區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)站間時(shí)間同步野值剔除方法研究

黃穎濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

在區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)中，基準(zhǔn)站站間時(shí)間同步是系統(tǒng)自主運(yùn)行的基礎(chǔ)，時(shí)間同步精度也是導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量、定位與導(dǎo)航的前提。目前，較為常用的無線電技術(shù)是采用雙向時(shí)間比對(duì)方法，即利用基準(zhǔn)站間時(shí)延測(cè)量信號(hào)的相互播發(fā)與接收，通過同時(shí)刻雙向時(shí)延測(cè)量值比對(duì)來實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。但該方法在遠(yuǎn)距離無線動(dòng)態(tài)下，特別是在高動(dòng)態(tài)條件下，因受站間無線通信手段的限制，不能及時(shí)獲得同時(shí)刻的比對(duì)數(shù)據(jù)，使時(shí)差測(cè)量值出現(xiàn)突跳，這將會(huì)導(dǎo)致時(shí)間頻率跟蹤環(huán)路波動(dòng)，且動(dòng)態(tài)越大，帶來的波動(dòng)越大，嚴(yán)重影響到基準(zhǔn)站間的時(shí)間同步性能。因此需要在實(shí)時(shí)獲取基準(zhǔn)站間時(shí)鐘基準(zhǔn)偏差測(cè)量值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行時(shí)差野值的判斷、剔除以及時(shí)差濾波處理，從而實(shí)現(xiàn)站間的高精度時(shí)間同步建立和維持。

1 雙向時(shí)間比對(duì)方法

雙向時(shí)間比對(duì)設(shè)備通過無線電交換時(shí)間同步信號(hào)，如果這個(gè)無線電通信鏈路是對(duì)稱的或者近似對(duì)稱的，那么雙向信號(hào)傳輸?shù)难舆t將得到很好的對(duì)消，這就是雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)所依據(jù)的基本原理。雙向時(shí)間比對(duì)原理如圖1所示。

圖1 雙向時(shí)間比對(duì)原理示意圖

如圖1所示，Δt為A、B兩站時(shí)差，A、B兩站發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備的時(shí)延分別為(tA,RA)和(tB,RB)，A站到B站路徑傳播時(shí)延為τ A，B站到A站路徑傳播時(shí)延為τ B，則兩計(jì)數(shù)器測(cè)量值分別為：

因?yàn)锳、B兩站站間的空間傳播路徑相同，即τA=τB。聯(lián)立式（1）和式（2）得：

式中，(tA,RA)和(tB,RB)是設(shè)備的硬件時(shí)延，可以通過事先標(biāo)定得到，計(jì)數(shù)器測(cè)量值已知，因此可得到兩站的時(shí)差值Δt。從基準(zhǔn)站即可依據(jù)時(shí)差Δt調(diào)整本地的時(shí)間，保持與主基準(zhǔn)站的時(shí)間同步。

2 區(qū)域?qū)Ш秸鹃g時(shí)間同步時(shí)差計(jì)算

基于雙向時(shí)間比對(duì)，系統(tǒng)間導(dǎo)航基準(zhǔn)站播發(fā)和接收設(shè)備硬件時(shí)延固定和站間兩個(gè)收發(fā)天線之間距離相同，通過從基準(zhǔn)站與主基準(zhǔn)站之間區(qū)域?qū)Ш叫盘?hào)傳播時(shí)延的相互測(cè)量，建立雙向比對(duì)時(shí)差測(cè)量模型。假設(shè)主基準(zhǔn)站為A，從基準(zhǔn)站為B，則有：

式中，Δti為i時(shí)刻從基準(zhǔn)站與主基準(zhǔn)站的時(shí)差值；ΔtAB為主基準(zhǔn)站A發(fā)射和從基準(zhǔn)站B接收之間的硬件時(shí)延；ΔtBA為從基準(zhǔn)站B發(fā)射和主基準(zhǔn)站A接收之間的硬件時(shí)延；tAB_i和tBA_i分別為在當(dāng)前i時(shí)刻，主基準(zhǔn)站A和從基準(zhǔn)站B之間導(dǎo)航信號(hào)互相收發(fā)的傳播時(shí)延。

在動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)同步過程中，會(huì)因各種突變因素帶來由測(cè)量數(shù)據(jù)突跳產(chǎn)生的時(shí)差值野值，若不剔除，會(huì)嚴(yán)重影響到時(shí)間同步性能。

3 時(shí)差野值剔除及濾波方法

在靜態(tài)情況下，站間時(shí)間同步相對(duì)穩(wěn)定，而動(dòng)態(tài)情況下，由于站間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取會(huì)有延遲，所以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)野值剔除分為兩步，即先需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推預(yù)測(cè)，然后再進(jìn)行野值的判斷及剔除。

對(duì)時(shí)差值的外推預(yù)測(cè)方法采用五點(diǎn)線性預(yù)測(cè)法，即通過當(dāng)前時(shí)刻i及前4 s 的時(shí)差值對(duì)下一時(shí)刻i+1 的時(shí)差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)公式為：

