錢 東

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

機載平臺目前已有越來越多的作戰(zhàn)應(yīng)用需在平臺內(nèi)多傳感器或平臺間多傳感器間進(jìn)行協(xié)同，而時間同步則是實現(xiàn)這些協(xié)同應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。機載平臺時間同步系統(tǒng)主要解決作戰(zhàn)飛機內(nèi)部以及編隊間作戰(zhàn)飛機各傳感器的時鐘一致問題，因協(xié)同應(yīng)用高精度需求、機載平臺環(huán)境特點以及航電架構(gòu)等因素綜合約束，機載時間同步系統(tǒng)的設(shè)計驗證與陸海基時間同步系統(tǒng)相比自有其特點。相關(guān)研究中，文獻(xiàn)［1］提出了一種用于多機組網(wǎng)試飛的時間同步方法，文獻(xiàn)［2］研究了航電系統(tǒng)的時間同步，但現(xiàn)有文獻(xiàn)針對機載時間同步問題的探討多針對特定的應(yīng)用場合。時間和頻率同步已經(jīng)是作戰(zhàn)飛機綜合航電的基本要求，是實現(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，機載平臺時間同步系統(tǒng)必須具備足夠的開放性和可擴展性，能夠適應(yīng)各類航電架構(gòu)，兼容各種時間同步鏈路，滿足不同傳感器協(xié)同應(yīng)用的使用，這就必須討論機載時間同步系統(tǒng)的開放式架構(gòu)設(shè)計問題。本文探討了機載平臺典型協(xié)同應(yīng)用的時間同步需求，重點圍繞時間同步系統(tǒng)基本要素，對機載平臺可選技術(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載時間同步系統(tǒng)架構(gòu)，并對該架構(gòu)性能進(jìn)行了測試。

2 機載時間同步的應(yīng)用需求

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

2.1 機載信息融合

機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)飛機更充分地利用多種機載傳感器資源，產(chǎn)生比單個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)斗機特征。機載平臺各傳感器要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，必須首先保證融合時刻的傳感器數(shù)據(jù)來自同一時刻，否則融合結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差，為此許多學(xué)者相繼提出了一些時間配準(zhǔn)方法，但時間配準(zhǔn)需要占用較多的融合時間開銷，且動態(tài)越大配準(zhǔn)效果越差。通過機載時間同步系統(tǒng)對各傳感器進(jìn)行時間同步，可大大降低信息融合過程中的時間配準(zhǔn)壓力。從文獻(xiàn)［7］可以看出，信息融合對時間同步的精度要求一般在μs 至ms 級。

2.2 機載雷達(dá)組網(wǎng)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機載雷達(dá)在對抗隱身目標(biāo)的探測方面正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，機載雷達(dá)組網(wǎng)已被公認(rèn)為是對抗隱身威脅、綜合電子干擾的有效體制。機載雷達(dá)組網(wǎng)探測時，可以由后方飛機發(fā)射探測干擾一體化波形，前方飛機無源被動接收敵機返回回波信息，達(dá)到實現(xiàn)目標(biāo)探測同時減小前機被截獲危險的目的。由于發(fā)射機與接收機分置，機載雷達(dá)組網(wǎng)必須解決遠(yuǎn)程時頻同步、高精度定位等一系列問題，接收機必須準(zhǔn)確獲知發(fā)射脈沖基準(zhǔn)時刻作為測量回波時延的基準(zhǔn)。機載雷達(dá)組網(wǎng)要達(dá)到期望的測距精度，對時間同步精度也有相應(yīng)的需求。雷達(dá)組網(wǎng)對時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［8］。

2.3 機載無源定位

機載無源定位通過各機測量目標(biāo)發(fā)射的同一信號到達(dá)各機的時間之差，結(jié)合已知的平臺位置來確定目標(biāo)位置，本身具有隱蔽、不輻射電磁波的特點。由于對戰(zhàn)斗機生存力有重要意義，先進(jìn)飛機對該技術(shù)的需求日益迫切。機載無源定位的精度受到機間時間同步誤差、到達(dá)時間(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，機載無源定位對時間同步精度要求最高。在基線長度30 km的條件下，機載多機無源定位對時間同步的精度為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 機載時間同步的基本要素

