多機組網(wǎng)試飛時間同步方案*

趙福昌

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

1 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和機載航空電子裝備水平的迅速提高，現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境早已不是簡單分散、靜止不變的戰(zhàn)場環(huán)境，而是呈現(xiàn)出信號密集、種類繁多、對抗激烈、動態(tài)多變等特征的復雜電磁環(huán)境，作戰(zhàn)模式也由平臺獨立作戰(zhàn)模式向網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)變，單傳感器在戰(zhàn)場上受到的干擾和威脅越來越大，而傳感器組網(wǎng)可以提高傳感器的性能和抗干擾能力，本機利用自身的傳感器數(shù)據(jù)和收到的協(xié)同傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，以實現(xiàn)對目標的協(xié)同探測。多機組網(wǎng)試飛作為一種全新的傳感器使用試飛驗證模式，對于數(shù)據(jù)時間同步精度要求較高，如果參與協(xié)同的各個傳感器數(shù)據(jù)時間不能同步，就會造成相互協(xié)同的傳感器之間不能同步工作，協(xié)同工作邏輯和算法就無法驗證;如果系統(tǒng)通信傳輸時延過大，也會造成數(shù)據(jù)時間同步精度不高，數(shù)據(jù)傳輸滯后，影響數(shù)據(jù)實時解算精度，經(jīng)過融合后的數(shù)據(jù)精度也會下降，降低組網(wǎng)效能。目前國內(nèi)在這方面尚沒有一套完整的時間同步機制和相關(guān)的時間同步體系。文獻［1］提出了一種局域網(wǎng)內(nèi)的時間同步方法，文獻［2］提出了應(yīng)用TOA算法的海上艦艇編隊高精度時間同步系統(tǒng)設(shè)計，文獻［3］和文獻［4］提出了Link 16數(shù)據(jù)鏈時間同步的改進，但這些都不能完全解決多機組網(wǎng)試飛的時間同步問題。本文在分析多機組網(wǎng)試飛數(shù)據(jù)特點的基礎(chǔ)上，分別從傳輸時延、多普勒頻移、時間基準、數(shù)據(jù)采樣率等方面探討了試飛中協(xié)同數(shù)據(jù)的時間不同步原因，提出了一種基于IRIG－B碼的綜合時間同步方法，實現(xiàn)多機組網(wǎng)試飛的時間同步，并進行了試飛驗證。

2 系統(tǒng)組成

圖1是一個典型的雙機組網(wǎng)試飛系統(tǒng)，其組成一般包括2套組網(wǎng)系統(tǒng)和1套目標系統(tǒng)。其中傳感器系統(tǒng)1和傳感器系統(tǒng)2為參與組網(wǎng)的兩個傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)1和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)2為組成多機通信鏈路的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，組合慣導系統(tǒng)1和組合慣導系統(tǒng)2通過ARINC－429接口分別為相應(yīng)的傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提供本機的位置和姿態(tài)信息，測試系統(tǒng)1和測試系統(tǒng)2采集記錄相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)和慣導數(shù)據(jù)，并打上時間戳。GPS接收機1、GPS接收機2、GPS接收機3實時記錄各自飛機的位置信息，進行事后差分，用于事后數(shù)據(jù)處理和組網(wǎng)精度評估。

圖1 典型系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical system

該系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)有5種，下面分別介紹。

(1)GPS接收機輸出數(shù)據(jù)

本機和目標機位置數(shù)據(jù)，經(jīng)事后差分用于數(shù)據(jù)處理及試飛結(jié)果評估。由于GPS信號從衛(wèi)星傳到接收機所產(chǎn)生的誤差有衛(wèi)星參數(shù)誤差、傳播路徑誤差，以及接收機本身誤差等，各個誤差的數(shù)學模型也很難準確建立，因此GPS接收機所產(chǎn)生的秒脈沖相對于GPS系統(tǒng)時都有一定程度的誤差，一般高性能GPS接收機其數(shù)據(jù)同步精度可以達到μs級。

(2)慣性導航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)

本機位置數(shù)據(jù)，用于實時數(shù)據(jù)融合處理。慣性導航系統(tǒng)通常內(nèi)置GPS OEM板，在慣性導航系統(tǒng)中，需要將GPS和INS在同一時間點進行數(shù)據(jù)配準，由于坐標系轉(zhuǎn)化存在延遲，采用RS232或RS485串口通信也存在時間延遲，因此在組合慣導中通常采用軟件實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)和軟硬結(jié)合等方法來實現(xiàn)慣導數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的同步，一般組合慣導輸出數(shù)據(jù)的精度可以達到ms級。

