海上艦艇編隊高精度時間同步系統(tǒng)設計

劉 鵬，陳 穎，郭曉利

(中國艦船研究院，北京 100192)

海上艦艇編隊高精度時間同步系統(tǒng)設計

劉 鵬，陳 穎，郭曉利

(中國艦船研究院，北京 100192)

針對艦艇編隊遂行協(xié)同打擊任務的高精度時統(tǒng)需求，提出一種超寬帶CDMA體制的時統(tǒng)系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)應用TOA算法，基于超寬帶高時間分辨率波形設計，采用可靠同步、干擾抑制和FFT校頻等關鍵算法，實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)節(jié)點快速移動中可靠高精度時間統(tǒng)一，時間同步精度達10 ns。關鍵算法仿真和試驗樣機測試證明該系統(tǒng)設計和關鍵算法合理有效。

時統(tǒng);同步;TOA;CDMA

0 引言

隨著信息技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式發(fā)生了根本性變化，由原平臺獨立作戰(zhàn)模式向網(wǎng)絡中心協(xié)同作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)變，美軍航母編隊的CEC(協(xié)同作戰(zhàn)能力)系統(tǒng)就是新時期協(xié)同防御作戰(zhàn)的典范，該系統(tǒng)通過充分利用計算機、數(shù)據(jù)鏈、導航等信息系統(tǒng)將各自獨立的作戰(zhàn)單元聯(lián)合起來，形成有機的作戰(zhàn)實體，支持統(tǒng)一作戰(zhàn)行動。協(xié)同作戰(zhàn)是未來戰(zhàn)爭發(fā)展的必然趨勢，要實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)，必須實現(xiàn)作戰(zhàn)空間時空基準的高度統(tǒng)一，信息化武器裝備的協(xié)同作戰(zhàn)高度依賴時空統(tǒng)一。本文針對海上編隊協(xié)同作戰(zhàn)對高精度時間統(tǒng)一的要求，提出一種采用超寬帶CDMA技術體制，基于信號到達時延(TOA)算法的時間同步系統(tǒng)設計方案。

1 時間同步體系

信息化作戰(zhàn)中建立統(tǒng)一的時間基準至關重要，時間統(tǒng)一可通過北斗授時、GNSS組合授時、長波授時和短波授時等多種方式實現(xiàn)。隨著信息化武器裝備的發(fā)展，對“時統(tǒng)”提出了越來越高的需求，迫切需要加強對“時統(tǒng)”的研發(fā)和利用，建立起自主的分層時間統(tǒng)一體系。按對時精度、范圍不同，可建立如圖1所示的3層時間統(tǒng)一體系:第一層為衛(wèi)星授時，主要解決整個作戰(zhàn)空間大范圍的時間統(tǒng)一問題，但授時可靠性和抗干擾能力有限;第二層為短波、長波等無線電廣播授時，作為大范圍授時的備份，授時精度不高;第三層為區(qū)域時間統(tǒng)一，主要是解決某個局部作戰(zhàn)區(qū)域高精度、高可靠、強抗干擾的相對時間同步問題，為武器控制、協(xié)同打擊等提供統(tǒng)一的時間基線。綜合3層體系多種授時手段，通過區(qū)域相對對時實現(xiàn)極高精度對時，再通過大范圍時統(tǒng)手段同步區(qū)域時間基準，最終實現(xiàn)廣袤作戰(zhàn)空間內(nèi)各類作戰(zhàn)節(jié)點的統(tǒng)一時間溯源，滿足各類作戰(zhàn)活動對時間統(tǒng)一的不同層次需求。本文主要針對區(qū)域相對時間同步展開研究和設計。

圖1 分層時間統(tǒng)一體系Fig.1 Top architecture of time synchronization system

2 海上編隊協(xié)同作戰(zhàn)對區(qū)域時統(tǒng)的要求

按照作戰(zhàn)需求，戰(zhàn)略、戰(zhàn)術、戰(zhàn)役級指揮、兵力指揮、態(tài)勢生成、武器控制和協(xié)同打擊等作戰(zhàn)活動對時間統(tǒng)一的精度和范圍要求各不相同，其中，武器控制、協(xié)同打擊、協(xié)同防空等對時統(tǒng)的要求最為苛刻，可以歸納為:

1)時統(tǒng)精度要求高

編隊內(nèi)組織協(xié)同反潛、防空、對陸打擊時，要求探測系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)高度協(xié)同，基于統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢進行火力分配、武器控制和精確打擊。高精度時間統(tǒng)一是分布式傳感器協(xié)同探測的基礎，支持分布式探測器聯(lián)合探測高速運動目標，各分布式探測器基于統(tǒng)一精確的時間基準探測，可大大降低后級信息處理的難度，提高態(tài)勢準確性、完整性和統(tǒng)一性;高精度時間統(tǒng)一是武器系統(tǒng)跨平臺協(xié)同打擊的前提條件，基于統(tǒng)一的時間基線才能實現(xiàn)從傳感器到分布式武器系統(tǒng)的自同步和自組織協(xié)同，形成從傳感器到射手的快速打擊鏈，最終實現(xiàn)對高速來襲目標實施精確打擊。經(jīng)過理論計算分析和綜合仿真，為支持協(xié)同防空和打擊，編隊內(nèi)作戰(zhàn)節(jié)點間的時間同步精度應在ns級。

2)時統(tǒng)手段具有抗摧毀和強抗干擾能力

信息化作戰(zhàn)環(huán)境下，海上編隊必將處于復雜的電磁環(huán)境下，當前敵實施電子戰(zhàn)的模式已從大功率壓制干擾模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫_靈巧的干擾模式，即通過對關鍵系統(tǒng)、關鍵頻段、關鍵信號實施精確干擾癱瘓整個信息保障系統(tǒng)，鑒于時間基準對信息系統(tǒng)的關鍵作用，時間基準系統(tǒng)成為敵干擾的首要目標之一。因此，支持協(xié)同打擊、協(xié)同防空的時間統(tǒng)一系統(tǒng)必須具備強抗干擾能力，能在敵實施大規(guī)模電子干擾支援武器突擊時持續(xù)可靠地提供精確時間基準。

3)時間同步信號具有隱蔽性

編隊內(nèi)為保持高度的時間同步，需頻繁發(fā)送時間同步信號，這將大大提高敵無源探測系統(tǒng)對我方作戰(zhàn)單元的發(fā)現(xiàn)概率，增加我方編隊遭受敵反輻射攻擊武器打擊的風險，因此需提高時間同步系統(tǒng)的信號隱蔽性，采用低譜密度信號進行時間同步。

3 高精度時統(tǒng)系統(tǒng)設計

3.1 時間同步原理

基于信號到達時延(TOA)算法的時間同步原理如圖2所示。網(wǎng)成員向系統(tǒng)時基成員每隔一段時間發(fā)出RTT詢問，時基成員給出RTT回答，使網(wǎng)成員通過計算獲得自身時鐘與時基的漂移量。

圖2 信號到達時延(TOA)時間同步Fig.2 TOA based time synchronization algorism

基于圖2的雙向RTT時間精確同步算法為:

式中:TOAR，TOAt分別為詢問到達時間和回答到達時間;tP為信號傳播延時;Δτ為要估計的時差。

3.2 系統(tǒng)設計

通過分析，考慮到區(qū)域時間同步系統(tǒng)對抗干擾性、隱蔽性等要求，提出一種工作于微波頻段支持區(qū)域相對時間同步的系統(tǒng)方案，系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 區(qū)域相對時間同步系統(tǒng)組成Fig.3 Limed region relative time synchronization system

區(qū)域相對時間同步系統(tǒng)由艦載時頻管理系統(tǒng)、高穩(wěn)定度頻標和超寬帶CDMA時間相對同步系統(tǒng)組成，艦載時頻管理系統(tǒng)面向艦載時間用戶，按需提供各種時間基準信號。高穩(wěn)定頻標作為系統(tǒng)的時鐘輸入，在一定時間內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定守時。超寬帶CDMA時間相對同步系統(tǒng)基于TOA時間同步算法實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)相對時間同步，其組成如圖4所示。按照各作戰(zhàn)節(jié)點在時間基準建立過程中的職責不同，可以分為時間用戶節(jié)點和時間基準節(jié)點。時間基準節(jié)點為整個編隊提供高精度的時間基準，時間用戶節(jié)點通過無線手段與時間基準節(jié)點時間同步，由于編隊時間基準惟一，編隊所有作戰(zhàn)節(jié)點分布式完成時間同步后，可實現(xiàn)編隊區(qū)域內(nèi)時間統(tǒng)一。編隊內(nèi)多個用戶節(jié)點采用CDMA(碼分多址)的多址方式，每個用戶節(jié)點用特定惟一的偽碼對信息進行擴頻，基于碼分多址共用信道。

圖4 超寬帶CDMA時間相對同步系統(tǒng)Fig.4 UWB-CDMA based relative time synchronization system

