時(shí)刻的傳感器數(shù)據(jù)來自同一時(shí)刻，否則融合結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差，為此許多學(xué)者相繼提出了一些時(shí)間配準(zhǔn)方法，但時(shí)間配準(zhǔn)需要占用較多的融合時(shí)間開銷，且動(dòng)態(tài)越大配準(zhǔn)效果越差。通過機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)各傳感器進(jìn)行時(shí)間同步，可大大降低信息融合過程中的時(shí)間配準(zhǔn)壓力。從文獻(xiàn)［7］可以看出，信息融合對(duì)時(shí)間同步的精度要求一般在μs 至ms 級(jí)。

2.2 機(jī)載雷達(dá)組網(wǎng)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)在對(duì)抗隱身目標(biāo)的探測方面正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，機(jī)載雷達(dá)組網(wǎng)已被公認(rèn)為是對(duì)抗隱身威脅、綜合電子干擾的有效體制。機(jī)載雷達(dá)組網(wǎng)探測時(shí)，可以由后方飛機(jī)發(fā)射探測干擾一體化波形，前方飛機(jī)無源被動(dòng)接收敵機(jī)返回回波信息，達(dá)到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測同時(shí)減小前機(jī)被截獲危險(xiǎn)的目的。由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分置，機(jī)載雷達(dá)組網(wǎng)必須解決遠(yuǎn)程時(shí)頻同步、高精度定位等一系列問題，接收機(jī)必須準(zhǔn)確獲知發(fā)射脈沖基準(zhǔn)時(shí)刻作為測量回波時(shí)延的基準(zhǔn)。機(jī)載雷達(dá)組網(wǎng)要達(dá)到期望的測距精度，對(duì)時(shí)間同步精度也有相應(yīng)的需求。雷達(dá)組網(wǎng)對(duì)時(shí)間同步精度的要求較高，至少應(yīng)為壓縮后脈沖寬度的幾分之一量級(jí)［8］。

2.3 機(jī)載無源定位

機(jī)載無源定位通過各機(jī)測量目標(biāo)發(fā)射的同一信號(hào)到達(dá)各機(jī)的時(shí)間之差，結(jié)合已知的平臺(tái)位置來確定目標(biāo)位置，本身具有隱蔽、不輻射電磁波的特點(diǎn)。由于對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)生存力有重要意義，先進(jìn)飛機(jī)對(duì)該技術(shù)的需求日益迫切。機(jī)載無源定位的精度受到機(jī)間時(shí)間同步誤差、到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)測量誤差、站址誤差等因素綜合影響，但與其他協(xié)同應(yīng)用相比，機(jī)載無源定位對(duì)時(shí)間同步精度要求最高。在基線長度30 km的條件下，機(jī)載多機(jī)無源定位對(duì)時(shí)間同步的精度為10～40 ns，最多不超過70 ns，才可以確保在大范圍內(nèi)獲得較高的定位精度［6］。

3 機(jī)載時(shí)間同步的基本要素

機(jī)載平臺(tái)時(shí)間同步系統(tǒng)包含時(shí)間基準(zhǔn)、時(shí)間傳遞、時(shí)間分發(fā)和時(shí)間保持精度等幾方面的基本要素，下文重點(diǎn)分析以上要素的確定問題。

3.1 時(shí)間基準(zhǔn)選擇

機(jī)載時(shí)間同步對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的需求可分為兩個(gè)層次。單從協(xié)同應(yīng)用層面講，任務(wù)傳感器對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的要求并不苛刻，編隊(duì)內(nèi)各機(jī)只要實(shí)現(xiàn)局部時(shí)間基準(zhǔn)的同步就不會(huì)影響協(xié)同應(yīng)用，但如果作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，就必須把本機(jī)時(shí)間溯源到公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度上才便于指揮控制，這就牽涉到絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的選擇和追溯問題，比如，美軍常用的全局時(shí)間為海軍天文臺(tái)的UTC(USNO)時(shí)間和GPS 時(shí)間。作為機(jī)載時(shí)間中心，機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)應(yīng)具備全局時(shí)間和局部時(shí)間的溯源和維護(hù)職能，同時(shí)支持兩個(gè)層次的時(shí)間需求。

