金 虎 王玉松

（1.91404部隊(duì) 秦皇島 066200）（2.海軍裝備部裝備審價(jià)中心 北京 100071）

1 引言

不同水面艦艇的多個(gè)平臺(tái)協(xié)同防空作戰(zhàn)，通過統(tǒng)一指揮和信息共享，可以根據(jù)不同水面艦艇空間分布位置的不同和探測(cè)裝備性能的差異，充分發(fā)揮不同平臺(tái)在空間位置和裝備性能上的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高的作戰(zhàn)效能，大大提高艦艇編隊(duì)的防空效率。為了能夠使不同水面艦艇的多個(gè)平臺(tái)能夠在統(tǒng)一的控制信息下協(xié)同運(yùn)作，并及時(shí)有效地分享探測(cè)數(shù)據(jù)，就必須通過時(shí)間同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)的時(shí)間同步。

時(shí)間的同步可以分為粗略時(shí)間同步和精確的時(shí)間同步。其中精確的時(shí)間同步屬于微計(jì)時(shí)學(xué)的領(lǐng)域，廣泛的用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。多個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)和武器裝備系統(tǒng)在時(shí)間同步系統(tǒng)提供的控制信息、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息和標(biāo)準(zhǔn)頻率信息的協(xié)調(diào)下，也可以在進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)處理時(shí)保持高精度的同步運(yùn)行，達(dá)到多個(gè)平臺(tái)可以協(xié)同運(yùn)作和共享探測(cè)信息的目的［1]。

2 多平臺(tái)協(xié)同防空系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求

多平臺(tái)協(xié)同防空系統(tǒng)通常由分布的多個(gè)探測(cè)警戒雷達(dá)系統(tǒng)、艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)、各級(jí)指揮和自動(dòng)化系統(tǒng)等多個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)組成。各個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)協(xié)同工作，完成高數(shù)據(jù)率信息的實(shí)時(shí)采集、處理、分發(fā)、共享和協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測(cè)的作戰(zhàn)模式，使多平臺(tái)協(xié)同防空相對(duì)于各平臺(tái)分別防空具有更高的運(yùn)作效率和作戰(zhàn)使用效能。在這種作戰(zhàn)模式下，需要有粗略的時(shí)間同步，保證協(xié)同防空系統(tǒng)各平臺(tái)之間指令和控制信息的準(zhǔn)確識(shí)別，也需要有精確的時(shí)間同步，保證各平臺(tái)之間共享的數(shù)據(jù)信息具有精確的時(shí)間標(biāo)志［2～3]。

另一方面，每個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)也往往包含多個(gè)獨(dú)立或不獨(dú)立的子系統(tǒng)和設(shè)備，也需要進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間同步。以探測(cè)警戒雷達(dá)系統(tǒng)為例，探測(cè)警戒雷達(dá)系統(tǒng)一般就是由多個(gè)同型號(hào)或不同型號(hào)的警戒雷達(dá)和目標(biāo)指示雷達(dá)組網(wǎng)構(gòu)成的，一個(gè)雷達(dá)把目標(biāo)的坐標(biāo)信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)經(jīng)過誤差校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換之后共享分發(fā)給其他組網(wǎng)雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他雷達(dá)的引導(dǎo)和輔助探測(cè)。由于組網(wǎng)雷達(dá)在空間上是分布配置的，工作方式、工作頻段和數(shù)據(jù)率也不盡相同。通過雷達(dá)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)信息的實(shí)時(shí)共享、高效共享和可靠共享［4]。在協(xié)同防空工作方式下，雷達(dá)與雷達(dá)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的過程中，由于數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)傳遞等時(shí)延環(huán)節(jié)的存在，必須對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)添加時(shí)間標(biāo)識(shí)，從而使接收到共享數(shù)據(jù)信息的雷達(dá)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間來計(jì)算共享數(shù)據(jù)信息的延時(shí)量。接收共享數(shù)據(jù)信息的雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的延時(shí)量進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證共享數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性［5]。

綜上，無論是協(xié)同防空系統(tǒng)的各個(gè)平臺(tái)之間，還是各個(gè)平臺(tái)內(nèi)部系統(tǒng)之間，都需要滿足相應(yīng)精度需求的時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)間同步信號(hào)，用于協(xié)同不同系統(tǒng)之間的動(dòng)作、標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)間信息和補(bǔ)償共享數(shù)據(jù)信息的延時(shí)量。多平臺(tái)協(xié)同運(yùn)作時(shí)必須有時(shí)間同步系統(tǒng)提供滿足相應(yīng)精度要求的同步信號(hào)。