(3)傳感器系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)

傳感器探測數(shù)據(jù)，用于實時融合和事后處理及評估，需要外接時間同步信號。

(4)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)

傳輸?shù)膫鞲衅魈綔y數(shù)據(jù)，用于實時數(shù)據(jù)融合。

(5)測試系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)

記錄的傳感器探測數(shù)據(jù)和本機組合慣導系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于事后處理及結(jié)果評估，需要外接時間同步信號。

該系統(tǒng)具有3個特點，即存在多個數(shù)據(jù)源和時間基準、要求實時數(shù)據(jù)時間同步和要求事后數(shù)據(jù)時間同步。

(1)存在多個數(shù)據(jù)源和時間基準

由于參試廠家設(shè)備較多，每架試驗機上或不同試驗機之間存在多個數(shù)據(jù)源，傳輸環(huán)節(jié)復雜，交聯(lián)接口種類多，數(shù)據(jù)傳輸途徑包含有線和無線傳輸，有線傳輸涉及429、422和以太網(wǎng)等多種總線類型，各個平臺的設(shè)備屬于多個廠家的不同系統(tǒng)，接口標準不盡相同，導致多個數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)傳輸存在傳輸延遲。

(2)要求實時數(shù)據(jù)時間同步

對于協(xié)同傳感器數(shù)據(jù)實時融合來說，數(shù)據(jù)同步是最重要的，而數(shù)據(jù)同步的難點就是將所有參與計算或處理數(shù)據(jù)統(tǒng)一到參考的標準時間上，即把試驗機上相關(guān)數(shù)據(jù)源的時間對齊，使各數(shù)據(jù)源在同一時刻具有相同的時間值，文獻［5－6］也指出多架飛機間數(shù)據(jù)鏈對實時性有一定要求。

(3)要求事后數(shù)據(jù)時間同步

協(xié)同試飛中還需要為事后數(shù)據(jù)與評估處理提供統(tǒng)一的時間尺度，用于數(shù)據(jù)融合效能的分析評估，因此這些數(shù)據(jù)在傳輸或記錄過程會被打上時間戳，如果測試采集的數(shù)據(jù)在時間軸上不統(tǒng)一，就無法進行事后數(shù)據(jù)處理分析，也就不能給出正確的評估結(jié)果。

3 影響時間同步因素

多機組網(wǎng)試飛時間同步應(yīng)包括機間時間同步和機內(nèi)時間同步，因此需要從機間同步和機內(nèi)同步兩個方面對時間基準、數(shù)據(jù)源、傳輸環(huán)節(jié)等影響時間同步的因素進行分析。

3.1 機間影響因素

(1)雙機之間存在傳輸時延

由于兩架飛機之間相距幾十公里至幾百公里，受數(shù)據(jù)傳輸率的限制，傳輸?shù)臅r間數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)越多，則無線信道的傳輸時延越大，具體體現(xiàn)為數(shù)據(jù)從協(xié)同機之間的傳輸延遲。

(2)雙機之間存在多普勒頻移

由于兩架飛機都處于相對高速運動狀態(tài)，通常具有很大的徑向速度和加速度，使得接收信號的載波具有很大的多普勒頻偏(高達幾十kHz，甚至上百kHz)和多普勒頻偏變化率(可高達數(shù)kHz/s)，接收信號存在的多普勒頻移使信號相位發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而不能正確解調(diào)時間和傳感器數(shù)據(jù)。多普勒頻移為 fD=vcosθ/λ，其中:fD是多普勒頻移，v是發(fā)射機和接收機之間的相對移動速度，θ是入射波與移動方向的夾角，λ=c/fc是載波的波長(c=3×108m/s，fc是載波頻率)。