3.2 時(shí)間傳遞

時(shí)間傳遞主要實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間向全局時(shí)間或局部時(shí)間基準(zhǔn)的溯源，常用的傳遞手段可分為無線方式和有線方式。其中，衛(wèi)星授時(shí)廣泛應(yīng)用于軍事、電力、通信等領(lǐng)域，是一種最基本的傳遞手段。美軍目前對(duì)時(shí)間同步有嚴(yán)格要求的大量協(xié)同應(yīng)用，都依賴GPS 并依靠大量GPS 接收機(jī)維持時(shí)間同步，可快速同步到美軍基準(zhǔn)時(shí)間UTC(USNO)并很容易保持100 ns左右的同步精度，經(jīng)過GPS 馴服的晶體振蕩器還可提供優(yōu)于0.1 μs/d 的時(shí)間準(zhǔn)確度和1×10－12的頻率準(zhǔn)確度。衛(wèi)星授時(shí)的不足在于衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)在各載機(jī)上都是相互獨(dú)立的個(gè)體，出現(xiàn)錯(cuò)誤不能相互校正;其次，被干擾無法使用時(shí)載機(jī)將無法獲得準(zhǔn)確時(shí)間，導(dǎo)致編隊(duì)平臺(tái)失步，協(xié)同應(yīng)用無法實(shí)施，進(jìn)而影響任務(wù)可靠性。GPS 單向授時(shí)在動(dòng)平臺(tái)上存在幾十甚至幾百納秒的不確定度，也尚不能完全滿足所有協(xié)同作戰(zhàn)對(duì)時(shí)間同步精度的需求。

美軍意識(shí)到機(jī)載平臺(tái)大量協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用過度依賴衛(wèi)星授時(shí)進(jìn)行時(shí)間同步存在很大風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)機(jī)載時(shí)間同步鏈路常采取冗余措施。美軍對(duì)L 頻段數(shù)據(jù)鏈雙向時(shí)間比對(duì)［9］、衛(wèi)星通信雙向時(shí)間比對(duì)［10］等高精度時(shí)間同步傳遞手段進(jìn)行了大量研究，針對(duì)不同的需求加以靈活應(yīng)用，綜合保障其時(shí)間同步能力。

機(jī)載平臺(tái)時(shí)間同步傳遞手段的選擇必須考慮機(jī)載平臺(tái)的特點(diǎn):一是載機(jī)高速運(yùn)動(dòng)、遠(yuǎn)距離同步的特點(diǎn)使有線方式不太可取;二是綜合化的航電系統(tǒng)往往追求功能復(fù)用、小型化和低成本，新增專門的時(shí)間傳遞鏈路基本不可行，因此，現(xiàn)有措施都是在已有通信鏈路中加入時(shí)間傳遞的功能。利用載機(jī)已有的通信鏈路進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì)，正作為獨(dú)立于衛(wèi)星授時(shí)的備份冗余措施解決單一授時(shí)方式不可靠的問題。從傳遞精度來看，雙向時(shí)間同步是目前精度最高的時(shí)間同步技術(shù)，已廣泛用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)高精度的時(shí)間同步。通信、測距、時(shí)間同步功能相結(jié)合的機(jī)載數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)出現(xiàn)，比如Link 16、機(jī)間數(shù)據(jù)鏈(IFDL)等。從發(fā)展趨勢來看，數(shù)據(jù)鏈時(shí)間同步也較衛(wèi)星授時(shí)越來越受重視。

綜合上述原因，機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間傳遞鏈路可以考慮為衛(wèi)星授時(shí)和數(shù)據(jù)鏈雙向時(shí)間比對(duì)兩大類，相互冗余提高時(shí)間同步保障能力。

3.3 時(shí)間分發(fā)

機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)中的時(shí)間分發(fā)特指時(shí)間同步系統(tǒng)集中向各傳感器進(jìn)行時(shí)碼信號(hào)傳輸?shù)倪^程。時(shí)間分發(fā)目前多采用離散線以確保分發(fā)精度，比如1 PPS(Pulse per Second)秒脈沖和IRIG－B 碼。比較而言，1 PPS 秒脈沖結(jié)構(gòu)簡單，IRIG－B 碼1 frame/s，可傳遞100 位信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)秒脈沖和時(shí)間信息的分發(fā)，串行傳輸硬件開銷很小，比較適合作為傳感器機(jī)架間的時(shí)碼傳輸協(xié)議。

