郝士林 嚴(yán) 超 畢 進(jìn)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

總體工程

武器系統(tǒng)基于GPS時(shí)間同步方法研究

郝士林 嚴(yán) 超 畢 進(jìn)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

本文簡(jiǎn)要介紹了GPS授時(shí)原理，并以某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，講述武器系統(tǒng)基于GPS時(shí)間同步方法的改進(jìn)升級(jí)過(guò)程，最后介紹一種基于GPS的時(shí)間自同步方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了這種自同步方法的優(yōu)勢(shì)和可行性。

GPS秒脈沖；時(shí)間自同步；武器系統(tǒng)；

0 引言

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)往往由多個(gè)單體裝備組成，通常包括搜索雷達(dá)車(chē)、指揮車(chē)、導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)、制導(dǎo)雷達(dá)車(chē)等裝備。武器系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)攔截的過(guò)程，同時(shí)也是目標(biāo)信息傳遞與外推、作戰(zhàn)控制指令響應(yīng)的過(guò)程。目標(biāo)信息的外推與傳遞、作戰(zhàn)控制指令的響應(yīng)要求具有嚴(yán)格的時(shí)效性，所以需要為各個(gè)單體建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，使各個(gè)單體間時(shí)間同步。時(shí)間同步手段也因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)的快速發(fā)展而不斷進(jìn)步，精度也在不斷提高[1,2,3]。GPS 時(shí)間同步以 GPS 衛(wèi)星信號(hào)為時(shí)鐘源，具有精度高，穩(wěn)定性好，不易受干擾，且維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在需要進(jìn)行時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

GPS時(shí)間同步是通過(guò) GPS 衛(wèi)星獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，并將這些信息通過(guò)各種類(lèi)型的接口來(lái)傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備。而GPS作為唯一的時(shí)間源頭，能很好的保證各個(gè)裝備之間的時(shí)間同步的準(zhǔn)確性。

1 GPS授時(shí)原理

GPS是美國(guó)國(guó)防部研制開(kāi)發(fā)的一套用于精確定位三維坐標(biāo)以及提供高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，GPS時(shí)間系統(tǒng)以原子頻率標(biāo)準(zhǔn)作為時(shí)間基準(zhǔn)[4]，GPS 接收機(jī)只要接收到 1 顆 GPS 衛(wèi)星的信號(hào)就能保證時(shí)鐘的準(zhǔn)確性[5]。

某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，主戰(zhàn)裝備由搜索雷達(dá)車(chē)、指揮車(chē)和多輛導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)組成。各個(gè)裝備內(nèi)部時(shí)間分別來(lái)自于搜索雷達(dá)車(chē)的信號(hào)處理機(jī)、指揮車(chē)的指令發(fā)射機(jī)和導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)控制計(jì)算機(jī)。時(shí)間同步是各個(gè)單體分別以GPS為的時(shí)間數(shù)據(jù)和秒脈沖信號(hào)為基準(zhǔn)源，秒脈沖信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)使用[6],形成單體的時(shí)間，GPS時(shí)間同步數(shù)據(jù)流示意圖見(jiàn)下圖。其中，GPS會(huì)每秒輸出一次脈沖信號(hào)，每100ms輸出一次GPS數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)包括日期、時(shí)間、定位定向信息。

2 時(shí)間自同步方法設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)間同步方法一

這種時(shí)間同步方法依賴于GPS的秒脈沖信號(hào)和GPS數(shù)據(jù)。當(dāng)秒脈沖信號(hào)到來(lái)后的500ms取GPS數(shù)據(jù)中的日期和時(shí)分秒作為本地時(shí)間的日期和時(shí)分秒，秒脈沖信號(hào)作為時(shí)間秒的累積激勵(lì)，在兩個(gè)秒脈沖信號(hào)間以1ms為單位采用內(nèi)插法進(jìn)行內(nèi)插得到毫秒,當(dāng)毫秒內(nèi)插變量?jī)?nèi)插到1s后，內(nèi)插變量重新從1內(nèi)插，在秒脈沖信號(hào)到來(lái)的下降沿秒加1，且內(nèi)插變量清零，日期、時(shí)分秒和毫秒求和按時(shí)間格式輸出本地時(shí)間。此時(shí)間同步方法實(shí)現(xiàn)流程圖如下。

