(軍械工程學(xué)院,河北石家莊050003)

0 引言

雙基地體制雷達(dá)由于接收機(jī)靜默工作、收發(fā)分置而具有良好的反偵察、抗反輻射導(dǎo)彈、抗干擾、反隱身隱蔽的“四抗”能力。常規(guī)的地-地雙基地雷達(dá)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)易于精確定位且位置固定,可以采用一定的通信鏈路進(jìn)行時(shí)間同步與頻率同步處理[1]。但空-地雙基地雷達(dá)發(fā)射機(jī)安裝在運(yùn)動的空中平臺上,位置不斷變化,不利于高精度同步的實(shí)現(xiàn)[2]。因此,同步問題是需要解決的重點(diǎn)問題。同步問題包括3個(gè)方面,即頻率同步、空間同步和時(shí)間同步。針對發(fā)射機(jī)置于小型無人機(jī)上的戰(zhàn)場偵察空-地雙基地雷達(dá)空間同步問題,文獻(xiàn)[3]已經(jīng)進(jìn)行了研究和分析。本文主要討論該空-地雙基地雷達(dá)的時(shí)間同步問題。研究雙基地雷達(dá)利用GPS時(shí)間信號,對高穩(wěn)恒溫晶振進(jìn)行校頻,實(shí)現(xiàn)收發(fā)站的時(shí)間同步。最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證此方法的可行性。

1 空-地雙基地雷達(dá)時(shí)間同步

合作式雙基地雷達(dá)是依據(jù)接收的回波相對發(fā)射信號的時(shí)延來測量目標(biāo)距離的,所以發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間嚴(yán)格的時(shí)間同步是準(zhǔn)確定位目標(biāo)的前提。此外,時(shí)間同步還是收、發(fā)之間頻率同步的基準(zhǔn)。不僅如此,對采用脈沖追趕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)空間同步的空-地雙基地雷達(dá)[3],計(jì)算脈沖追趕時(shí)間表需要高精度的同步時(shí)間。實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方案主要有直達(dá)波同步法、直接同步法和間接同步法[4]。其基本原理及特點(diǎn)如表1所示。

表1 時(shí)間同步方案比較

直達(dá)波同步法需要設(shè)置專門的信道來提取同步信號,存在多徑效應(yīng)和信雜噪比等問題[5],適用于發(fā)射功率較大且收發(fā)站距離不遠(yuǎn)的情況。一般應(yīng)用于非合作雙基地雷達(dá)。

直接同步法是將發(fā)射機(jī)的觸發(fā)脈沖經(jīng)數(shù)據(jù)鏈直接送至接收機(jī),目前常采用的是微波或光纖直接同步法,但同步精度較低[6]。

間接同步法是將獨(dú)立的時(shí)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)雙/多基地的時(shí)間同步,同步精度取決于時(shí)鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。常用的時(shí)鐘授時(shí)方案有衛(wèi)星授時(shí)、短波授時(shí)、長波授時(shí)、內(nèi)部時(shí)鐘授時(shí)[4]。其中,短波授時(shí)與長波授時(shí)受地理環(huán)境影響較大[7];衛(wèi)星授時(shí)精度較高,可以達(dá)到納秒級的量級,但存在一定抖動和衛(wèi)星失鎖的情況,導(dǎo)致較大的誤差[8];內(nèi)部時(shí)鐘如原子鐘和高穩(wěn)定度晶振穩(wěn)定性較好,但長時(shí)間運(yùn)行累積誤差較大[9]。

在對空-地雙基地雷達(dá)進(jìn)行時(shí)間同步研究時(shí),需要作以下考慮:

1)通常要求的時(shí)間同步精度為發(fā)射脈沖寬度的幾分之一量級,根據(jù)文獻(xiàn)[2]對發(fā)射機(jī)置于小型無人機(jī)上的空-地雙基地雷達(dá)的研究,該系統(tǒng)時(shí)間同步精度應(yīng)達(dá)到數(shù)十納秒的量級,采用微波或光纖直接同步法無法達(dá)到該要求。

2)受空中平臺載重限制和尺寸限制,應(yīng)盡量減少附加設(shè)備數(shù)量[10]。短波授時(shí)和長波授時(shí)需要專門的接收設(shè)備,而衛(wèi)星授時(shí)與衛(wèi)星定位用一個(gè)衛(wèi)星信號接收設(shè)備,同時(shí)為時(shí)間同步和空間同步提供基準(zhǔn)。

綜合以上各個(gè)方法的原理和特點(diǎn),可采用衛(wèi)星授時(shí)作為雷達(dá)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。目前衛(wèi)星授時(shí)主要有GPS授時(shí)和北斗授時(shí),GPS授時(shí)有單站法和共視法兩種,其精度可達(dá)5～20 ns[11];北斗授時(shí)有單向和雙向兩種,時(shí)間同步精度可達(dá)到數(shù)十納秒的量級[12]。由此可見,衛(wèi)星授時(shí)精度已達(dá)到空地雙基地雷達(dá)系統(tǒng)要求,但衛(wèi)星接收機(jī)輸出的時(shí)間信號存在較大的隨機(jī)誤差,穩(wěn)定性差。相比之下,晶振和原子鐘隨機(jī)誤差小?，F(xiàn)擬采用晶振與衛(wèi)星授時(shí)結(jié)合的同步方案為空-地雙基地雷達(dá)進(jìn)行時(shí)間同步。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)上各置同樣標(biāo)準(zhǔn)的高穩(wěn)可調(diào)晶振與衛(wèi)星信號接收機(jī),將晶振分頻所得的秒信號與GPS或北斗的秒脈沖信號(1 pps)進(jìn)行數(shù)字鑒相,結(jié)合晶振的壓控特性[13],得到對晶振的控制修正電壓,最終使晶振鎖定在衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)秒信號上,得到準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都較高的時(shí)間信號,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中,時(shí)鐘馴服單元選用FPGA作為主控器,對秒信號進(jìn)行鑒相,將鑒相值進(jìn)行濾波處理并轉(zhuǎn)化為控制電壓,最后將電壓值送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器得出控制修正電壓,經(jīng)可控晶振振蕩器的EFC(Electronic Frequency Control)端達(dá)實(shí)現(xiàn)對晶振頻率和相位的控制,得到同步脈沖信號。同步系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 同步系統(tǒng)硬件電路框圖