針對(duì)不同傳感器使用多種時(shí)間基準(zhǔn)的情形，機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)還必須有另外一種分發(fā)模式，即采用B 碼分發(fā)本地時(shí)間的同時(shí)通過實(shí)時(shí)測量的方式給出本地時(shí)間與多種時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)差，并通過總線消息發(fā)布。IRIG－B 碼只能分發(fā)一種時(shí)間基準(zhǔn)，這種方式就比較適合多時(shí)間基準(zhǔn)同時(shí)存在的場合，特別是在只需要通過數(shù)學(xué)方式扣除時(shí)差等軟處理應(yīng)用的場合，這種方式優(yōu)勢很大，不需過多的硬件連接就已能滿足大多數(shù)協(xié)同應(yīng)用需求。

3.4 時(shí)間保持精度

機(jī)載設(shè)備以往多使用恒溫晶體振蕩器進(jìn)行時(shí)間保持，但在高精度協(xié)同應(yīng)用方面，目前已有利用原子鐘作計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的需求。銫鐘和氫鐘由于體積、振動(dòng)等性能限制，目前還無法滿足綜合化航電系統(tǒng)的使用要求?？紤]航電系統(tǒng)綜合化后設(shè)備體積和空間有限，在經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈雙向時(shí)間比對(duì)后，守時(shí)精度還要求為ns 級(jí)的場合，銣原子鐘目前還是唯一適合綜合航電系統(tǒng)使用的原子鐘。與晶體振蕩器相比，銣原子鐘頻率準(zhǔn)確度能達(dá)到1×10－11，天穩(wěn)達(dá)到5×10－12，老化率達(dá)到1×10－10。采用銣鐘鎖定恒溫晶體振蕩器方案，恒溫晶體振蕩器的長穩(wěn)將得到很大改善，同時(shí)保持良好的短穩(wěn)和相噪性能。銣原子鐘目前已在F－35、“全球鷹”、“捕食者”等平臺(tái)中得到應(yīng)用，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)速數(shù)百公里移動(dòng)目標(biāo)的協(xié)同跟蹤、信號(hào)情報(bào)和C4I(Command，Control，Communication，Computer and Intelligence)等應(yīng)用。

4 架構(gòu)設(shè)計(jì)

正是由于時(shí)間和頻率同步在協(xié)同作戰(zhàn)和體系作戰(zhàn)中展現(xiàn)出的重要性及復(fù)雜性，Symmetricom 公司目前已推出了用于航電系統(tǒng)的模塊化時(shí)頻產(chǎn)品。正如前文所述，作為航電系統(tǒng)一類基礎(chǔ)公共資源，機(jī)載平臺(tái)的時(shí)間同步系統(tǒng)必須具備足夠的開放性和可擴(kuò)展性，本文即重點(diǎn)討論機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)問題。

機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性源于機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的公共資源特性、不同平臺(tái)相近似的功能需求以及綜合航電系統(tǒng)的開放式發(fā)展趨勢。從使用需求來講，機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)作為全機(jī)時(shí)間中心，在不同平臺(tái)都理應(yīng)具備本地時(shí)間和全局時(shí)間的溯源能力和維護(hù)能力，確保航電系統(tǒng)加電運(yùn)行期間內(nèi)部計(jì)時(shí)的嚴(yán)格單調(diào)遞增性，保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)序和運(yùn)行節(jié)奏的正確性。應(yīng)能兼容衛(wèi)星授時(shí)、多種數(shù)據(jù)鏈路作為時(shí)間同步的手段，實(shí)現(xiàn)綜合冗余和ns 級(jí)的時(shí)間同步精度，以支持高精度的協(xié)同應(yīng)用。應(yīng)能通過標(biāo)準(zhǔn)接口向各傳感器進(jìn)行高精度時(shí)間分發(fā)，并能行使時(shí)間管理職能，評(píng)估各種時(shí)間的時(shí)間品質(zhì)。