2.2 時(shí)間同步方法二

時(shí)間同步方法二是時(shí)間同步方法一的改進(jìn)型，基本原理與同步方法一相同，不同之處在于當(dāng)毫秒累計(jì)變量累計(jì)到1s時(shí)，秒加1，在因毫秒計(jì)數(shù)變量帶來(lái)的秒增加的500ms內(nèi)秒脈沖到來(lái)，秒不加1，內(nèi)插變量不清0。

2.3 時(shí)間自同步方法

時(shí)間自同步方法是通過(guò)GPS秒脈沖信號(hào)和GPS數(shù)據(jù)完成一次時(shí)間同步后，可不在需要GPS信息，同步設(shè)備自己產(chǎn)生并維持同步秒脈沖信號(hào)，同步秒脈沖脈寬與秒脈沖一致，如果GPS存在，可根據(jù)GPS秒脈沖進(jìn)行同步秒脈沖的修正。

同步設(shè)備接收到秒脈沖信號(hào)時(shí)，在秒脈沖的上升沿，形成同步秒脈沖信號(hào)，此時(shí)同步設(shè)備有了秒的基準(zhǔn)，秒脈沖信號(hào)的實(shí)時(shí)性比串口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性好，故在秒脈沖信號(hào)到來(lái)后的500ms，為此秒脈沖信號(hào)取絕對(duì)時(shí)刻日期和時(shí)分秒，后續(xù)產(chǎn)生的同步秒脈沖信號(hào)可與GPS信號(hào)進(jìn)行同步，若同步秒脈沖信號(hào)與GPS秒脈沖信號(hào)時(shí)延差大于5ms，則不同步，若小于5ms，與秒脈沖信號(hào)同步，在第二個(gè)同步秒脈沖信號(hào)形成后，同步設(shè)備可對(duì)外授時(shí)，完成時(shí)間同步。時(shí)間自同步流程見(jiàn)圖4。

3 仿真分析

3.1 測(cè)試方法

在信號(hào)處理機(jī)、指令發(fā)射機(jī)和發(fā)射車(chē)控制計(jì)算機(jī)正常，且使用相同批次同品牌GPS的情況下，武器系統(tǒng)采用被復(fù)線連接的有線通信方式。在指揮車(chē)的火力控制終端通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)發(fā)射車(chē)與指揮車(chē)的通信時(shí)延，模擬某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的GPS在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的異常狀況，對(duì)比分析時(shí)間同步方法的差異。

指揮車(chē)火力控制終端通信監(jiān)測(cè)區(qū)主要監(jiān)測(cè)指揮車(chē)與雷達(dá)車(chē)和發(fā)射車(chē)的通信狀態(tài)和通信時(shí)延，雷達(dá)車(chē)、指揮車(chē)火力控制計(jì)算機(jī)和發(fā)射車(chē)分別以“SRV”“FCU”和“MLV”表示。直線表示為綠色表示通信正常，通信線上的數(shù)字表示指揮車(chē)與雷達(dá)車(chē)或指揮車(chē)與發(fā)射車(chē)的時(shí)間差，單位為秒。在有線通信的模式下，與雷達(dá)車(chē)的時(shí)延為90到150ms，與發(fā)射車(chē)的時(shí)延差為15到30ms，見(jiàn)圖5紅色圓圈處所示。

