艦艇協(xié)同防空時間同步誤差對目標(biāo)定位的影響*

金 虎 王玉松

（1.91404部隊(duì) 秦皇島 066200）（2.海軍裝備部裝備審價中心 北京 100071）

1 引言

不同水面艦艇的多個平臺協(xié)同防空作戰(zhàn)，通過統(tǒng)一指揮和信息共享，可以根據(jù)不同水面艦艇空間分布位置的不同和探測裝備性能的差異，充分發(fā)揮不同平臺在空間位置和裝備性能上的相對優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更高的作戰(zhàn)效能，大大提高艦艇編隊(duì)的防空效率。為了能夠使不同水面艦艇的多個平臺能夠在統(tǒng)一的控制信息下協(xié)同運(yùn)作，并及時有效地分享探測數(shù)據(jù)，就必須通過時間同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各平臺的時間同步。

時間的同步可以分為粗略時間同步和精確的時間同步。其中精確的時間同步屬于微計時學(xué)的領(lǐng)域，廣泛的用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。多個作戰(zhàn)平臺和武器裝備系統(tǒng)在時間同步系統(tǒng)提供的控制信息、標(biāo)準(zhǔn)時間信息和標(biāo)準(zhǔn)頻率信息的協(xié)調(diào)下，也可以在進(jìn)行信號數(shù)據(jù)處理時保持高精度的同步運(yùn)行，達(dá)到多個平臺可以協(xié)同運(yùn)作和共享探測信息的目的［1]。

2 多平臺協(xié)同防空系統(tǒng)對時間同步的要求

多平臺協(xié)同防空系統(tǒng)通常由分布的多個探測警戒雷達(dá)系統(tǒng)、艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)、各級指揮和自動化系統(tǒng)等多個平臺系統(tǒng)組成。各個平臺系統(tǒng)協(xié)同工作，完成高數(shù)據(jù)率信息的實(shí)時采集、處理、分發(fā)、共享和協(xié)同動作，實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測的作戰(zhàn)模式，使多平臺協(xié)同防空相對于各平臺分別防空具有更高的運(yùn)作效率和作戰(zhàn)使用效能。在這種作戰(zhàn)模式下，需要有粗略的時間同步，保證協(xié)同防空系統(tǒng)各平臺之間指令和控制信息的準(zhǔn)確識別，也需要有精確的時間同步，保證各平臺之間共享的數(shù)據(jù)信息具有精確的時間標(biāo)志［2～3]。

另一方面，每個平臺的系統(tǒng)也往往包含多個獨(dú)立或不獨(dú)立的子系統(tǒng)和設(shè)備，也需要進(jìn)行相應(yīng)的時間同步。以探測警戒雷達(dá)系統(tǒng)為例，探測警戒雷達(dá)系統(tǒng)一般就是由多個同型號或不同型號的警戒雷達(dá)和目標(biāo)指示雷達(dá)組網(wǎng)構(gòu)成的，一個雷達(dá)把目標(biāo)的坐標(biāo)信息和運(yùn)動參數(shù)經(jīng)過誤差校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換之后共享分發(fā)給其他組網(wǎng)雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)對其他雷達(dá)的引導(dǎo)和輔助探測。由于組網(wǎng)雷達(dá)在空間上是分布配置的，工作方式、工作頻段和數(shù)據(jù)率也不盡相同。通過雷達(dá)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)探測信息的實(shí)時共享、高效共享和可靠共享［4]。在協(xié)同防空工作方式下，雷達(dá)與雷達(dá)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的過程中，由于數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)傳遞等時延環(huán)節(jié)的存在，必須對雷達(dá)數(shù)據(jù)添加時間標(biāo)識，從而使接收到共享數(shù)據(jù)信息的雷達(dá)根據(jù)當(dāng)前時間來計算共享數(shù)據(jù)信息的延時量。接收共享數(shù)據(jù)信息的雷達(dá)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的延時量進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證共享數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性［5]。

