一種低資源占用率的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈自主時間同步方法

顧仁財， 劉 飛， 車 敏

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068； 2.空軍工程大學理學院，西安 710051)

0 引言

多平臺協(xié)同作戰(zhàn)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要形式，高精度時空統(tǒng)一是實現(xiàn)多平臺協(xié)同作戰(zhàn)的重要基礎與前提[1]。基于衛(wèi)導授時是實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元時間同步的一種重要手段，然而，在電磁對抗日趨激烈的現(xiàn)代戰(zhàn)場中，衛(wèi)導的可用性難以保證；短波、長波等無線電廣播授時作用范圍廣，但授時精度不高[2]。以Link16為代表的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈是一種大容量、保密、抗干擾、時分多址的戰(zhàn)術信息分發(fā)系統(tǒng)，可以將各參戰(zhàn)單元連成一個統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡，以加快情報傳遞、統(tǒng)一指揮和協(xié)同作戰(zhàn)，在近幾次局部戰(zhàn)爭中得到了廣泛應用，被稱為“作戰(zhàn)效能倍增器”[3]。由于戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈通常具有很強的抗干擾、抗毀和保密性能，因此，基于數(shù)據(jù)鏈而實現(xiàn)的時間同步功能具有相同的抗干擾、抗毀能力，同步精度可達10～100 ns量級，可有效彌補衛(wèi)導、長波授時的不足[4]。

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈時間同步問題涉及端機、網(wǎng)絡、消息標準、數(shù)據(jù)處理等多個方面內容，具有一定的復雜性，受到了廣泛關注[5-9]。校時消息發(fā)送頻率是影響戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈時間同步精度的重要因素，校時消息發(fā)送越頻繁，時間同步精度越高。然而，戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡成員眾多，而戰(zhàn)術通信資源卻是有限的，因此，如何在有限資源下實現(xiàn)高精度時間同步是一個值得深入研究的問題。此外，為了確保戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡的抗毀性，某些重要網(wǎng)絡角色通常設有替補角色，那么新舊角色交接時如何確保自主時間同步功能的穩(wěn)定性同樣有待于進一步研究。

1 自主時間同步原理

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡時間同步主要通過雙向往返校時(RTT)方式實現(xiàn)，無需知道待同步成員和已同步成員的精確位置，避免無線信號在大氣傳播中的延遲誤差，RTT原理如下。

待同步成員(詢問端)在其時隙起點處向已同步成員(應答端)發(fā)送RTT詢問消息；已同步成員測量該消息信號到達時間Ti，并在固定時刻通過RTT應答消息將Ti數(shù)值發(fā)送給待同步成員；待同步成員測量RTT應答消息的信號到達時間Tr，計算其與已同步成員的時間偏差，如圖1所示。

圖1 RTT原理Fig.1 RTT mechanism

圖中:Ti為應答端機測出的詢問消息到達時間；Tr為詢問端機測出的應答消息到達時間；Td為RTT應答消息的發(fā)送時刻；Tp為RTT消息的傳播時間；ε為兩個用戶之間的時間偏移。由于ε+Tp=Ti,Td+Tp=ε+Tr，因此可得

ε=Ti-Tr+Td/2。

(1)

2 時間同步濾波算法

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈終端的時鐘頻率穩(wěn)定度可達10-9量級，由于時鐘存在老化現(xiàn)象，頻率準確度指標會隨時間推移變得越來越差，通常低于穩(wěn)定度指標1～2個量級。如果戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈時間同步精度指標為50 ns(1σ)，其中時鐘漂移分配的誤差為25 ns，那么對于時鐘頻率準確度為10-7的某個網(wǎng)絡成員而言，其須以4次/s的頻率發(fā)送RTT消息，則只需要32個成員就占有所有的時隙資源。因此，需要利用Kalman濾波算法對時鐘漂移規(guī)律進行濾波、跟蹤，基于Kalman濾波器的預測值對時鐘進行實時修正(如每100 ms修正一次)，以節(jié)省資源。同時，Kalman濾波器能夠有效降低時差測量值中的隨機誤差，提高時間同步精度。