3.2 結(jié)果分析

雷達(dá)車(chē)和指揮車(chē)GPS正常，發(fā)射車(chē)GPS數(shù)據(jù)正常，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間同步完成后，通過(guò)拆裝發(fā)射車(chē)GPS秒脈沖輸出信號(hào)線纜模擬秒脈沖偶然丟失：以時(shí)間同步方法一進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，當(dāng)發(fā)射車(chē)秒脈沖檢測(cè)失敗時(shí)，指揮車(chē)與發(fā)射車(chē)的時(shí)間差會(huì)跳秒，見(jiàn)圖5左圖中的紅色數(shù)字，顯示指揮車(chē)超前發(fā)射車(chē)1.026s。而采用時(shí)間同步方法二和自同步方法進(jìn)行時(shí)間同步后，通過(guò)模擬秒脈沖信號(hào)丟失，未發(fā)現(xiàn)時(shí)間跳秒的現(xiàn)象，見(jiàn)圖5的右圖和圖6。

從圖2時(shí)間同步方法一流程圖可以看出：發(fā)射車(chē)的第32s的秒脈沖沒(méi)有檢測(cè)成功，致使發(fā)射車(chē)秒未能進(jìn)位，而毫秒內(nèi)插變量，內(nèi)插到1s后自動(dòng)清零，也是導(dǎo)致秒丟失的主要原因之一，發(fā)射車(chē)狀態(tài)上報(bào)時(shí)，32s的GPS時(shí)間數(shù)據(jù)沒(méi)有到來(lái)，取得的是31s的時(shí)間，也是導(dǎo)致發(fā)射車(chē)時(shí)間變慢1秒的另一個(gè)原因，如果發(fā)射車(chē)收到32s的GPS數(shù)據(jù)，時(shí)間就會(huì)變正常，會(huì)存在偶爾跳1s的現(xiàn)象。

從圖3時(shí)間同步方法二流程圖可以看出：如果秒脈沖短時(shí)間丟失，毫秒累計(jì)變量會(huì)自動(dòng)向秒累積，短時(shí)間不會(huì)對(duì)授時(shí)產(chǎn)生影響。但如果秒脈沖長(zhǎng)時(shí)間丟失，由于計(jì)算機(jī)定時(shí)器的精度的限制，長(zhǎng)時(shí)間使用計(jì)算機(jī)時(shí)間累加秒，也會(huì)帶來(lái)時(shí)間偏移的現(xiàn)象。

從圖4時(shí)間自同步方法流程圖可以看出：當(dāng)時(shí)間同步完成后，同步設(shè)備僅是使用秒脈沖信號(hào)進(jìn)行同步秒脈沖的修正，同步設(shè)備的同步秒脈沖偏移量在24小時(shí)，不會(huì)超過(guò)15ms，即便秒脈沖信號(hào)丟失，甚至關(guān)閉GPS，偏移帶來(lái)的誤差也能滿足作戰(zhàn)使用。

b、指揮車(chē)和發(fā)射車(chē)GPS工作正常，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間同步完成后，通過(guò)拆裝雷達(dá)車(chē)GPS串口數(shù)據(jù)接口，模擬雷達(dá)車(chē)GPS串口數(shù)據(jù)連續(xù)丟幀：

以時(shí)間同步方法一、時(shí)間同步方法二和時(shí)間自同步方法時(shí)，指揮車(chē)與雷達(dá)車(chē)時(shí)延都正常。

從圖2和圖3兩種時(shí)間同步方法流程圖可以看出：絕對(duì)時(shí)間來(lái)自于秒脈沖和GPS數(shù)據(jù)，秒的累加來(lái)自與秒脈沖，絕對(duì)時(shí)間來(lái)自于GPS時(shí)間，但是GPS絕對(duì)時(shí)間丟失時(shí)，GPS秒脈沖和內(nèi)插變量也能維持時(shí)間對(duì)外授時(shí)，所以雷達(dá)車(chē)丟失GPS時(shí)間數(shù)據(jù)后，以收到的最新的GPS絕對(duì)時(shí)間為基礎(chǔ)，以秒脈沖信號(hào)為激勵(lì)累加秒的信息，獲取絕對(duì)時(shí)間。當(dāng)GPS時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間丟失時(shí)，也不會(huì)帶來(lái)時(shí)間的偏移。時(shí)間自同步方法因授時(shí)的獨(dú)立性，故時(shí)間正常。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