綜上，無論是協(xié)同防空系統(tǒng)的各個平臺之間，還是各個平臺內(nèi)部系統(tǒng)之間，都需要滿足相應(yīng)精度需求的時間基準(zhǔn)和時間同步信號，用于協(xié)同不同系統(tǒng)之間的動作、標(biāo)識數(shù)據(jù)的時間信息和補(bǔ)償共享數(shù)據(jù)信息的延時量。多平臺協(xié)同運(yùn)作時必須有時間同步系統(tǒng)提供滿足相應(yīng)精度要求的同步信號。

3 多平臺時間同步技術(shù)分析

現(xiàn)階段，已經(jīng)發(fā)展出多種技術(shù)來構(gòu)建時間同步系統(tǒng)，用于解決多平臺之間時間同步需求。

多時間源兼容技術(shù)：采用多個獨(dú)立的時間源并行工作，通過算法和技術(shù)解決各個時間源的工作狀態(tài)檢測評估、有效時間源的自動選擇和多個同步信號的兼容融合。多個時間源并行工作，可以極大地提高時間同步的可靠性和抗干擾性，提高設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力。

自主基準(zhǔn)共視比對技術(shù)：設(shè)置一個可以產(chǎn)生穩(wěn)定的時間同步信號的時間基準(zhǔn)，該時間基準(zhǔn)具有機(jī)動性，能夠在一定區(qū)域范圍內(nèi)以超短波或微波進(jìn)行廣播，各個平臺的時統(tǒng)設(shè)備分別接收同步信號，實(shí)現(xiàn)時間同步。該技術(shù)通過設(shè)置機(jī)動的自主時間基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)多個平臺的自主同步，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離相對時間同步的常用技術(shù)。共視比對的時間同步方法，在民用上常借助于衛(wèi)星信號，或者電視、通信等有固定時間標(biāo)志的信號實(shí)現(xiàn)。

雙向比對技術(shù)：在多個平臺站點(diǎn)中指定一個基準(zhǔn)站，其他各個平臺站點(diǎn)分別與基準(zhǔn)站雙向傳遞同步信號，通過對比同步信號，各個站點(diǎn)計算出自己與基準(zhǔn)站的同步誤差并對時鐘進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步。雙向比對技術(shù)通?？梢越柚l(wèi)星通信、光纖通信、微波通信等手段實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)：在對時間同步的精度要求不高的情況下，可以利用數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)現(xiàn)時間同步。網(wǎng)絡(luò)時間同步方式的精度往往相對較低，不適合用于數(shù)據(jù)信息傳遞網(wǎng)絡(luò)，但是對于指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用卻可以滿足使用需求，而且很容易實(shí)現(xiàn)大范圍的時間同步［6～8]。

不同的時間同步技術(shù)在可靠性、授時精度、授時范圍、實(shí)現(xiàn)方式等方面具有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。多平臺協(xié)同系統(tǒng)中既有低速率、低授時精度的控制指令等的信息傳遞和分發(fā)，也有高速率、高精度的目標(biāo)信息和處理數(shù)據(jù)的共享和傳遞，往往會根據(jù)實(shí)際需求使用兩種或多種技術(shù)手段來構(gòu)建時間同步系統(tǒng)［9]。

4 時間同步誤差對目標(biāo)定位測量精度的影響

防空作戰(zhàn)中，對目標(biāo)的定位主要是由雷達(dá)系統(tǒng)來完成的。由于各個雷達(dá)平臺在空間分布配置、工作方式、探測威力、探測精度、工作頻段等的不同，采用多平臺組網(wǎng)協(xié)同防空的作戰(zhàn)模式可以增加探測威力，提高對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，但是在數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)共享過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息時間同步誤差直接影響了所傳遞和共享的數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確度。分析時間同步誤差對目標(biāo)定位測量精度的影響，對提升目標(biāo)定位精度和作戰(zhàn)效能評估都具有十分重要的意義［10～12]。