時間同步狀態(tài)方程和測量方程為

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式中：Xk為k時刻系統(tǒng)特征的狀態(tài)向量；Zk為觀測向量；Ak-1為狀態(tài)由k-1時刻到k時刻的轉移矩陣；Hk為觀測矩陣；wk為k時刻系統(tǒng)輸入隨機噪聲向量；vk為觀測噪聲向量。

Kalman濾波方程如下所述。

1) 初始條件

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2) 一步預測

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(5)

3) 濾波更新

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Pk=(I-KkHk)Pk|k-1

(8)

式(8)中，I為單位矩陣。

濾波初始化是時間同步濾波器啟動的第一步，理論上只需兩次或三次時差測量就可以完成濾波器初始化，然而當RTT間隔時間較短、時差測量分辨率不高時，利用前兩次或三次的時差測量數(shù)據(jù)對濾波器進行初始化，可能會導致初始估計結果出現(xiàn)嚴重偏差，進而導致濾波器失效。因此，為了保證Kalman濾波器能夠穩(wěn)定工作、快速收斂，通常需要利用多次(如9次)時差測量數(shù)據(jù)對濾波器初始狀態(tài)和協(xié)方差陣進行估計。

由于實際環(huán)境中時差測量可能存在奇異值，為了防止Kalman濾波器發(fā)散，確保其可靠穩(wěn)定工作，需要對時差測量值進行合理性判定，將奇異值剔除。時差量測合理性判別準則如下：

(9)

2)

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3 RTT消息發(fā)送策略

為了獲得更高的時間同步精度，待同步成員總是期望頻繁地向時間基準(NTR)做校時。然而，當網(wǎng)絡成員較多時，即使所有成員以12 s的周期向NTR做校時也將占用較多網(wǎng)絡資源。因此，本文設計了一種自適應的RTT消息發(fā)送策略，具體包含以下兩個步驟。

1) 對接收到的初始入網(wǎng)消息和精確定位與識別(PPLI)消息的時間質量進行審查，建立或更新RTT源選擇列表。列表中包含至多4個最高時間質量等級的單元，這些成員的時間質量等級均高于本單元的時間質量等級，并按照時間質量等級從高到低進行排列。時間質量等級劃分如表1所示。

表1 時間質量等級表

如果兩個源的時間質量等級相同，則距離本單元較近者排前面，如果無法確定源距離本單元的距離，則最新接收到的源排前面。源選擇列表中的每個源包含的信息有序號、源平臺編識號、時間質量等級、與本單元的距離。

2) 本單元讀取源選擇列表，首先選擇列表中時間質量等級最高的源作為其準備發(fā)送RTT詢問消息的源，根據(jù)源的時間質量等級計算出時間門限值，如果本單元當前時間方差超過門限值，則在可用的時隙向該源發(fā)送RTT詢問消息。如果連續(xù)兩次詢問都未收到來自該源的RTT應答消息，則選擇列表中時間質量等級次高的源，計算相應的時間門限值，判定是否向該源發(fā)送RTT詢問消息，持續(xù)這個過程直至成功接收RTT應答消息或用完列表中的所有源為止。如果接收到RTT應答消息或遍歷整個源選擇列表，則重新讀取源選擇列表，重復本次操作。

計算時間偏差的估計方差門限值為

(11)

式中：Stq為源的時間質量等級；A=0.5。

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡中只有一個成員擔任NTR，NTR不需要與其他網(wǎng)絡成員做RTT校時，所有成員的時間都盡可能向NTR的時間對齊。為了提升網(wǎng)絡的抗毀性，戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通常設有替補NTR這一角色，當替補NTR監(jiān)測到NTR不在當前網(wǎng)絡時，便自動升級成為新的NTR。需要指出的是，由于網(wǎng)內其他成員已經與NTR建立好了時鐘相對漂移規(guī)律，因此，當替補NTR成為新的NTR時，其應保持之前建立的時鐘漂移模型繼續(xù)對本地時鐘進行校正，以確保網(wǎng)絡內其他成員的時間能夠平穩(wěn)地向新的NTR對齊，否則，網(wǎng)絡內所有非NTR成員的Kalman濾波器都將迅速發(fā)散、重啟。