3.2 機內(nèi)影響因素

(1)時間基準不完全一致

由于參試各廠家設(shè)備較多，每架試驗機上或不同試驗機之間存在多個數(shù)據(jù)源和不同種類的時統(tǒng)設(shè)備，如GPS接收機、組合慣導系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等，它們都是各自獨立的系統(tǒng)，對應(yīng)著不同的時間基準，各自的時間起點和基準均不一致。例如GPS接收機時間對應(yīng)于GPS時，其起點是1980年1月6日零時;組合慣導系統(tǒng)使用其內(nèi)部控制電路中的計時器，通常每次開機后從零開始計時;傳感器系統(tǒng)對應(yīng)北京時間，采用計算機內(nèi)部計時器進行計時。GPS接收機以原子時秒長作為自身秒長，能夠保證時間間隔的高穩(wěn)定性。傳感器系統(tǒng)計算機是依靠內(nèi)部晶振頻率作為計時基準，相對GPS時鐘其頻率并不穩(wěn)定，易發(fā)生漂移。

(2)數(shù)據(jù)采樣率不一致

每架試驗機上多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)更新率是不同的，例如組合慣導系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新率能夠達到幾十至幾百Hz;GPS接收機的數(shù)據(jù)更新率通常為10Hz左右，傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新率也能達到幾十至幾百Hz;GPS接收機能夠嚴格在整秒進行測量采樣，但組合慣導系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)并不能保證恰好也在整秒時刻進行測量采樣，也就是說，在某個GPS整秒時刻進行數(shù)據(jù)融合時，雖然此刻有GPS接收機輸出的測量值，但未必有組合慣導系統(tǒng)的測量值和傳感器探測數(shù)據(jù)值。

(3)存在傳輸時延

進行融合的數(shù)據(jù)通常需要經(jīng)過不同平臺的多型設(shè)備，傳輸環(huán)節(jié)復雜，交聯(lián)接口種類多，傳輸途徑涉及429、422和以太網(wǎng)等多種總線類型。因此，每路數(shù)據(jù)從源端到目標端都需要一定的時間，例如GPS接收機數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅飨到y(tǒng)過程中的延遲、組合慣導系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅飨到y(tǒng)過程中的延遲、協(xié)同飛機1的傳感器數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)到協(xié)同飛機2傳感器系統(tǒng)過程中的延遲等。

4 時間同步設(shè)計

4.1 時間同步方案設(shè)計

根據(jù)以上對多機組網(wǎng)試飛系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點和影響時間同步的因素分析，本文提出了基于IRIG－B碼的時間綜合同步方法，設(shè)計了時間同步方案，如圖2所示。該方案中的時間基準為標準B碼發(fā)生器，該設(shè)備內(nèi)含GPS模塊，與GPS模塊的PPS(秒脈沖)信號高度同步，并將GPS時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京時間的IRIG－B格式，輸出精確的IRIG－B格式對鐘信號，以實現(xiàn)高精度、高可靠性、多方式的系統(tǒng)對鐘，具體方法如下:

(1)采用基于IRIG－B碼的雙向時間同步算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時間同步;

(2)采用基于IRIG－B碼的單向時間同步法實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)和測試系統(tǒng)時間同步;

(3)采用標準IRIG－B碼發(fā)生器校準GPS接收機、組合慣導系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時間基準;

(4)采用基于IRIG－B碼分段時延測試法校準系統(tǒng)時延，建立時間延遲矩陣，修正時間延遲誤差。

圖2 時間同步方案Fig.2 Time synchronization scheme

4.2 時間同步實現(xiàn)方法

4.2.1 基于IRIG－B碼的雙向時間同步法

在多機組網(wǎng)試飛中，為實現(xiàn)協(xié)同機之間的時間同步，采用雙向時間同步法，由本機和協(xié)同機根據(jù)各自測量的發(fā)送和接收時刻計算出兩機之間的傳輸時延，從而計算出兩機的時間差，進而校準，以實現(xiàn)兩機時間同步。在本機方，由時碼發(fā)送單元向協(xié)同機發(fā)送時間信號的同時，由時統(tǒng)設(shè)備的1 PPS脈沖信號的前沿啟動時間間隔計數(shù)器，用接收到協(xié)同機的IRIG－B時碼信號解調(diào)獲得的1 PPS秒脈沖的前沿關(guān)閉同步計數(shù)器，測試時間間隔Tz。在協(xié)同機方，由時碼發(fā)送單元向本機發(fā)送時間信號的同時，由時統(tǒng)設(shè)備的1 PPS脈沖信號的前沿啟動時間間隔計數(shù)器，用接收到本機的IRIG－B時碼信號解調(diào)獲得的1 PPS秒脈沖的前沿關(guān)閉同步計數(shù)器，測試時間間隔Tx，Tzx是本機時碼信號發(fā)送到達協(xié)同機的時間延遲，Txz是協(xié)同機時碼信號發(fā)送到達本機的時間延遲，δt1、δt2為兩機秒信號的時間差，由于雙向時間頻率傳遞信號的傳播路徑相同和傳輸設(shè)備一致性，可得到 Tzx=Txz，δt1= δt1，Tx是協(xié)同機測量的本機發(fā)射時碼信號與協(xié)同機本地秒信號的時間差，Tz是本機測量的協(xié)同機發(fā)射時碼信號與本機秒信號的時間差。