從航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢來看，機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)也應(yīng)采取開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化架構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)化接口，以方便不同用戶傳感器的使用和協(xié)同應(yīng)用的擴(kuò)展。比如，無人機(jī)平臺(tái)任務(wù)簡單、時(shí)間傳遞手段有限、協(xié)同應(yīng)用種類較少，時(shí)間同步系統(tǒng)應(yīng)可通過適當(dāng)?shù)牟脺p滿足需求;作戰(zhàn)飛機(jī)時(shí)間傳遞手段豐富，協(xié)同應(yīng)用種類多，任務(wù)可靠性要求高，時(shí)間同步系統(tǒng)的功能也應(yīng)最為完善。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足機(jī)載平臺(tái)對(duì)時(shí)間同步上述需求，本文提出如圖1所示的機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)依據(jù)時(shí)間傳遞、時(shí)間處理、時(shí)間管理以及時(shí)間應(yīng)用等基本要素對(duì)機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，從而建立一種分層次的機(jī)載時(shí)間同步框架。

圖1 開放式機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture for airborne time synchronization system

開放式機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的分層架構(gòu)依次分為時(shí)間同步鏈路層、時(shí)間同步處理層(時(shí)間處理中心)和時(shí)間同步應(yīng)用層。其中，時(shí)間同步鏈路層主要包含作戰(zhàn)飛機(jī)所配備的多種機(jī)載時(shí)間比對(duì)鏈路和時(shí)間溯源手段，比如多種機(jī)載雙向時(shí)間比對(duì)鏈路和衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)。時(shí)間處理層主要實(shí)現(xiàn)本機(jī)時(shí)間維護(hù)、全局時(shí)間維護(hù)、基準(zhǔn)頻率、時(shí)碼合成、時(shí)差測量、時(shí)間管理和時(shí)間品質(zhì)評(píng)估等功能，其與鏈路層之間的標(biāo)準(zhǔn)開放接口為IRIG－B 碼或1 PPS。時(shí)間應(yīng)用層主要包含有時(shí)間同步需求的各類傳感器終端，其與處理層間的標(biāo)準(zhǔn)接口為基準(zhǔn)頻率分發(fā)接口、IRIG－B 碼分發(fā)接口和時(shí)差消息分發(fā)接口。在時(shí)間同步任務(wù)執(zhí)行階段，時(shí)間鏈路層提供多種相互冗余的時(shí)間比對(duì)鏈路，時(shí)間處理層作為全機(jī)時(shí)間中心，集中完成時(shí)間處理、維護(hù)、分發(fā)和時(shí)間質(zhì)量等級(jí)管理，時(shí)間應(yīng)用層各終端接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼、基準(zhǔn)頻率和時(shí)差分發(fā)消息，完成最終的時(shí)間同步信號(hào)應(yīng)用處理。

圖1所示的架構(gòu)在各層之間使用標(biāo)準(zhǔn)開放接口完成信息交互，使機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)具有了良好的可擴(kuò)展性和可裁剪性。首先，時(shí)間處理層作為時(shí)間同步系統(tǒng)的核心，可利用單獨(dú)資源集中實(shí)現(xiàn)，即使系統(tǒng)擴(kuò)展，也可大幅度降低對(duì)整個(gè)綜合航電系統(tǒng)的影響，而時(shí)間比對(duì)鏈路的種類、應(yīng)用終端的數(shù)量均可調(diào)整;其次，該架構(gòu)在時(shí)間處理層實(shí)現(xiàn)了對(duì)多時(shí)間比對(duì)鏈路的兼容，同時(shí)也避免了常規(guī)的采用單一的衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)一旦被干擾時(shí)間同步便不能實(shí)施的隱患。比如，數(shù)據(jù)融合用戶根據(jù)精度需求，可以選擇衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)進(jìn)行同步，編隊(duì)無源組網(wǎng)探測用戶根據(jù)精度需求，可以選擇雙向時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行同步，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)被干擾時(shí)，時(shí)間品質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，數(shù)據(jù)融合用戶可切換至機(jī)間數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行時(shí)間同步，使用戶靈活快速地選擇時(shí)間同步基準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的對(duì)抗環(huán)境。