4 實驗結果與分析

4.1 時差濾波算法

為了驗證Kalman濾波算法的性能，在實驗室環(huán)境下采集待同步數(shù)據(jù)鏈終端的時差測量數(shù)據(jù)(每1 s采集1次，共采集18 min)，如圖2所示。

圖2 時差量測與濾波跟蹤結果(濾波周期T=1 s)Fig.2 Time difference measurement and filter tracking results(filtering period T=1 s)

在數(shù)據(jù)采集過程中，待同步終端只進行時差測量不修正時鐘，以獲得時鐘的漂移曲線。從圖2中可以看出，在穩(wěn)定環(huán)境下，時鐘漂移曲線近乎為線性的。

對采集的原始時差測量數(shù)據(jù)進行多項式擬合，再對前12 min的時差測量數(shù)據(jù)進行Kalman濾波，后6 min基于Kalman濾波器估計的時鐘漂移規(guī)律對時間偏差進行預測，圖3所示為原始測量誤差曲線和濾波誤差曲線。

圖3 Kalman濾波誤差曲線(濾波周期T=1 s)

可以看出，Kalman濾波器能夠有效降低原始時差測量誤差，提高時間同步精度。此外，經過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可得：時鐘漂移速度約為83 ns/s，而利用Kalman濾波估計的時鐘漂移規(guī)律對時間偏差進行預測，6 min內預測誤差不到40 ns，即預測誤差僅約為0.1 ns/s，這充分證明了Kalman濾波能夠有效提升時鐘的守時能力，降低校時消息的發(fā)送頻率。

定義濾波增益=原始測量誤差/Kalman濾波估計誤差。表2顯示了不同RTT周期下的濾波增益，從表中可以看出，RTT周期對濾波器的估計精度有較大的影響，RTT越頻繁，濾波器估計精度越高，當RTT周期為12 s時，濾波器幾乎無法降低測量誤差。

表2 不同RTT濾波周期下的濾波增益

4.2 RTT消息發(fā)送策略

為了驗證本文RTT消息發(fā)送策略的有效性，假設戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈Ti與Tr的測量精度均為30 ns，NTR、替補NTR、主要用戶的時鐘性能如表3所示。

表3 不同網(wǎng)絡成員的時鐘性能

圖5 RTT消息發(fā)送周期Fig.5 RTT message transmission period

4.3 NTR角色轉換時的時間同步策略

為了驗證本文NTR角色轉換時的時間同步策略，在4.2節(jié)仿真條件的基礎上，假設前1800 s，替補NTR、主要用戶均向NTR做校時；在第1800 s處，NTR脫網(wǎng)，替補NTR轉換為新NTR，主要用戶向新NTR做校時。

如果新NTR保持原來的漂移模型繼續(xù)對本地時鐘進行修正，則新NTR、主要用戶與舊NTR的時間偏差曲線如圖6所示，圖7為后1800 s主要用戶與新NTR的時間偏差曲線。

圖6 新NTR、主要用戶與舊NTR的時間偏差曲線Fig.6 The time offset curve between new NTR，primary user and old NTR

圖8 時差測量統(tǒng)計距離

5 結束語

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈是贏得信息化戰(zhàn)爭的關鍵，時空統(tǒng)一精度是影響戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)效能發(fā)揮的重要因素。本文分析了戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈基于往返校時(RTT)的網(wǎng)絡時間同步機制，針對大規(guī)模網(wǎng)絡情況下RTT時隙資源受限的問題，設計了一種基于Kalman濾波的時差數(shù)據(jù)處理算法和一種自適應的RTT消息發(fā)送策略，可有效降低自主時間同步功能對時隙資源的需求。此外，本文還提出了一種時間同步策略，可以避免NTR角色轉移時網(wǎng)絡各成員Kalman濾波器需重啟的問題，提高時間同步功能的穩(wěn)定性。