倪 磊，黃 镠，顧 蘇，陳文攀

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭艦載作戰(zhàn)平臺的機(jī)動性能大大增強(qiáng)和遠(yuǎn)程制導(dǎo)武器的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)傳感器作為戰(zhàn)場的千里眼迫切要求其能夠及早發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)?，F(xiàn)有武器裝備受到單平臺雷達(dá)傳感器的類型、精度及其視距的限制，很難滿足對抗現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器的需要。采用艦-岸、艦-艦雙/多基地的多平臺聯(lián)合作戰(zhàn)，實現(xiàn)海上編隊多平臺協(xié)同探測，將整個作戰(zhàn)兵力組成一個網(wǎng)絡(luò)，共享作戰(zhàn)資源和情報資源，形成統(tǒng)一集成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，確保戰(zhàn)場優(yōu)勢，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的必然趨勢。而如何確保編隊中各節(jié)點實現(xiàn)高精度的時間同步在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)中就顯得尤為重要。

現(xiàn)有的技術(shù)往往是基于衛(wèi)星共視方法進(jìn)行授時與同步。這樣對于衛(wèi)星設(shè)備的依賴性很大，實際作戰(zhàn)時就顯得很不可靠。文獻(xiàn)[1]中提出了無線RTT時鐘同步的相關(guān)算法。該算法往往需要占用較多的時隙資源來進(jìn)行對時而導(dǎo)致通信效率降低。同時，編隊各節(jié)點設(shè)備的晶振不可避免地存在一定的頻差，這將導(dǎo)致一定的同步誤差。這個誤差跟實際的頻差以及對時的周期有關(guān)，存在一定的局限性。本文在此基礎(chǔ)上提出守時的方法，使得能夠在較少的通信時隙資源占用的情況下獲得更高的時間同步精度。

1 雙向同步技術(shù)

時間雙向比對系統(tǒng)[2]主要由1個中心站和1個外站組成，兩邊各自產(chǎn)生本地的時間基準(zhǔn)，然后外站依靠時間同步技術(shù)保持與中心站點的高精度時間同步關(guān)系。雙向同步技術(shù)主要就是通過微波通信鏈路交換時間同步信號，然后通過必要的運(yùn)算得到兩邊時間差的過程。[3]

具體原理如圖1所示。圖中，節(jié)點A為需要對時的節(jié)點，節(jié)點B為參考節(jié)點。首先由節(jié)點A發(fā)起對時業(yè)務(wù)，然后在t1時將對時包發(fā)出，然后轉(zhuǎn)為接收模式，節(jié)點B默認(rèn)接收，在t2時收到A發(fā)出的對時包，然后在t3時發(fā)出，發(fā)出的包內(nèi)打入t2、t3兩個時間點。節(jié)點A在t4時收到B發(fā)出的反饋包，此時節(jié)點A就可以獲取到t1、t2、t3及t4這4個時間點。[4]

圖1 雙向時間同步原理圖

假設(shè)A到B傳輸?shù)臅r延為Δ，A與B的時間偏差為ε，則有

t2-t1=Δ+ε

t4-t3=Δ-ε

經(jīng)過簡單的轉(zhuǎn)化可以得到

這樣，只需通過ε調(diào)整A本地的時間即可實現(xiàn)A與B的時間同步。如果是理想情況下，對完一次時之后再重復(fù)上述過程，得到的時間偏差應(yīng)該為0。但是，實際測試會發(fā)現(xiàn)還有一定的時間偏差。這個偏差就是由兩邊的時鐘的頻偏引起的，同時還與選取的對時周期有關(guān)。如果僅通過這種方式對時，則需要進(jìn)行頻繁的對時操作才能保證相應(yīng)的時間同步精度，就會占用較多的時隙資源，而且一旦停止對時時間精度會很快惡化。