4.2 時(shí)間同步流程

結(jié)合圖1所示的架構(gòu)，當(dāng)平臺(tái)內(nèi)各協(xié)同傳感器需進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，時(shí)間源選擇單元根據(jù)預(yù)置的優(yōu)先級(jí)設(shè)置選擇時(shí)間源完成本地時(shí)間和全局時(shí)間的初始化，將時(shí)間基準(zhǔn)溯源到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間?；鶞?zhǔn)頻率源產(chǎn)生參考頻率信號(hào)進(jìn)行時(shí)間維護(hù)，并將該時(shí)間作為平臺(tái)內(nèi)各應(yīng)用端傳感器統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，通過IRIG－B 碼分發(fā)到各應(yīng)用傳感器終端。為滿足重點(diǎn)用戶ns級(jí)同步要求，時(shí)碼合成單元將進(jìn)行超前秒脈沖產(chǎn)生，彌補(bǔ)器件延遲、傳輸延遲影響，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)各傳感器時(shí)間的高精度同步。

在此基礎(chǔ)之上，平臺(tái)間各傳感器的時(shí)間同步過程可分為機(jī)間時(shí)間比對(duì)、時(shí)差測量和時(shí)差消息分發(fā)三個(gè)過程。以雙向時(shí)間比對(duì)鏈路為例，各機(jī)本地時(shí)間初始化后按各自基準(zhǔn)頻率時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間維護(hù)，機(jī)間雙向比對(duì)鏈路啟動(dòng)雙向時(shí)間比對(duì)功能后，僚機(jī)(詢問方)周期性向長機(jī)(鏈路時(shí)間基準(zhǔn))發(fā)送詢問消息，進(jìn)行加密、編碼、調(diào)制后將數(shù)字調(diào)制信號(hào)送至天線進(jìn)行變頻、放大、發(fā)射。長機(jī)接收信號(hào)并對(duì)詢問消息的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行檢測，將測得的到達(dá)時(shí)間按消息格式編碼，形成應(yīng)答消息向僚機(jī)發(fā)送。僚機(jī)對(duì)長機(jī)發(fā)送的應(yīng)答消息的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行檢測，并從應(yīng)答消息中獲取詢問消息達(dá)到時(shí)間，從而完成雙向時(shí)間比對(duì)，并向時(shí)間處理層輸出同步的鏈路時(shí)間或長機(jī)時(shí)間。由于多時(shí)間基準(zhǔn)同時(shí)存在，平臺(tái)間時(shí)間同步不直接調(diào)節(jié)時(shí)標(biāo)，而是通過測量本地時(shí)間與各鏈路時(shí)間的“鐘面時(shí)差”間接實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。時(shí)差測量結(jié)果通過時(shí)差消息周期性分發(fā)。時(shí)差消息包含不同時(shí)間同步鏈路的時(shí)差測量值和時(shí)間品質(zhì)。

應(yīng)用層各終端傳感器根據(jù)時(shí)間品質(zhì)進(jìn)行平臺(tái)間時(shí)間同步基準(zhǔn)的選擇。接收處理層分發(fā)的IRIG－B碼信號(hào)，將所選平臺(tái)間同步時(shí)間基準(zhǔn)與本地時(shí)間的時(shí)差加入到應(yīng)用傳感器時(shí)間時(shí)戳，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步軟處理，或者直接輸入時(shí)間計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)秒脈沖的硬處理(秒脈沖調(diào)整)，完成最終的平臺(tái)間時(shí)間同步處理。

4.3 同步精度分析

4.3.1 單平臺(tái)同步精度

單平臺(tái)內(nèi)通過該架構(gòu)進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，時(shí)間信號(hào)從超前秒產(chǎn)生、時(shí)碼合成、時(shí)碼分發(fā)單元輸出到平臺(tái)內(nèi)各用時(shí)節(jié)點(diǎn)，要經(jīng)過器件延遲、電纜延遲才能到達(dá)。由于單平臺(tái)內(nèi)時(shí)間同步按同一基準(zhǔn)時(shí)間運(yùn)行，因此同步誤差主要來自時(shí)碼信號(hào)的分發(fā)環(huán)節(jié)。保證各用時(shí)節(jié)點(diǎn)接收到的時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間高度同步，主要依靠對(duì)延遲標(biāo)定，并根據(jù)標(biāo)定延遲量對(duì)時(shí)碼信號(hào)進(jìn)行超前修正實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)頻同步。主要系統(tǒng)誤差包括時(shí)延標(biāo)定誤差、時(shí)延補(bǔ)償誤差、溫度漂移誤差。