4.1 輔助跟蹤條件下的時間同步誤差影響

如圖1所示，在輔助跟蹤條件下，一個雷達(dá)平臺（O點(diǎn)）接收到其他平臺共享的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后目標(biāo)相對于本平臺的位置為A點(diǎn)（斜距r，方位角α，俯仰角β），假設(shè)兩個平臺之間存在時間同步誤差，那么目標(biāo)的真實(shí)位置可能會在另外一個位置B點(diǎn)。AB之間的距離就是兩者之間的空間相對距離s，且s等于目標(biāo)的飛行速度v和時間同步誤差Δt的乘積。如果平臺之間的時間同步誤差越大，目標(biāo)的飛行速度越快，那么共享目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的誤差越大，數(shù)據(jù)信息的有效性也越低。

圖1 輔助跟蹤條件下時間同步誤差對目標(biāo)定位精度影響示意圖

4.2 交叉定位條件下的時間同步誤差影響

如圖2所示，在交叉定位工作模式下，O1（x1，y1，z1）平臺和O2（x2，y2，z2）平臺分別被動接收目標(biāo)A（x，y，z）發(fā)出的輻射信號，測量得到目標(biāo)的參數(shù)信息為：方位角α，俯仰角β。由于O1平臺通過被動跟蹤的方式測得了目標(biāo)參數(shù)（α1，β1），根據(jù)幾何原理，只需要結(jié)合 O2平臺測得的目標(biāo)參數(shù)（α2，β2）中的一個值，就可以通過交叉定位的方式確定測量目標(biāo)的位置［10]。反之O2平臺也可以通過測得的目標(biāo)參數(shù)（α2，β2），結(jié)合O1平臺測得的α1或者β1，也可以確定測量目標(biāo)的位置。下面以O(shè)1平臺為例，結(jié)合O2平臺的方位角α2參數(shù)解算測量目標(biāo)的斜距信息R。

其中L是O1平臺與O2平臺的距離。

圖2 交叉定位條件下時間同步誤差對目標(biāo)定位精度影響示意圖

假設(shè)O1和O2兩個平臺之間存在時間同步誤差Δt，存在時間同步誤差情況下兩平臺通過交叉定位確定的目標(biāo)位置為B點(diǎn)。如圖2所示，A、B在x-y平面的投影分別為A′、B′，A、B在x軸的投影分別為C、D，作B′在A′C上的垂線，垂線與A′B′的夾角為θ，在那么解算得出的目標(biāo)斜距信息R1為

其中：

O2平臺對目標(biāo)方位角測量結(jié)果的均方差為

那么考慮時間同步誤差后，O1平臺對目標(biāo)斜距R'1的均方差為

其中，L是O1平臺與O2平臺的距離，σL是L的均方根誤差，σα1，σα2，σβ1分別是目標(biāo)方位角α1，α2和俯仰角β1的均方根誤差。

由式中可以看出，交叉定位條件下，兩平臺之間的時間同步誤差越大，目標(biāo)定位的距離精度就越差（由于目標(biāo)位置信息中的方位角、俯仰角信息本平臺可以直接測量得到，所以目標(biāo)定位的方位角、俯仰角精度只和本平臺的測量精度有關(guān)）。同時，如果多平臺協(xié)同防空系統(tǒng)具有明確的精度指標(biāo)要求時，可以由上式反過來確定協(xié)同防空系統(tǒng)對整個系統(tǒng)時間同步精度的最低要求。

5 結(jié)語

水面艦艇多平臺協(xié)同防空時，能夠通過統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)信息共享來有效地提高作戰(zhàn)效能，但是不同平臺之間的時間同步誤差對整個防空系統(tǒng)目標(biāo)定位的精度有負(fù)面影響。時間同步誤差越大，目標(biāo)定位的精度越低，多平臺協(xié)同防空的效率也越低。文中分析了水面艦艇多平臺協(xié)同防空對時間同步系統(tǒng)的需求，討論了時間同步系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，分析并建立了時間同步誤差對定位精度影響的數(shù)學(xué)模型。

通過分析時間同步誤差對目標(biāo)定位測量精度的影響，可以明確在滿足作戰(zhàn)需求的條件下，時間同步系統(tǒng)所需要滿足的精度，也可以分析出在現(xiàn)有時間同步精度條件下，目標(biāo)定位測量誤差的范圍。