3 多平臺(tái)時(shí)間同步技術(shù)分析

現(xiàn)階段，已經(jīng)發(fā)展出多種技術(shù)來構(gòu)建時(shí)間同步系統(tǒng)，用于解決多平臺(tái)之間時(shí)間同步需求。

多時(shí)間源兼容技術(shù)：采用多個(gè)獨(dú)立的時(shí)間源并行工作，通過算法和技術(shù)解決各個(gè)時(shí)間源的工作狀態(tài)檢測(cè)評(píng)估、有效時(shí)間源的自動(dòng)選擇和多個(gè)同步信號(hào)的兼容融合。多個(gè)時(shí)間源并行工作，可以極大地提高時(shí)間同步的可靠性和抗干擾性，提高設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力。

自主基準(zhǔn)共視比對(duì)技術(shù)：設(shè)置一個(gè)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)間同步信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)，該時(shí)間基準(zhǔn)具有機(jī)動(dòng)性，能夠在一定區(qū)域范圍內(nèi)以超短波或微波進(jìn)行廣播，各個(gè)平臺(tái)的時(shí)統(tǒng)設(shè)備分別接收同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該技術(shù)通過設(shè)置機(jī)動(dòng)的自主時(shí)間基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)多個(gè)平臺(tái)的自主同步，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離相對(duì)時(shí)間同步的常用技術(shù)。共視比對(duì)的時(shí)間同步方法，在民用上常借助于衛(wèi)星信號(hào)，或者電視、通信等有固定時(shí)間標(biāo)志的信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

雙向比對(duì)技術(shù)：在多個(gè)平臺(tái)站點(diǎn)中指定一個(gè)基準(zhǔn)站，其他各個(gè)平臺(tái)站點(diǎn)分別與基準(zhǔn)站雙向傳遞同步信號(hào)，通過對(duì)比同步信號(hào)，各個(gè)站點(diǎn)計(jì)算出自己與基準(zhǔn)站的同步誤差并對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步。雙向比對(duì)技術(shù)通?？梢越柚l(wèi)星通信、光纖通信、微波通信等手段實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)：在對(duì)時(shí)間同步的精度要求不高的情況下，可以利用數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式的精度往往相對(duì)較低，不適合用于數(shù)據(jù)信息傳遞網(wǎng)絡(luò)，但是對(duì)于指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用卻可以滿足使用需求，而且很容易實(shí)現(xiàn)大范圍的時(shí)間同步［6～8]。

不同的時(shí)間同步技術(shù)在可靠性、授時(shí)精度、授時(shí)范圍、實(shí)現(xiàn)方式等方面具有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。多平臺(tái)協(xié)同系統(tǒng)中既有低速率、低授時(shí)精度的控制指令等的信息傳遞和分發(fā)，也有高速率、高精度的目標(biāo)信息和處理數(shù)據(jù)的共享和傳遞，往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需求使用兩種或多種技術(shù)手段來構(gòu)建時(shí)間同步系統(tǒng)［9]。

4 時(shí)間同步誤差對(duì)目標(biāo)定位測(cè)量精度的影響

防空作戰(zhàn)中，對(duì)目標(biāo)的定位主要是由雷達(dá)系統(tǒng)來完成的。由于各個(gè)雷達(dá)平臺(tái)在空間分布配置、工作方式、探測(cè)威力、探測(cè)精度、工作頻段等的不同，采用多平臺(tái)組網(wǎng)協(xié)同防空的作戰(zhàn)模式可以增加探測(cè)威力，提高對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，但是在數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)共享過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息時(shí)間同步誤差直接影響了所傳遞和共享的數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確度。分析時(shí)間同步誤差對(duì)目標(biāo)定位測(cè)量精度的影響，對(duì)提升目標(biāo)定位精度和作戰(zhàn)效能評(píng)估都具有十分重要的意義［10～12]。

4.1 輔助跟蹤條件下的時(shí)間同步誤差影響

如圖1所示，在輔助跟蹤條件下，一個(gè)雷達(dá)平臺(tái)（O點(diǎn)）接收到其他平臺(tái)共享的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后目標(biāo)相對(duì)于本平臺(tái)的位置為A點(diǎn)（斜距r，方位角α，俯仰角β），假設(shè)兩個(gè)平臺(tái)之間存在時(shí)間同步誤差，那么目標(biāo)的真實(shí)位置可能會(huì)在另外一個(gè)位置B點(diǎn)。AB之間的距離就是兩者之間的空間相對(duì)距離s，且s等于目標(biāo)的飛行速度v和時(shí)間同步誤差Δt的乘積。如果平臺(tái)之間的時(shí)間同步誤差越大，目標(biāo)的飛行速度越快，那么共享目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的誤差越大，數(shù)據(jù)信息的有效性也越低。