考慮到飛機移動速度很快帶來較大的多普勒頻偏，對系統(tǒng)時間同步性能影響較大，可以采用基于FFT的頻偏估計和校正技術(shù)，通過在報文信號前插入前導碼序列，并對接收到的前導碼序列進行復數(shù)FFT運算，進行頻譜估計，再根據(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，如圖3所示。

圖3 FFT多普勒頻偏估算和校正Fig.3 FFT Doppler frequency offset estimation and correction

接收信號經(jīng)過下變頻、低通、匹配濾波后轉(zhuǎn)換為碼元寬度為Tn的數(shù)據(jù)序列，從而適合后面的FFT算法的運算。假設(shè)在0～T時間內(nèi)接收到的采樣信號為

其中，f0為載波頻率，Tn為調(diào)制符號的碼元寬度，θ0為調(diào)制相位。

接收信號與本地數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正交的本振信號(頻率為fc)進行混頻后得到s(n)的實部和虛部，分別是I(n)、Q(n):

把兩路匹配濾波器的輸出信號I、Q組合成復信號x(n)=Q(n)+jI(n)，對x(n)的N個數(shù)據(jù)做FFT，幅頻特性X(k)達到最大的k值，對應(yīng)可得到載波頻偏的估計值，作為載波NCO的頻率控制量。由數(shù)字信號處理的理論可知，復信號的離散傅里葉變換是單邊頻譜，當載波頻偏為正值時，幅值最大的譜線位于0～N/2之間，當載波頻偏為負值時幅值最大譜線位于N/2～N－1之間，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］，F(xiàn)FT頻率估計精度為fd/2N。

4.2.2 基于IRIG－B碼的單向時間同步法

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)時間同步，在系統(tǒng)中配置一臺標準GPS/IRIG－B碼發(fā)生器作為時間基準，該設(shè)備內(nèi)含GPS模塊，且與GPS模塊的PPS(秒脈沖)信號高度同步，將GPS時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京時間的IRIG－B格式，輸出精確的IRIG－B格式對鐘信號，以實現(xiàn)高精度、高可靠性、多方式的系統(tǒng)對鐘。然后在系統(tǒng)處理計算機和測試計算機中插入IRIG－B碼解調(diào)器，該解調(diào)器可接收并自動解調(diào)IRIG－B交流AC碼，進行濾波、整形，去掉載波，取出調(diào)制波，將IRIG－B碼中所包含的時、分、秒信息進行解碼，解碼的關(guān)鍵在于檢測IRIG－B碼中各個碼元的高電平寬度，當檢測到連續(xù)兩個8 ms的碼元出現(xiàn)的位置時，然后再檢測隨后的30個碼元脈沖寬度，以確定時、分、秒。再將生成的準確時間碼信號，以秒的準時點(1 PPS授時沿)為參考，生成微秒信息，產(chǎn)生準確的時間碼信號，通過計算機內(nèi)總線傳輸給計算機，IRIGB碼解調(diào)器解調(diào)AC碼的精度優(yōu)于1 μs，由于計算機只有在秒中斷到達時能讀取正確的時間，因此還要在計算機內(nèi)部實現(xiàn)精確定時，才能獲得每秒內(nèi)的精確時間間隔，在計算機采用Query Performance Counter()函數(shù)以實現(xiàn)精確定時，利用兩次獲得的計數(shù)之差及時鐘頻率，計算出數(shù)據(jù)采樣時刻的準確時間Tk，如圖4所示，其定時精度與計算機配置有關(guān)，可達到μs級。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4.2.3 基于IRIG－B碼的時間基準法