(1)時(shí)延標(biāo)定誤差

時(shí)延標(biāo)定使用計(jì)數(shù)器標(biāo)定本秒與各用時(shí)節(jié)點(diǎn)端口的時(shí)延值，該時(shí)延值最終由時(shí)頻模塊采用軟件調(diào)整“輸出超前量”的方式進(jìn)行校正，因而時(shí)延標(biāo)定精度會(huì)影響系統(tǒng)精度。標(biāo)定時(shí)需將標(biāo)定點(diǎn)選擇在用時(shí)節(jié)點(diǎn)端面，以盡量降低標(biāo)定誤差。

(2)時(shí)延補(bǔ)償誤差

時(shí)延補(bǔ)償對(duì)已產(chǎn)生的B(DC)進(jìn)行相位超前調(diào)整，從而消除各路時(shí)間同步信號(hào)因路徑不同引入的同步誤差。本架構(gòu)中時(shí)延補(bǔ)償采用粗調(diào)加細(xì)調(diào)兩級(jí)調(diào)節(jié)。粗調(diào)分辨率5 ns，精調(diào)分辨率78 ps，實(shí)測補(bǔ)償精度優(yōu)于1 ns。

(3)溫度漂移誤差

由于半導(dǎo)體材料的熱敏性質(zhì)，半導(dǎo)體元器件的特性隨溫度變化，這會(huì)影響半導(dǎo)體元器件的時(shí)延特性。典型時(shí)碼信號(hào)分發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片的全溫度－時(shí)延特性在1.5 ns左右。

忽略次要因素，該架構(gòu)下單平臺(tái)時(shí)間同步的誤差模型可用下式表示:

式中，σ1、σ2和σ3分別表示時(shí)延標(biāo)定誤差、時(shí)延補(bǔ)償殘余誤差和溫度漂移誤差。

4.3.2 多平臺(tái)間時(shí)間同步精度

多平臺(tái)間時(shí)間同步目的在于將機(jī)間傳感器時(shí)間同步精度控制在可接受的誤差以內(nèi)，時(shí)間同步誤差也由單平臺(tái)時(shí)間同步誤差和平臺(tái)間時(shí)間比對(duì)鏈路誤差共同組成，如圖2所示。在本文所述時(shí)間同步架構(gòu)下，編隊(duì)多平臺(tái)時(shí)間同步誤差因素除平臺(tái)內(nèi)時(shí)間同步誤差外，還包括機(jī)間時(shí)間比對(duì)鏈路誤差、時(shí)差測量誤差及時(shí)間保持誤差，其中，平臺(tái)內(nèi)時(shí)間同步精度由于前文已有分析，在此不再贅述。

圖2 多平臺(tái)時(shí)間同步誤差Fig.2 The composition of multi－platform synchronization error

(1)時(shí)間比對(duì)鏈路誤差

機(jī)間時(shí)間比對(duì)精度取決于所采用時(shí)間比對(duì)鏈路，衛(wèi)星授時(shí)精度在100 ns量級(jí)，機(jī)間數(shù)據(jù)鏈通過采用雙向時(shí)間同步技術(shù)，可獲得更高的機(jī)間時(shí)間比對(duì)精度。

(2)時(shí)差測量誤差

本架構(gòu)為兼容多種時(shí)間比對(duì)鏈路采取了測量并分發(fā)時(shí)差的方式。時(shí)差測量采用與時(shí)鐘頻率不相關(guān)的數(shù)字TDC(Time to Digital Converter)方法。TDC采用延遲線插入法技術(shù)，智能電路、保持電路和特殊布線方法使芯片可精確地記錄信號(hào)通過門電路的個(gè)數(shù)，最高測量精度由信號(hào)通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時(shí)間決定，最小可達(dá)65 ps。

(3)時(shí)鐘漂移誤差

機(jī)間時(shí)間同步的執(zhí)行周期由數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行調(diào)度，在下一對(duì)時(shí)周期之前，機(jī)間同步時(shí)間主要由原子鐘保持。時(shí)鐘漂移引起的誤差用下式估算:

式中，Δt 為t 時(shí)刻的時(shí)間漂移，A 為頻率源準(zhǔn)確度，D為頻率源老化率。

綜上，多平臺(tái)間時(shí)間同步精度可用下式計(jì)算:

式中，σ1表示長、僚機(jī)平臺(tái)內(nèi)時(shí)間同步誤差，σ2表示時(shí)差測量誤差，σ3表示機(jī)間鏈路兩次對(duì)時(shí)間歇的守時(shí)誤差，σ4表示機(jī)間鏈路對(duì)時(shí)的誤差。從式(3)可以看出，若平臺(tái)間時(shí)間同步誤差前3 項(xiàng)得到了合理的控制，最終同步精度更多地取決于機(jī)間對(duì)時(shí)鏈路的精度。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)的可行性，研制了符合該架構(gòu)規(guī)范的時(shí)頻模塊，實(shí)現(xiàn)了該架構(gòu)中時(shí)間處理層的功能。該時(shí)頻模塊采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過原子鐘鎖定恒溫晶振，提供高穩(wěn)定度超低相噪的頻率基準(zhǔn)，與時(shí)間鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)接口可同時(shí)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)、機(jī)間雙向時(shí)間比對(duì)鏈路、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS /Link 16)等不少于三種的時(shí)間同步鏈路，與時(shí)間應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)接口采用B(DC)、時(shí)差消息方式，可擴(kuò)展終端數(shù)量不少于10 個(gè)。具備9 級(jí)時(shí)間質(zhì)量評(píng)估能力，適用于綜合化航電系統(tǒng)。

基于所設(shè)計(jì)時(shí)頻模塊及以上的架構(gòu)分析，搭建室內(nèi)桌面測試環(huán)境，進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試，以驗(yàn)證該架構(gòu)下的時(shí)間同步性能指標(biāo)，如圖3所示。測試環(huán)境配備了衛(wèi)星授時(shí)和機(jī)間雙向時(shí)間比對(duì)鏈路兩種平臺(tái)間同步手段，具體鏈路資源、衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)及時(shí)頻模塊均集成于綜合機(jī)架。機(jī)間雙向時(shí)間比對(duì)鏈路天線置于暗室，衛(wèi)星授時(shí)天線置于室外。

圖3 時(shí)間同步架構(gòu)桌面測試環(huán)境Fig.3 Desktop test environment for the time synchronization

為配合全功能驗(yàn)證，測試環(huán)境配置了兩臺(tái)時(shí)統(tǒng)終端設(shè)備，用以模擬時(shí)間應(yīng)用層的功能。綜合機(jī)架對(duì)外輸出的基準(zhǔn)頻率、時(shí)碼信號(hào)及通過航電總線發(fā)布的時(shí)差信息均分別接入終端模擬設(shè)備。

通過模擬顯控(圖4)，控制航電系統(tǒng)選用雙向時(shí)間比對(duì)鏈路作為平臺(tái)間主用時(shí)間同步基準(zhǔn)，模擬雙平臺(tái)時(shí)間同步工作狀態(tài)，并將終端模擬設(shè)備輸出的秒脈沖信號(hào)接入計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間同步精度的測試。

圖4 模擬顯控界面Fig.4 Terminal simulator for time synchronization

首先對(duì)待測時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，然后進(jìn)行1 h拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，得到時(shí)間同步誤差測試結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，該架構(gòu)下實(shí)驗(yàn)室桌面測試環(huán)境下時(shí)間同步精度均方根值(RMS)可達(dá)到1.2 ns。

圖5 時(shí)間同步誤差測試結(jié)果Fig.5 Test result of time synchronization error

6 結(jié)束語

本文圍繞時(shí)間同步系統(tǒng)基本要素，對(duì)機(jī)載平臺(tái)可選的技術(shù)手段進(jìn)行了討論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種具有開放式特征的機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)。本文的主要結(jié)論和貢獻(xiàn)如下:

(1)利用機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)的可分性、時(shí)間同步功能模塊的相似性的特點(diǎn)，依據(jù)時(shí)間比對(duì)鏈路、時(shí)間處理中心、使用對(duì)象對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)中各要素進(jìn)行區(qū)分，將機(jī)載時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)分解成時(shí)間鏈路層、時(shí)間處理層和時(shí)間應(yīng)用層，各層之間通過標(biāo)準(zhǔn)開放接口完成信息交互，實(shí)現(xiàn)了層次分明的時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu);