式中，系數(shù)權(quán)重Pj=(3j-7)/10；為時(shí)差值預(yù)測(cè)值。

在野值剔除過程中，設(shè)定其判決門限值M，將i時(shí)刻的時(shí)差測(cè)量計(jì)算值Δti與時(shí)差預(yù)測(cè)值作比較，若其差值小于判決門限M，則可判斷此時(shí)差測(cè)量計(jì)算值Δti有效可用，將其送入濾波器作后續(xù)處理，否則此時(shí)刻將采用時(shí)差五點(diǎn)線性預(yù)測(cè)值。具體判決過程如下：

式中，為預(yù)測(cè)時(shí)刻前連續(xù)5 s 的時(shí)差平均值，判斷門限取值選為其均方根σi的3 倍。

在將野值剔除后得到的時(shí)差值送時(shí)鐘頻率鎖定環(huán)路之前，為保障時(shí)差值的平穩(wěn)性，需對(duì)時(shí)差值進(jìn)行線性濾波處理，將濾波處理后的時(shí)差值送入時(shí)鐘頻率鎖定環(huán)路，達(dá)到時(shí)間同步的高精度維持。濾波處理方法如式（8）所示：

式中，Δti_r為i時(shí)刻經(jīng)過野值處理后的時(shí)差值；為i時(shí)刻經(jīng)過濾波處理后送入時(shí)鐘頻率鎖定環(huán)路的時(shí)差值，且=0。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)設(shè)備，進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)景為主基準(zhǔn)站A固定在經(jīng)度為114.465878°，維度為31.11754°，高度為65.44 m 的位置，從基準(zhǔn)站B安放在船艇上，在遠(yuǎn)離主站約1 km 的湖面上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)站B 運(yùn)動(dòng)軌跡

對(duì)于試驗(yàn)過程中時(shí)差值的采集記錄為1 s/次，針對(duì)外場(chǎng)試驗(yàn)中采集的時(shí)間同步時(shí)差值數(shù)據(jù)作如下分析：在從基準(zhǔn)站B動(dòng)態(tài)過程中，與主基準(zhǔn)站A作時(shí)間同步，時(shí)間同步維持過程中未經(jīng)處理的秒差值記錄數(shù)據(jù)如圖3所示。

從圖3中可以看出，基準(zhǔn)站B在動(dòng)態(tài)狀況下，時(shí)差值趨勢(shì)在+5 ns 和-5 ns 之間波動(dòng)，由于基準(zhǔn)站B被放置在汽艇上在湖面運(yùn)動(dòng)，在汽艇轉(zhuǎn)彎過程中，由于湖面的波動(dòng)及接收天線的角度變化，會(huì)出現(xiàn)因測(cè)距值突跳帶來的時(shí)差野值，若不剔除，直接送入時(shí)鐘頻率鎖定環(huán)路，則會(huì)影響時(shí)間同步的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到基準(zhǔn)站之間的測(cè)距。

圖3 時(shí)間同步未經(jīng)處理的時(shí)差值

在時(shí)差值數(shù)據(jù)采集的過程中，通過五點(diǎn)線性預(yù)測(cè)法對(duì)實(shí)時(shí)的時(shí)差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，可得到時(shí)差值的預(yù)測(cè)值，如圖4所示。

圖4 時(shí)間同步時(shí)差值的預(yù)測(cè)值

從圖4中可以看出，在基準(zhǔn)站B動(dòng)態(tài)過程中，時(shí)差值的預(yù)測(cè)值趨勢(shì)與未經(jīng)處理的時(shí)差值大體相同，在-5 ns 和+3 ns 之間波動(dòng)，沒有出現(xiàn)野值點(diǎn)。將時(shí)差值原始數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值作對(duì)比分析，如圖5所示。

通過時(shí)差野值剔除的判決公式，可得到原始時(shí)差值與預(yù)測(cè)值的偏差值與判決門限值的關(guān)系，如圖5所示，圖中虛線為判決門限值，實(shí)線為偏差值，從圖5中可以看出，有幾處的偏差值大幅度超過判決門限值，并從局部圖6中可明顯看出偏差值與判決門限值的關(guān)系。根據(jù)判決準(zhǔn)則，測(cè)量時(shí)差值將會(huì)被作為野值進(jìn)行剔除，并將預(yù)測(cè)值作為當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差值輸入線性濾波器中作處理，并將處理結(jié)果送到時(shí)鐘鎖定頻率環(huán)路中，最終處理結(jié)果如圖7所示，最終處理后的時(shí)差值維持了時(shí)差值原有趨勢(shì)，并有效剔除了檢測(cè)出的野值點(diǎn)。

圖5 時(shí)差值與預(yù)測(cè)值的偏差及門限值

圖6 時(shí)差值與預(yù)測(cè)值的偏差及門限值（局部圖）

圖7 原始時(shí)差值與處理后的時(shí)差值

5 結(jié)語

在區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的時(shí)間同步中，高動(dòng)態(tài)下時(shí)差值野值的出現(xiàn)會(huì)影響時(shí)間同步的精度，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文針對(duì)這一問題，提出一種時(shí)差值野值判斷剔除方法，利用實(shí)時(shí)的時(shí)差值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和設(shè)置自適應(yīng)判決門限，并對(duì)野值進(jìn)行判斷并剔除。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠有效地對(duì)時(shí)差野值進(jìn)行判斷并剔除，保障了系統(tǒng)基準(zhǔn)站站間時(shí)間同步的精度。