在多機組網(wǎng)試飛中，參與數(shù)據(jù)解算的時間基準有3個:數(shù)據(jù)鏈時鐘、慣導時鐘和GPS/IRIG－B碼發(fā)生器時鐘，由于每臺時統(tǒng)設(shè)備采用晶振的差異，時間會存在頻率漂移現(xiàn)象，時統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部定時分頻鏈路對時統(tǒng)同步帶來的偏差也可能導致時統(tǒng)設(shè)備對時精度存在一定差異，只有建立了統(tǒng)一的時間基準才能修正和補償數(shù)據(jù)傳輸延遲，完善時統(tǒng)修正量，提高時統(tǒng)對時精度。時間基準建立方法如下:

(1)標校GPS/IRIG－B碼發(fā)生器時鐘，建立時間基準。GPS/IRIG－B碼發(fā)生器的主要技術(shù)指標是它輸出的1 PPS脈沖前沿相對于UTC(Universal Coordinated Time)時間在秒級的時間準確度，如圖5所示，將標準GPS時鐘的秒脈沖與機載GPS/IRIG－B碼發(fā)生器的秒脈沖同時送到時間間隔計數(shù)器中，讓兩者在計數(shù)器中進行秒脈沖比較，其差值即為GPS/IRIG－B碼發(fā)生器時鐘精度;

圖5 GPS/IRIG－B碼發(fā)生器時鐘標校示意圖Fig.5 GPS/IRIG －B code generator clock calibration diagram

(2)采用比較法標校慣導時鐘。利用GPS/IRIG－B碼發(fā)生器對各飛機的慣導時鐘進行標校，將慣導的輸出數(shù)據(jù)添加IRIG－B碼時間戳后采集記錄，對比分析得到慣導時標和IRIG－B碼時間的差值;

(3)采用慣導時鐘作為時間傳遞時鐘，將慣導輸出的時間信息作為時間偏差的誤差傳遞變量。慣導同時輸出兩路數(shù)據(jù)，一路數(shù)據(jù)在不破壞慣導數(shù)據(jù)格式的前提下使用B碼時間替換慣導時標，同時數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)收到慣導數(shù)據(jù)后打上數(shù)據(jù)鏈時標，采集數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，對比分析得到B碼時間和數(shù)據(jù)鏈時標的差值;

(4)建立數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)統(tǒng)一的時間基準。

4.2.4 基于IRIG－B碼分段時延測試法

在統(tǒng)一不同時間基準的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)傳輸流程進行分解，對數(shù)據(jù)傳輸路徑進行分段，建立數(shù)據(jù)傳輸時延矩陣，分別利用機載GPS/IRIG－B碼發(fā)生器時碼發(fā)生器對所有傳輸環(huán)節(jié)進行傳輸測試，分析各段路徑的傳輸延遲和設(shè)備的處理延遲，并在數(shù)據(jù)處理時進行補償。

5 測試驗證

實際測試結(jié)果如下:

(1)標準GPS與機載GPS/IRIG－B碼發(fā)生器的時鐘相差為微秒級;

(2)GPS/IRIG－B碼發(fā)生器的時間與慣導時間相差為毫秒級;

(3)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時間與GPS/IRIG－B碼發(fā)生器時間相差固定值;

(4)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)內(nèi)部延遲很小，主要延遲為系統(tǒng)處理延遲和時間處理延遲。

由于本機和協(xié)同機上數(shù)據(jù)鏈時標與IRIG－B碼發(fā)生器輸出的標準北京時間存在固定差值，對于數(shù)據(jù)鏈處理機時標和標準北京時間存在固定差異的原因進行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈時標通過雙向時間同步法實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)同步時間統(tǒng)一時，由授時體制和算法造成了與標準時間IRIG－B碼存在固定偏差，該固定延遲測出后在系統(tǒng)處理計算機內(nèi)進行補償。

利用統(tǒng)一時間基準檢測并修正各環(huán)節(jié)時間誤差后，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)臄?shù)據(jù)同步精度滿足組網(wǎng)試飛要求。

按照本文中給出的同步方法進行了實際試飛驗證，組網(wǎng)探測精度達到ms級要求，滿足使用要求，并且也滿足事后融合效能分析評估要求。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)的特點提出了基于IRIG－B碼的綜合時間同步方案，初步解決了多機組網(wǎng)試飛中實時數(shù)據(jù)融合和事后數(shù)據(jù)評估的時間同步問題，數(shù)據(jù)時間同步精度基本控制在毫秒級，對于后續(xù)組網(wǎng)試飛具有一定的借鑒意義。隨著試驗的不斷開展，下一步將繼續(xù)研究提高多機組網(wǎng)試飛時間同步精度的方法。

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