圖1 輔助跟蹤條件下時(shí)間同步誤差對(duì)目標(biāo)定位精度影響示意圖

4.2 交叉定位條件下的時(shí)間同步誤差影響

如圖2所示，在交叉定位工作模式下，O1（x1，y1，z1）平臺(tái)和O2（x2，y2，z2）平臺(tái)分別被動(dòng)接收目標(biāo)A（x，y，z）發(fā)出的輻射信號(hào)，測(cè)量得到目標(biāo)的參數(shù)信息為：方位角α，俯仰角β。由于O1平臺(tái)通過被動(dòng)跟蹤的方式測(cè)得了目標(biāo)參數(shù)（α1，β1），根據(jù)幾何原理，只需要結(jié)合 O2平臺(tái)測(cè)得的目標(biāo)參數(shù)（α2，β2）中的一個(gè)值，就可以通過交叉定位的方式確定測(cè)量目標(biāo)的位置［10]。反之O2平臺(tái)也可以通過測(cè)得的目標(biāo)參數(shù)（α2，β2），結(jié)合O1平臺(tái)測(cè)得的α1或者β1，也可以確定測(cè)量目標(biāo)的位置。下面以O(shè)1平臺(tái)為例，結(jié)合O2平臺(tái)的方位角α2參數(shù)解算測(cè)量目標(biāo)的斜距信息R。

其中L是O1平臺(tái)與O2平臺(tái)的距離。

圖2 交叉定位條件下時(shí)間同步誤差對(duì)目標(biāo)定位精度影響示意圖

假設(shè)O1和O2兩個(gè)平臺(tái)之間存在時(shí)間同步誤差Δt，存在時(shí)間同步誤差情況下兩平臺(tái)通過交叉定位確定的目標(biāo)位置為B點(diǎn)。如圖2所示，A、B在x-y平面的投影分別為A′、B′，A、B在x軸的投影分別為C、D，作B′在A′C上的垂線，垂線與A′B′的夾角為θ，在那么解算得出的目標(biāo)斜距信息R1為

其中：

O2平臺(tái)對(duì)目標(biāo)方位角測(cè)量結(jié)果的均方差為

那么考慮時(shí)間同步誤差后，O1平臺(tái)對(duì)目標(biāo)斜距R'1的均方差為

其中，L是O1平臺(tái)與O2平臺(tái)的距離，σL是L的均方根誤差，σα1，σα2，σβ1分別是目標(biāo)方位角α1，α2和俯仰角β1的均方根誤差。

由式中可以看出，交叉定位條件下，兩平臺(tái)之間的時(shí)間同步誤差越大，目標(biāo)定位的距離精度就越差（由于目標(biāo)位置信息中的方位角、俯仰角信息本平臺(tái)可以直接測(cè)量得到，所以目標(biāo)定位的方位角、俯仰角精度只和本平臺(tái)的測(cè)量精度有關(guān)）。同時(shí)，如果多平臺(tái)協(xié)同防空系統(tǒng)具有明確的精度指標(biāo)要求時(shí)，可以由上式反過來確定協(xié)同防空系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間同步精度的最低要求。

5 結(jié)語

水面艦艇多平臺(tái)協(xié)同防空時(shí)，能夠通過統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)信息共享來有效地提高作戰(zhàn)效能，但是不同平臺(tái)之間的時(shí)間同步誤差對(duì)整個(gè)防空系統(tǒng)目標(biāo)定位的精度有負(fù)面影響。時(shí)間同步誤差越大，目標(biāo)定位的精度越低，多平臺(tái)協(xié)同防空的效率也越低。文中分析了水面艦艇多平臺(tái)協(xié)同防空對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)的需求，討論了時(shí)間同步系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，分析并建立了時(shí)間同步誤差對(duì)定位精度影響的數(shù)學(xué)模型。

通過分析時(shí)間同步誤差對(duì)目標(biāo)定位測(cè)量精度的影響，可以明確在滿足作戰(zhàn)需求的條件下，時(shí)間同步系統(tǒng)所需要滿足的精度，也可以分析出在現(xiàn)有時(shí)間同步精度條件下，目標(biāo)定位測(cè)量誤差的范圍。