2 硬件實(shí)現(xiàn)及性能分析

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)的時(shí)間同步模塊輸出10MHz的同步信號及1 pps信號,狀態(tài)監(jiān)測區(qū)可監(jiān)測是否鎖定衛(wèi)星信號,待衛(wèi)星信號鎖定成功后模塊可正常工作。

對時(shí)間同步模塊進(jìn)行測量時(shí),選用Pendulum公司的CNT-90頻率計(jì),控制面板如圖3所示。其頻率范圍最高可達(dá)60 GHz,頻率測量分辨率為12 bit/s,顯示位數(shù)最多為14 bit,滿足測試精度要求。該型號頻率計(jì)可通過USB接口或GPIB接口與計(jì)算機(jī)連接,將測量數(shù)據(jù)上傳,便于進(jìn)一步計(jì)算。

圖3 CNT-90控制面板

衡量晶振性能的主要指標(biāo)包括穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性等[14]。頻率穩(wěn)定度是用來在時(shí)域描述原子鐘輸出信號頻率受噪聲影響起伏的大小,最為常用的指標(biāo)是阿倫方差[15]。頻率準(zhǔn)確度定義為輸出頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值的相對偏差[16]。為衡量時(shí)間同步系統(tǒng)性能,選用Time View軟件計(jì)算測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。Time View軟件可以達(dá)到10 ns的采樣間隔,能夠計(jì)算出阿倫方差等統(tǒng)計(jì)量,準(zhǔn)確反映時(shí)間同步系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。

實(shí)驗(yàn)中,為準(zhǔn)確評估時(shí)間同步模塊長時(shí)間和短時(shí)間的性能,選取采樣間隔分別為1μs及1 s。作為比對,選取同樣型號的晶振但不采用衛(wèi)星授時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn),分析統(tǒng)計(jì)特性。對設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱后,在相同環(huán)境下進(jìn)行測量,結(jié)果如圖4所示。

圖4 時(shí)間同步模塊測量結(jié)果

有衛(wèi)星授時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí):當(dāng)采樣間隔為1μs,測得方差為2.866 924 742 987 k Hz,頻率范圍為9.999 016 763 352～10.001 883 688 09MHz,均值為10.000 295 834 7MHz。當(dāng)采樣間隔為1 s,測得方差為2.692 369 744 182MHz,頻率范圍為10.000 000 026 96～10.000 000 029 65MHz,均值為10.000 000 028 43MHz。

無衛(wèi)星授時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí):當(dāng)采樣間隔為1μs,測得方差為2.091 790 451 983 k Hz,頻率范圍為9.999 250 056 246～10.001 341 846 7MHz,均值為10.000 217 824 47MHz。當(dāng)采樣間隔為1 s,測得方差為238.909 596 644 3 Hz,頻率范圍為9.999 761 724 797～10.000 000 634 39MHz,均值為9.999 951 246 677MHz。

由以上4組數(shù)據(jù)可以看出,由于采用了衛(wèi)星授時(shí)對晶振進(jìn)行校準(zhǔn),同步模塊長時(shí)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于晶振輸出頻率,頻率準(zhǔn)確性提高3個(gè)數(shù)量級。根據(jù)均值及頻率范圍估算可知,時(shí)間同步模塊授時(shí)的精度達(dá)到了納秒級。由于衛(wèi)星授時(shí)每秒進(jìn)行一次校準(zhǔn),二者短時(shí)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性相差不大。

對于空-地雙基地雷達(dá),時(shí)間同步精度達(dá)到脈沖寬度的幾分之一即可滿足雷達(dá)信號處理的要求。對于采用脈沖壓縮技術(shù)的雷達(dá),有效脈寬為信號帶寬的倒數(shù),如對于帶寬為40MHz的雷達(dá),其有效脈寬約為25 ns。納秒級的同步精度高于這一指標(biāo)要求。因此,可以得出結(jié)論,衛(wèi)星校準(zhǔn)技術(shù)解決了晶振累積誤差較高的問題,提高了長時(shí)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,能應(yīng)用于空-地雙基地雷達(dá)的時(shí)間同步。

3 結(jié)束語

相對于地基雙基地雷達(dá)而言,發(fā)射機(jī)置于小型無人機(jī)上的戰(zhàn)場偵察空-地雙基地雷達(dá)有著更復(fù)雜的設(shè)計(jì)與考慮,對時(shí)間同步的要求更高,實(shí)現(xiàn)難度更大。本文通過分析各個(gè)同步方案的基本原理和特點(diǎn),提出利用高穩(wěn)晶振與衛(wèi)星授時(shí)結(jié)合的方法對系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案能夠顯著提高晶振的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,減小同步誤差。在實(shí)際同步過程中,考慮到工作環(huán)境等因素,可能還需要多方面的測試與調(diào)整。

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