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

3.1 時間基準(zhǔn)選擇

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

3.2 時間傳遞

時間傳遞主要實現(xiàn)本地時間向全局時間或局部時間基準(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。美軍目前對時間同步有嚴(yán)格要求的大量協(xié)同應(yīng)用，都依賴GPS 并依靠大量GPS 接收機維持時間同步，可快速同步到美軍基準(zhǔn)時間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 的時間準(zhǔn)確度和1×10－12的頻率準(zhǔn)確度。衛(wèi)星授時的不足在于衛(wèi)導(dǎo)接收機在各載機上都是相互獨立的個體，出現(xiàn)錯誤不能相互校正;其次，被干擾無法使用時載機將無法獲得準(zhǔn)確時間，導(dǎo)致編隊平臺失步，協(xié)同應(yīng)用無法實施，進(jìn)而影響任務(wù)可靠性。GPS 單向授時在動平臺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)對時間同步精度的需求。

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

機載平臺時間同步傳遞手段的選擇必須考慮機載平臺的特點:一是載機高速運動、遠(yuǎn)距離同步的特點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間傳遞的功能。利用載機已有的通信鏈路進(jìn)行雙向時間比對，正作為獨立于衛(wèi)星授時的備份冗余措施解決單一授時方式不可靠的問題。從傳遞精度來看，雙向時間同步是目前精度最高的時間同步技術(shù)，已廣泛用于運動目標(biāo)高精度的時間同步。通信、測距、時間同步功能相結(jié)合的機載數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)出現(xiàn)，比如Link 16、機間數(shù)據(jù)鏈(IFDL)等。從發(fā)展趨勢來看，數(shù)據(jù)鏈時間同步也較衛(wèi)星授時越來越受重視。

綜合上述原因，機載時間同步系統(tǒng)的時間傳遞鏈路可以考慮為衛(wèi)星授時和數(shù)據(jù)鏈雙向時間比對兩大類，相互冗余提高時間同步保障能力。

3.3 時間分發(fā)

機載時間同步系統(tǒng)中的時間分發(fā)特指時間同步系統(tǒng)集中向各傳感器進(jìn)行時碼信號傳輸?shù)倪^程。時間分發(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，同時實現(xiàn)秒脈沖和時間信息的分發(fā)，串行傳輸硬件開銷很小，比較適合作為傳感器機架間的時碼傳輸協(xié)議。

針對不同傳感器使用多種時間基準(zhǔn)的情形，機載時間同步系統(tǒng)還必須有另外一種分發(fā)模式，即采用B 碼分發(fā)本地時間的同時通過實時測量的方式給出本地時間與多種時間基準(zhǔn)的時差，并通過總線消息發(fā)布。IRIG－B 碼只能分發(fā)一種時間基準(zhǔn)，這種方式就比較適合多時間基準(zhǔn)同時存在的場合，特別是在只需要通過數(shù)學(xué)方式扣除時差等軟處理應(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 時間保持精度

機載設(shè)備以往多使用恒溫晶體振蕩器進(jìn)行時間保持，但在高精度協(xié)同應(yīng)用方面，目前已有利用原子鐘作計時標(biāo)準(zhǔn)的需求。銫鐘和氫鐘由于體積、振動等性能限制，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)鏈雙向時間比對后，守時精度還要求為ns 級的場合，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”等平臺中得到應(yīng)用，用于實現(xiàn)時速數(shù)百公里移動目標(biāo)的協(xié)同跟蹤、信號情報和C4I(Command，Control，Communication，Computer and Intelligence)等應(yīng)用。

4 架構(gòu)設(shè)計

正是由于時間和頻率同步在協(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，機載平臺的時間同步系統(tǒng)必須具備足夠的開放性和可擴展性，本文即重點討論機載時間同步系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計問題。