3.3 系統(tǒng)技術參數(shù)

超寬帶CDMA時間相對同步系統(tǒng)主要的技術參數(shù)為:系統(tǒng)工作頻段1.7～1.9 GHz;調(diào)制方式為MSK-DSSS;多址方式CDMA;偽碼周期256;信號帶寬20 MHz;信息速率1Mbps;支持不小于8個用戶同時時間同步。

4 關鍵算法設計

如前所述，高精度時間同步系統(tǒng)需工作于復雜電磁環(huán)境，系統(tǒng)除基于擴展頻譜技術獲得抗干擾增益外，還需采用干擾抑制算法實現(xiàn)單頻點干擾、窄帶干擾和部分帶干擾等多種類型大功率干擾的抑制;系統(tǒng)裝載于快速移動作戰(zhàn)節(jié)點，節(jié)點快速移動帶來較大的多普勒頻偏，影響系統(tǒng)時間同步的性能，采用基于FFT頻率估計技術實現(xiàn)多普勒頻偏的校正;系統(tǒng)基于低譜密度信號完成對時，需突破低信噪比同步算法，以較低的信號功率持續(xù)進行隱蔽通信完成高精度時間同步和同步保持。

4.1 低信噪比同步算法

高精度時間同步系統(tǒng)依靠接收機可靠檢測到信號的到達時刻，這是時間精確同步的基礎和實現(xiàn)高精度對時的關鍵，信號到達時刻的估計準確性直接決定系統(tǒng)對時的準確性。超寬帶CDMA相對時間同步系統(tǒng)利用偽碼將有用信息進行擴頻，展寬信號頻譜提高對時信號的時間分辨率，并依靠偽碼尖銳的相關性實現(xiàn)信號到達時間的準確估計，因此，基于相關峰進行碼相位的估計和同步是關鍵算法之一。偽碼相關性影響系統(tǒng)的時間同步性能，當偽碼相位對齊時，偽碼相關值很大，當碼相位相差超過一個碼片時，偽碼相關值降低，即偽碼相關結果為如圖5所示的偽碼相關峰，通過檢測相關峰出現(xiàn)的時刻實現(xiàn)信號到達時間估計。

圖5 偽碼相關峰Fig.5 Correlation peak of pseudo sequence

偽碼同步分為碼捕獲和碼跟蹤2個過程:碼捕獲實現(xiàn)信號檢測并將本地偽碼與接收信號偽碼的粗同步，使兩者的相位差控制在半個碼片(chip)之內(nèi);碼跟蹤在粗同步的基礎上進一步精確同步，使最后的同步誤差盡量小，并跟蹤接收信號的碼相位，同步狀態(tài)得到保持。系統(tǒng)采用如圖6所示的最大似然算法實現(xiàn)信號檢測和碼相位捕獲。

圖6 最大似然碼相位捕獲框圖Fig.6 PN acquisition method based on maximum likelihood algorism

圖7 低信噪比偽碼同步單元框圖Fig.7 PN acquisition method used in low SNR environment

4.2 大多普勒頻偏校正技術

海上編隊作戰(zhàn)節(jié)點快速移動過程中進行時間同步，會帶來較大的多普勒頻偏，導致超寬帶CDMA時間相對同步系統(tǒng)性能下降。采用基于FFT的多普勒頻偏估計和校正技術，在信息前插入前導碼序列，通過對接收到的前導碼序列進行復數(shù)FFT運算，進行頻譜估計。然后根據(jù)頻譜能量最大值計算出頻差，從而調(diào)整載波輸出頻率，對頻率偏差進行校正，工作流程如圖8所示。

采用FFT的方法得到的頻譜估計存在一定的頻率檢測精度，當采樣頻率為fd時，F(xiàn)FT頻率估計的范圍為［－fd/2，fd/2］］，頻率分辨率為 fd/N，其估計精度為fd/2N。

圖8 基于FFT校頻流程Fig.8 FFT based frequency adjust flow

4.3 強干擾抑制技術

針對復雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)抗干擾問題，基于變換域干擾抑制算法進行干擾功率抑制。變換域干擾抑制主要由2個關鍵步驟組成，即變換和變換域干擾抑制。變換的目的是使在時域不容易被分離的信號和干擾在變換域比較容易分開，因此，選擇的變換應該使有用信號均勻分布在所有變換域子帶內(nèi)，而干擾功率盡可能的集中在少數(shù)子帶內(nèi)，這樣才能在抑制干擾的同時盡可能少的損失有用信號功率。實施變換域干擾抑制，要采用快速算法，且算法復雜度較低。變換域技術把擴頻信號、熱噪聲以及干擾組成的混合信號映射到另一個域處理。一般將干擾映射為類似于沖擊的函數(shù)，將有用信號映射為與干擾近似正交，具有平坦特性的波形。這樣就能在較徹底去除干擾的同時對有用信號的損傷較小。