(2)所提出的分層作戰(zhàn)飛機(jī)時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)，在完成平臺(tái)內(nèi)時(shí)間同步和平臺(tái)間時(shí)間同步的同時(shí)，使時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)各層要素均具有良好的開放性。架構(gòu)中時(shí)間比對(duì)鏈路的種類、應(yīng)用終端的數(shù)量均可擴(kuò)展，不會(huì)對(duì)架構(gòu)造成影響。時(shí)間處理層可利用單獨(dú)資源實(shí)現(xiàn)，不會(huì)對(duì)機(jī)載鏈路、應(yīng)用終端和航電架構(gòu)造成影響，從而提高航電綜合集成的效率以及該架構(gòu)在不同平臺(tái)和航電架構(gòu)上的應(yīng)用能力;

(3)搭建了實(shí)驗(yàn)室桌面測試環(huán)境，驗(yàn)證了該架構(gòu)的正確性和可行性，測試結(jié)果表明該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10 ns的時(shí)間同步精度。

本文的架構(gòu)易于嵌入到各類綜合化航電系統(tǒng)中，最終的性能還依賴于更多的測試。今后的研究重點(diǎn)集中在自動(dòng)化標(biāo)定、環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證、飛行測試驗(yàn)證、芯片級(jí)原子鐘以及對(duì)該架構(gòu)的完善優(yōu)化方面。

［1］ 趙福昌.多機(jī)組網(wǎng)試飛時(shí)間同步方案［J］.電訊技術(shù)，2014，54(5):662－667.ZHAO Fuchang. A Time Synchronization Approach for Multi－aircraft Netted Flight Test［J］.Telecommunication Engineering，2014，54(5):662－667.(in Chinese)

［2］ 段求輝.航電系統(tǒng)高精度時(shí)間同步方案［J］. 電訊技術(shù)，2014，54(6):830－834.DUAN Qiuhui. A High Precision Time Synchronization Scheme for Avionics System［J］. Telecommunication Engineering，2014，54(6):830－834.(in Chinese)

［3］ 古悅源.機(jī)載信息融合的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電訊技術(shù)，2013，53(8):1100－1105.GU Yueyuan.Current Research Status and Development of Development of Airborne Informenation Fusion［J］. Telecommunication Engineering，2013，53(8):1100－1105.(in Chinese)

［4］ 王喜，王更辰. 機(jī)－機(jī)雙基地雷達(dá)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電光與控制，2009，16(7):45－48.WANG Xi，WANG Gengchen.Critical Technologies of Bistatic Radar Onboard Airplanes［J］. Electronics Optics and Cotrol，2009，16(7):45－48.(in Chinese)

［5］ 雷科. 機(jī)載雙基地合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)同步問題研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.LEI Ke.Research on Airborne Bistatic Synthetic Aperture Radar System Synchronization［D］. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2009.(in Chinese)

［6］ 王翰.機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差無源定位系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙:國防科技大學(xué)，2006.WANG Han. Research on Some Critical Techinology of TDOA Passive Location System of Airborne［D］. Changsha:National University of Defense Technology，2006.(in Chinese)

［7］ DING Weidong，WANG Jinling，LI Yong，et al.Time Synchronization Error and Calibration in Integrated GPS/INS Systems［J］.ETRI Journal，2008，30(1):59－66.

［8］ 陳伯孝，朱旭花，張守宏.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上多基地雷達(dá)時(shí)間同步技術(shù)［J］. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27(10):1734－ 1737.CHEN Baixiao，ZHU Xuhua，ZHANG Shouhong. Time Synchronization Technique of Multi－ station Radar on Moving Flat［J］. Systems Engineering and Electronics，2005，27(10):1734－ 1737.(in Chinese)

［9］ Celano T，Beckman R，Warriner J，et al.Dynamic Two－Way Time Transfer to Moving Platforms［C］//Proceedings of 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition.Tampa，F(xiàn)L:IEEE，2003:266－272.

［10］ Clano T P，F(xiàn)rancis S P，Gifford G A.Continuous Satellite Two－ Way Time Transfer using Commercial Modems［C］//Proceedings of 2000 IEEE/EIA International Frequrency Control Symposium and Exhibition. Kansas City，MO:IEEE，2000:607－611.