網(wǎng)絡(luò)化靶場(chǎng)綜合模擬試驗(yàn)網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)研究

索曉楠，雷 鳴，陳俊彪

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)是向武器常規(guī)試驗(yàn)、導(dǎo)彈、航天試驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)以實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)間和頻率的統(tǒng)一，由各種電子設(shè)備組成的一套完整的系統(tǒng)。靶場(chǎng)的使命任務(wù)是通過(guò)各種手段測(cè)量被試品 （如有控彈藥等）的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和軌跡、發(fā)射時(shí)間校正，這些空間參數(shù)與時(shí)間尺度是密切相關(guān)的[1]。時(shí)統(tǒng)使靶場(chǎng)整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)在統(tǒng)一的時(shí)間尺度下工作，是靶場(chǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用網(wǎng)絡(luò)定時(shí)的方法來(lái)統(tǒng)一多個(gè)PC機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘，具體的實(shí)現(xiàn)方案是在網(wǎng)絡(luò)上指定若干時(shí)鐘源網(wǎng)站，為用戶提供授時(shí)服務(wù)。它的前提條件是時(shí)間源輸出必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)據(jù)輸出格式必須符合NTP協(xié)議。因此這種方法要有網(wǎng)絡(luò)的支持，而實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境下沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)支持。文中是根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)化靶場(chǎng)的模擬測(cè)試中，為了配合設(shè)備的正常工作，要求設(shè)計(jì)專用標(biāo)定設(shè)備。此設(shè)備可靈活擴(kuò)展至同時(shí)對(duì)幾十臺(tái)PC機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一標(biāo)定，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，應(yīng)用范圍較為廣泛且不需要網(wǎng)絡(luò)支持。

1 靶場(chǎng)時(shí)間統(tǒng)一意義

在靶場(chǎng)，時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的作用是在導(dǎo)彈和航天試驗(yàn)中，對(duì)導(dǎo)彈、航天器進(jìn)行精密測(cè)量（測(cè)量其位置、速度、加速度和飛行姿態(tài)）和控制（控制其飛行狀態(tài)[2]）。時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的概念也是在靶場(chǎng)最早提出的。當(dāng)飛行目標(biāo)點(diǎn)火、起飛以后，在初始段和主動(dòng)段的飛行中，測(cè)控系統(tǒng)根據(jù)時(shí)統(tǒng)提供的時(shí)間、頻率信號(hào)、控制信號(hào)和同步信號(hào)，控制光學(xué)設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、遙控設(shè)備和實(shí)時(shí)圖像系統(tǒng)對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，遙測(cè)參數(shù)測(cè)量和實(shí)時(shí)飛行監(jiān)視。在各種時(shí)鐘信號(hào)的控制下，指揮中心的指控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將典型遙測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)處理顯示，以確定飛行目標(biāo)的軌跡是否正常，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)安全控制[3]。完成時(shí)統(tǒng)控制發(fā)控系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)火任務(wù)，建立靶場(chǎng)統(tǒng)一的發(fā)射零點(diǎn)（起飛絕對(duì)時(shí)）。

2 常用的授時(shí)方法及其比較

要使本地時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一（或稱同步），就要解決時(shí)間這一量值的傳遞。時(shí)間量值的傳遞與其它量值的傳遞相比，一個(gè)十分重要的優(yōu)點(diǎn)是其可以借助無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)量值的遠(yuǎn)距離傳遞［4］。時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)正是基于此，將國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的時(shí)間頻率量值，通過(guò)授時(shí)臺(tái)送至各個(gè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備所在地，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。

2.1 短波授時(shí)

短波授時(shí)因其覆蓋廣、授時(shí)設(shè)備和接收裝置簡(jiǎn)單，成為最早開(kāi)展的無(wú)線電授時(shí)業(yè)務(wù)，并得到廣泛的應(yīng)用。但它精度受限、噪聲大、干擾多和明顯的衰落，以及由于電離層騷擾會(huì)引起突然中斷等現(xiàn)象[5]。我國(guó) BPM（2.5，5.0，10.0，15.0 MHz）短波 授 時(shí) 臺(tái) ， 其 載 頻 準(zhǔn) 確 度 優(yōu) 于 ±1×10－12；UTC（Coordinated Universal Time，協(xié)調(diào)世界時(shí)）發(fā)播時(shí)刻準(zhǔn)確度優(yōu)于 50 μs，且其時(shí)號(hào)發(fā)播超前20 ms。