同步方法一對(duì)GPS依賴性最強(qiáng)，它以GPS數(shù)據(jù)為絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)，以秒脈沖信號(hào)為時(shí)間累加信號(hào)量，當(dāng)秒脈沖丟失后且丟失秒的GPS數(shù)據(jù)沒(méi)有到來(lái)的那一時(shí)刻，無(wú)法完成秒的累加，會(huì)造成慢1s，影響系統(tǒng)作戰(zhàn)，但GPS數(shù)據(jù)丟失，不會(huì)對(duì)授時(shí)產(chǎn)生影響；同步方法二對(duì)GPS依賴性較強(qiáng)，它以GPS絕對(duì)時(shí)間為時(shí)間基準(zhǔn)，以GPS秒脈沖或者內(nèi)插毫秒變量為激勵(lì)，完成秒的累加，只當(dāng)GPS秒脈沖長(zhǎng)時(shí)間丟失時(shí)，會(huì)帶來(lái)授時(shí)的偏移。

自同步方法對(duì)GPS依賴性弱，當(dāng)授時(shí)完成后，內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生同步秒脈沖完成授時(shí)，僅使用秒脈沖修正產(chǎn)生的同步秒脈沖。當(dāng)工作中GPS不穩(wěn)定、GPS突然故障或者GPS信號(hào)受干擾，甚至關(guān)閉GPS也不會(huì)對(duì)授時(shí)產(chǎn)生影響，能保證作戰(zhàn)任務(wù)的順利執(zhí)行。而且自同步方法只需在雷達(dá)車(chē)、指揮車(chē)和發(fā)射車(chē)現(xiàn)有的硬件上增加功能，無(wú)需額外增加硬件設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型防空導(dǎo)彈系統(tǒng)為背景，講述了此系統(tǒng)時(shí)間同步方法的改進(jìn)過(guò)程，由于篇幅原因，只模擬外場(chǎng)試驗(yàn)中GPS出現(xiàn)的兩種故障，得到了仿真結(jié)果圖，以理論為基礎(chǔ)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最終得出時(shí)間自同步方法在不投入硬件的前提下，只需增加軟件的功能，將武器系統(tǒng)對(duì)GPS的依賴性降到最低。在長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)中，這種自同步方法具有很強(qiáng)的可靠性，可以用于對(duì)時(shí)間同步性要求較高的武器系統(tǒng)中。

[1] 趙當(dāng)麗，胡永輝.關(guān)于“長(zhǎng)河二號(hào)”導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間同步及授時(shí)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2003,26(1)：61-68.

[2] Koppang,p.;Wheeler,p. Working application of TWSTT for high precision remote synchronization [A]. Proceeding of the IEEE International Symposium On Frequency Control[C],1998:273-277.

[3] 楊旭海.GPS共視時(shí)間頻率傳遞應(yīng)用研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院，2002.

[4] 董劍利,周丹.通用 GPS 授時(shí)同步監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2007,(128):3006-3007.

[5] 屈俐俐.GPS定時(shí)接收機(jī)的校準(zhǔn)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào),2005,28(2):131-135.

[6] 黨曉圓.衛(wèi)星授時(shí)校頻系統(tǒng)研究[M].湖南.湖南大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，2009.

[7] 時(shí)統(tǒng)設(shè)備通用規(guī)范(GJB2242-98)[S].國(guó)防科工委軍標(biāo)出版社發(fā)行部，1995.

[8] 江威.具有高精度GPS授時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)通信與信息專業(yè),2012.

GPSTimebasedSynchronizationofWeaponSystem

Hao Shilin, Yan Chao, Bi Jin

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Principle of GPS time issuing is introduced. By taking some air defense missile system as an example, improvement process of synchronization based on GPS time is described. A time auto-synchronization method based on GPS is introduced; advantages and feasibility of the method is verified through simulation.

GPS pulse per second, time auto-synchronization, weapon system

2017-06-05

郝士林(1984-)，男，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)。

TN97

A

1008-8652(2017)03-001-05