2 守時方法

針對上面提到的問題，本文在雙向時間同步技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了守時方法。利用這種方法，不僅對兩邊的時間進(jìn)行對準(zhǔn)，還對兩邊的時鐘偏差進(jìn)行對準(zhǔn)。一旦兩邊的時差、鐘差都消除之后，就可以保持長時間的時間同步。具體的實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 添加了守時方法的流程圖

首先，當(dāng)節(jié)點A發(fā)起對時業(yè)務(wù)時，記下發(fā)包時刻t1。節(jié)點B收到對時申請包后，記下收包時刻t2，然后做出回復(fù)，記下回復(fù)時刻t3。同時，將t2、t3填入回復(fù)包給節(jié)點A。節(jié)點A在t4時刻收到回復(fù)包后利用t1、t2、t3及t4算出兩邊的時差，然后利用時差調(diào)整本地時間，即完成第一次時間同步，即上述的雙向時間同步的過程。然后，經(jīng)過對時周期T后，節(jié)點A再次發(fā)起對時業(yè)務(wù)。按照上述流程進(jìn)行包交換后，得到這次的時差ε1。這時，除了進(jìn)行雙向時間同步的操作外還需要進(jìn)行守時操作，即利用ε1與T的比值來調(diào)整本地時鐘的控制字M，用到的具體公式如下：

通過控制字M的調(diào)整，就可以完成節(jié)點A與節(jié)點B的時鐘對準(zhǔn)。最理想的效果就是A與B的時鐘完全對準(zhǔn)，但實際由于對時周期T的選取以及有效位數(shù)的限制，并不能達(dá)到理想的效果。所以，進(jìn)行完一次這樣操作后，隔一段時間后還需要再次進(jìn)行上述操作，不過這個時間間隔比只采取傳統(tǒng)的雙向?qū)r技術(shù)的系統(tǒng)要長得多。這樣的話，對時操作所占用的時隙資源會減少很多，這對于作戰(zhàn)任務(wù)的編排大有裨益。

3 測試結(jié)果分析

按照上述流程進(jìn)行FPGA設(shè)計后，搭建如下測試平臺，如圖3所示。兩個節(jié)點分別由PowerPC板、FPGA板以及射頻前端組成，另外采用第3方測試平臺與之配合，觀測實際兩節(jié)點的時間同步情況。

圖3 測試平臺搭建

測試平臺的測試結(jié)果如圖4所示。圖中，橫坐標(biāo)為時間，1格表示1 s；縱坐標(biāo)為兩個平臺的時間差值，1格表示12.5 ns，這里選取對時周期T為1 s?？梢钥闯觯瓿梢淮坞p向時間同步與守時操作之后，兩邊時間偏差隨著時間成線性變化。當(dāng)時差超過一定值前，再進(jìn)行一次雙向時間同步與守時，由可以將時差基本調(diào)整為0，完成一次之后時間偏差會隨著時間再逐步變大。實際的實現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 單次雙向時間同步與守時的結(jié)果

實際對于對時間隔的選取主要取決于對時周期T的選取。由于篇幅所限，這里將測試的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。這里選取完成一次雙向時間同步與對時之后450 s時為參考?？梢园l(fā)現(xiàn)，時間周期T選取的越大，對于控制字M調(diào)整得越精確，最后的時間精度保持得時間越長。

表1 測試結(jié)果匯總

如果將精度要求設(shè)置為1 μs、時間周期T為5 s時，在經(jīng)過450 s再進(jìn)行一次雙向時間同步與對時操作就可以滿足精度要求。但是，對于100 ms而言，同樣的精度要求就需要在9 s后進(jìn)行一次雙向時間同步與對時才能滿足精度要求。選取合適的對時周期T可以實現(xiàn)長時間的時間同步，減少時隙資源占用，具有很好的實踐價值。

4 結(jié)束語

本文在雙向時間校時的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了守時的方法。這樣可以有效地減少時隙資源占用，并通過實際實現(xiàn)驗證了可行性，對于相似的系統(tǒng)設(shè)計具有一定的借鑒意義。