2.2 長(zhǎng)波授時(shí)

長(zhǎng)波授時(shí)也有兩種方式：地波和天波。地波方式由于幅度和相位穩(wěn)定，傳播時(shí)標(biāo)信號(hào)誤差較短波小；天波方式受到電離層的影響比短波小，且有較好的重復(fù)性，比其地波方式傳播距離更遠(yuǎn)、精度更高。但電離層的起伏與騷動(dòng)仍會(huì)影響天波的幅度和相位，載頻低使得它不適合傳輸頻率豐富的前沿陡峭的時(shí)間脈沖信號(hào)，地波容易受到幅度較大的天波信號(hào)“污染”，需對(duì)調(diào)制信號(hào)精心設(shè)計(jì)。我國(guó)BPL（100 kHz）長(zhǎng)波授時(shí)電臺(tái)，其發(fā)播時(shí)刻準(zhǔn)確度≤1 μs；發(fā)播頻率準(zhǔn)確度≤1×10－12；天線輻射峰值功率≥0.8 MW；作用距離：地波1 000～2 000 km，天波3 000 km。

2.3 衛(wèi)星授時(shí)

衛(wèi)星授時(shí)可實(shí)現(xiàn)發(fā)播信號(hào)的大面積覆蓋，且衛(wèi)星到用戶的無(wú)線電波是直達(dá)波，受大氣折射的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于短波、長(zhǎng)波受電離層的影響，無(wú)線電波大部分時(shí)間是在近似真空的條件下傳播的，精度要高得多，因此這一技術(shù)已成為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離時(shí)間同步的最佳方法。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)防部的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。授時(shí)與傳統(tǒng)授時(shí)相比，有著精度高、所受干擾小、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，必將被廣泛應(yīng)用。但目前的定時(shí)型GPS接收機(jī)價(jià)格昂貴，且不利于用戶自己的特定開(kāi)發(fā)[6]。

3 系統(tǒng)組成

在靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化綜合測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)化靶場(chǎng)系統(tǒng)接入能力指標(biāo)，對(duì)靶場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模擬、信息獲取、信息融合、信息驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示等各項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)靶場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化綜合系統(tǒng)的接入能力。試驗(yàn)過(guò)程中，要求用12臺(tái)PC機(jī)來(lái)模擬各測(cè)試設(shè)備。

如圖1為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。本系統(tǒng)使用微控制器作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的產(chǎn)生器件，通過(guò)控制微控制器的端口來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)從串口TXD端口的輸出。當(dāng)通過(guò)采用單脈沖硬件驅(qū)動(dòng)定標(biāo)的方式使端口為低電平時(shí)，在程序的控制下，微控制器將輸出時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design diagram of system

由于本系統(tǒng)被要求同時(shí)對(duì)12臺(tái)具有RS232接口的PC機(jī)進(jìn)行時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一標(biāo)定，所以TXD端口輸出的一路時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)要通過(guò)一個(gè)74HC04和兩個(gè)7407分成12路，并且每?jī)陕沸盘?hào)將被分為一組進(jìn)行傳輸。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，每組與微控制器之間將各自獨(dú)立供電。為了防止不同地之間的相互干擾，系統(tǒng)采用了光藕合器HCPL2630來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊與微控制器間地的隔離。由于TTL電平的+5 V代表數(shù)字信號(hào) “1”，－5 V代表數(shù)字信號(hào) “0”；而RS232電平的+10 V代表數(shù)字信號(hào)“0”，－10 V代表數(shù)字信號(hào)“1”，所以要通過(guò)MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)把時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)傳輸?shù)?2臺(tái)PC機(jī)上，完成各PC機(jī)時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一標(biāo)定。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

微控制器作為本系統(tǒng)的核心器件，它工作是否穩(wěn)定，直接關(guān)系到各設(shè)備間時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一的精度。如圖2為其中一組信號(hào)傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)。