機載時間同步系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的必要性源于機載時間同步系統(tǒng)的公共資源特性、不同平臺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，機載時間同步系統(tǒng)作為全機時間中心，在不同平臺都理應(yīng)具備本地時間和全局時間的溯源能力和維護能力，確保航電系統(tǒng)加電運行期間內(nèi)部計時的嚴(yán)格單調(diào)遞增性，保證設(shè)備運行時序和運行節(jié)奏的正確性。應(yīng)能兼容衛(wèi)星授時、多種數(shù)據(jù)鏈路作為時間同步的手段，實現(xiàn)綜合冗余和ns 級的時間同步精度，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)行高精度時間分發(fā)，并能行使時間管理職能，評估各種時間的時間品質(zhì)。

從航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢來看，機載時間同步系統(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)用的擴展。比如，無人機平臺任務(wù)簡單、時間傳遞手段有限、協(xié)同應(yīng)用種類較少，時間同步系統(tǒng)應(yīng)可通過適當(dāng)?shù)牟脺p滿足需求;作戰(zhàn)飛機時間傳遞手段豐富，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

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

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

開放式機載時間同步系統(tǒng)的分層架構(gòu)依次分為時間同步鏈路層、時間同步處理層(時間處理中心)和時間同步應(yīng)用層。其中，時間同步鏈路層主要包含作戰(zhàn)飛機所配備的多種機載時間比對鏈路和時間溯源手段，比如多種機載雙向時間比對鏈路和衛(wèi)星導(dǎo)航授時。時間處理層主要實現(xiàn)本機時間維護、全局時間維護、基準(zhǔn)頻率、時碼合成、時差測量、時間管理和時間品質(zhì)評估等功能，其與鏈路層之間的標(biāo)準(zhǔn)開放接口為IRIG－B 碼或1 PPS。時間應(yīng)用層主要包含有時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)接口和時差消息分發(fā)接口。在時間同步任務(wù)執(zhí)行階段，時間鏈路層提供多種相互冗余的時間比對鏈路，時間處理層作為全機時間中心，集中完成時間處理、維護、分發(fā)和時間質(zhì)量等級管理，時間應(yīng)用層各終端接收標(biāo)準(zhǔn)時碼、基準(zhǔn)頻率和時差分發(fā)消息，完成最終的時間同步信號應(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，使機載時間同步系統(tǒng)具有了良好的可擴展性和可裁剪性。首先，時間處理層作為時間同步系統(tǒng)的核心，可利用單獨資源集中實現(xiàn)，即使系統(tǒng)擴展，也可大幅度降低對整個綜合航電系統(tǒng)的影響，而時間比對鏈路的種類、應(yīng)用終端的數(shù)量均可調(diào)整;其次，該架構(gòu)在時間處理層實現(xiàn)了對多時間比對鏈路的兼容，同時也避免了常規(guī)的采用單一的衛(wèi)星導(dǎo)航授時一旦被干擾時間同步便不能實施的隱患。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)航授時進(jìn)行同步，編隊無源組網(wǎng)探測用戶根據(jù)精度需求，可以選擇雙向時間比對數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行同步，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航授時被干擾時，時間品質(zhì)進(jìn)行動態(tài)更新，數(shù)據(jù)融合用戶可切換至機間數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行時間同步，使用戶靈活快速地選擇時間同步基準(zhǔn)，應(yīng)對復(fù)雜的對抗環(huán)境。

4.2 時間同步流程

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

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

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

4.3 同步精度分析

4.3.1 單平臺同步精度

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

(1)時延標(biāo)定誤差

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

(2)時延補償誤差

時延補償對已產(chǎn)生的B(DC)進(jìn)行相位超前調(diào)整，從而消除各路時間同步信號因路徑不同引入的同步誤差。本架構(gòu)中時延補償采用粗調(diào)加細(xì)調(diào)兩級調(diào)節(jié)。粗調(diào)分辨率5 ns，精調(diào)分辨率78 ps，實測補償精度優(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，這會影響半導(dǎo)體元器件的時延特性。典型時碼信號分發(fā)驅(qū)動芯片的全溫度－時延特性在1.5 ns左右。