圖9為變換域技術抑制部分帶干擾的原理框圖，首先對接收信號r—進行變換得到R—，然后檢測干擾，調(diào)整陷波位置，將相應的譜線置零或者進行衰減;接著將抑制處理后的變換域分量反變換回時域，再與擴頻碼相關解擴得到判決變量，根據(jù)判決量進行后續(xù)的跳頻同步，最后對解跳解擴后判決變量的極性做出判決。

圖9 變換域干擾抑制原理Fig.9 Transform domain based interface suppression algorism

5 系統(tǒng)仿真

為驗證系統(tǒng)設計的合理性以及系統(tǒng)關鍵算法的正確性和有效性，利用Matlab仿真工具對低信噪比下系統(tǒng)同步、強干擾抑制等算法進行了仿真。對部分關鍵算法進行了原理樣機驗證，用 Xilinx公司的Chipscope數(shù)據(jù)采集工具對結果進行了顯示和分析。

圖10為Eb/N0=5 dB時，采用非相干多碼元累加算法檢測到的偽碼相關峰情況，從仿真中可以看出，隨著累加次數(shù)的增加，相關峰越來越尖銳，即采用非相干累加可以提高碼相位同步的性能。圖11為Eb/N0=－5 dB條件下，系統(tǒng)不同非相干累加次數(shù)時間誤同步概率曲線，仿真中設定，當系統(tǒng)檢測信號到達時間與實際到達時間相差0.2 chip時，認為系統(tǒng)誤同步，因此，圖11為超寬帶CDMA時間相對同步系統(tǒng)時間同步誤差超過10 ns的概率曲線。由圖11可以看出，隨著累加數(shù)的增加，時間誤同步概率下降，6次非相干累加時的檢測性能比無累加的時間同步性能最多有8 dB的信噪比增益，當非相干累加6次，Eb/N0=－11 dB時還能達到10－3的時間誤同步概率。

圖12為本系統(tǒng)在干擾帶寬占信號帶寬5%時的部分帶干擾情況下，時間誤同步概率隨干信比變化的曲線。仿真中，設定當系統(tǒng)捕獲到的信號到達時間與實際到達時間相差0.2 chip時，認為時間誤同步。因此，圖12為系統(tǒng)時間同步誤差大于10 ns的概率曲線。

為進一步測試系統(tǒng)關鍵算法的實際效果，對系統(tǒng)關鍵同步算法、干擾抑制算法進行了原理樣機實現(xiàn)，并用Xilinx公司的Chipscope軟件進行數(shù)據(jù)采集和顯示分析。系統(tǒng)存在單頻干擾的頻域波形如圖13所示，干擾抑制后的頻域波形如圖14所示，頻域圖形中的橫線即為干擾門限。由實際的運行結果可以看出，未進行干擾抑制前，單頻干擾的功率遠遠大于有用信號的功率，采用基于變換域的干擾抑制算法后，干擾功率明顯減少，有用信號功率大于干擾功率。原理樣機實現(xiàn)驗證本系統(tǒng)能在低信噪比、強干擾環(huán)境下實現(xiàn)可靠時間同步。

圖12 時間誤同步概率隨干信比變化Fig.12 Time mis-synchronization probability in different ISR

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A high precision time synchronization system design for naval formation

LIU Peng，CHEN Ying，GUO Xiao-li
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Aiming at the high precision time synchronization demand of naval formation execute operational cooperative attack，the article presents a design for time synchronization system，based on UWB CDMA technology.The system employ TOA algorism，high definition wave design，robust synchronization technology，and FFT frequency correcting technology，achieve reliable time synchronization in war-field complex electromagnetic environment.The time synchronization precision performance is higher than 10 ns.According to the simulation results，it has been proved assuredly that the proposed design and key algorithms are effective and has good performance.

time synchronization;synchronization;TOA;CDMA

TN914.53

A

1672－7649(2011)06－0046－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.012

2011－05－06

劉鵬(1980－)，博士，高級工程師，從事綜合電子信息系統(tǒng)總體設計與仿真、通信系統(tǒng)、電子對抗研究。