由圖可以看出，為了使片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的程序能被執(zhí)行，首先應(yīng)使微控制器的EA引腳置高電平。根據(jù)WR引腳置低電平時(shí)，允許微控制器向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)數(shù)據(jù)這一功能，此電路通過(guò)一個(gè)按鍵來(lái)控制WR電平的高低。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，WR引腳被置為高電平，這時(shí)微控制器就無(wú)法向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此也就沒(méi)有時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)出；當(dāng)按下鍵后，WR引腳直接與地相連，被置為低電平，與此同時(shí)，微控制器內(nèi)部執(zhí)行軟件程序，根據(jù)程序指示，就會(huì)從微控制器的串行數(shù)據(jù)輸出端TXD引腳輸出數(shù)據(jù)，也就是輸出時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。為了防止微控制器與信號(hào)傳輸電路之間地環(huán)路的相互干擾，從微控制器的TXD引腳輸出的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)要通過(guò)一個(gè)光耦合器件HCPL2630來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地之間的隔離。由于HCPL2630的輸入信號(hào)電流要大于6.3 mA，所以在輸入端設(shè)計(jì)時(shí)加了阻值為470 Ω的上拉電阻R3，使輸入電阻達(dá)到7.4 mA，從而驅(qū)動(dòng)光耦合器正常工作。HCPL2630為OC門輸出，因此在外部必須加上拉電阻R4、R5，此處選用360 Ω的電阻。傳輸相同的數(shù)據(jù)，TTL電平與RS232電平是相反的，且電壓高低不同，通過(guò)MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換，其中 C4、C5、C6、C7 取值為 1 μF。 這樣就達(dá)到了時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)標(biāo)定各PC機(jī)的目的，統(tǒng)一了各PC機(jī)的本地時(shí)間。

圖2 時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生電路Fig.2 Time benchmark signal circuit

HCPL2630和MAX232的供電方式與微控制器的相同。都是用B1205LS-1W電壓模塊來(lái)使外部12 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓。另外，每個(gè)芯片在電源和地之間都要有濾波電容，此電路設(shè)計(jì)時(shí)都選用0.1 μF電容。

5 軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)微控制器產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的硬件設(shè)計(jì)方法，軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，從圖中可以得出：初始化定時(shí)器及串口后，程序等待按鍵按下。當(dāng)鍵按下后WR置低電平，程序經(jīng)過(guò)延時(shí)后判斷WR電平仍為低時(shí)，就向輸出串口發(fā)送數(shù)據(jù)。采用檢測(cè)發(fā)送中斷結(jié)束標(biāo)志TI是否為1的方式來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，當(dāng)TI=0時(shí)，數(shù)據(jù)未發(fā)完，程序在原處循環(huán)等待；當(dāng)TI=1時(shí)，說(shuō)明數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，也就是時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)已發(fā)出，程序也隨之結(jié)束。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Flow chart of the software design

以下是編寫(xiě)的軟件程序：

把程序加載到微控制器中，對(duì)系統(tǒng)加電，當(dāng)按鍵按下后，時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)可以被各PC機(jī)接收到，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

在網(wǎng)絡(luò)化靶場(chǎng)仿真模擬試驗(yàn)中，根據(jù)總體試驗(yàn)方案布設(shè)光電經(jīng)緯儀、雷達(dá)、協(xié)同測(cè)試平臺(tái)和綜顯的模擬設(shè)備。當(dāng)各PC機(jī)處于等待標(biāo)定狀態(tài)時(shí)，按下時(shí)統(tǒng)設(shè)備的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)出控制按鈕后，時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)可以校準(zhǔn)所有PC機(jī)的時(shí)鐘，使模擬測(cè)試設(shè)備具有了相同的初始時(shí)間。鑒于標(biāo)定的初始時(shí)間誤差無(wú)法精確測(cè)量，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的反推可知，系統(tǒng)的時(shí)間誤差在系統(tǒng)可接受的范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)圓滿達(dá)到測(cè)試要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，本論文提出的采用硬件實(shí)現(xiàn)多個(gè)PC機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一這一方法是可行的，達(dá)到了系統(tǒng)測(cè)試的要求。在需要統(tǒng)一標(biāo)定多個(gè)PC機(jī)本地時(shí)間的其他領(lǐng)域，也將會(huì)有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

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