忽略次要因素，該架構(gòu)下單平臺時間同步的誤差模型可用下式表示:

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

4.3.2 多平臺間時間同步精度

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

圖2 多平臺時間同步誤差Fig.2 The composition of multi－platform synchronization error

(1)時間比對鏈路誤差

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

(2)時差測量誤差

本架構(gòu)為兼容多種時間比對鏈路采取了測量并分發(fā)時差的方式。時差測量采用與時鐘頻率不相關(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通過門電路的個數(shù)，最高測量精度由信號通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時間決定，最小可達(dá)65 ps。

(3)時鐘漂移誤差

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

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

綜上，多平臺間時間同步精度可用下式計算:

式中，σ1表示長、僚機平臺內(nèi)時間同步誤差，σ2表示時差測量誤差，σ3表示機間鏈路兩次對時間歇的守時誤差，σ4表示機間鏈路對時的誤差。從式(3)可以看出，若平臺間時間同步誤差前3 項得到了合理的控制，最終同步精度更多地取決于機間對時鏈路的精度。

5 實驗驗證

為驗證時間同步系統(tǒng)架構(gòu)的可行性，研制了符合該架構(gòu)規(guī)范的時頻模塊，實現(xiàn)了該架構(gòu)中時間處理層的功能。該時頻模塊采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)，與時間鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)接口可同時兼容衛(wèi)星導(dǎo)航授時、機間雙向時間比對鏈路、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS /Link 16)等不少于三種的時間同步鏈路，與時間應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)接口采用B(DC)、時差消息方式，可擴展終端數(shù)量不少于10 個。具備9 級時間質(zhì)量評估能力，適用于綜合化航電系統(tǒng)。

基于所設(shè)計時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)機測試，以驗證該架構(gòu)下的時間同步性能指標(biāo)，如圖3所示。測試環(huán)境配備了衛(wèi)星授時和機間雙向時間比對鏈路兩種平臺間同步手段，具體鏈路資源、衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機及時頻模塊均集成于綜合機架。機間雙向時間比對鏈路天線置于暗室，衛(wèi)星授時天線置于室外。

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

為配合全功能驗證，測試環(huán)境配置了兩臺時統(tǒng)終端設(shè)備，用以模擬時間應(yīng)用層的功能。綜合機架對外輸出的基準(zhǔn)頻率、時碼信號及通過航電總線發(fā)布的時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)選用雙向時間比對鏈路作為平臺間主用時間同步基準(zhǔn)，模擬雙平臺時間同步工作狀態(tài)，并將終端模擬設(shè)備輸出的秒脈沖信號接入計數(shù)器進(jìn)行時間同步精度的測試。

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

首先對待測時間同步系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，然后進(jìn)行1 h拷機實驗，得到時間同步誤差測試結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯摷軜?gòu)下實驗室桌面測試環(huán)境下時間同步精度均方根值(RMS)可達(dá)到1.2 ns。

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

6 結(jié)束語

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

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

(2)所提出的分層作戰(zhàn)飛機時間同步系統(tǒng)架構(gòu)，在完成平臺內(nèi)時間同步和平臺間時間同步的同時，使時間同步系統(tǒng)架構(gòu)各層要素均具有良好的開放性。架構(gòu)中時間比對鏈路的種類、應(yīng)用終端的數(shù)量均可擴展，不會對架構(gòu)造成影響。時間處理層可利用單獨資源實現(xiàn)，不會對機載鏈路、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)在不同平臺和航電架構(gòu)上的應(yīng)用能力;

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

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。今后的研究重點集中在自動化標(biāo)定、環(huán)境適應(yīng)性驗證、飛行測試驗證、芯片級原子鐘以及對該架構(gòu)的完善優(yōu)化方面。

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