基于GPS的衛星時間和頻率同步原理研究

摘 要:時間和頻率同步是雷達標校系統的關鍵技術之一，同步的實現是系統采用兩地雷達目標模擬技術所必須的。研究一種基于GPS的衛星時間和頻率同步方案，即接收GPS轉發的標準時間和頻率信號，采用同步模塊實現標校系統艦上和岸上兩地的時間和頻率同步，該方案優于傳統同步裝置的長時間校正頻率誤差，提高了標校系統的時間和頻率同步精度，從而減小了標校系統對雷達進行標定校準的誤差。

關鍵詞:雷達標校; 時間同步; 頻率校準; GPS

中圖分類號:TN98文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0008-03

Research of Synchronization for Satellite Time and Frequency Based on GPS

HOU Jian-hua1， WANG Bao-lin2， CAI Xin-jü2， LI Ting-jun2

(1.Yantai Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Yantai 264001， China;2.Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract: The time and frequency synchronization is a key technology of radar calibration system， the realization of synchronization is necessary for this calibration to adopt the technology of two-point radar target simulation. A method of synchronization for time and frequency based on GPS satellite is introduced， which is realized by receiving standard time and frequency signal transmitted from GPS satellite and adopting synchronization module to realize the time and frequency synchronization between sea-going part and harbor part. This method is superior to traditional synchronization device in aspect of long-time frequency error correction， greatly enhances synchronization accuracy of time and frequency in the calibration system， and reduces the error when the calibration system calibrates a ship radar.

Keywords: radar calibration; time synchronization; frequency calibration; GPS

0 引 言

雷達是艦船實施目標探測的關鍵，目標參數的準確度完全依賴于雷達的精度。采取何種方便、快捷、有效的標校方法來提高雷達精度是當前研究的熱門課題。針對艦船雷達的特殊性，本文采用基于GPS同步技術和雷達目標模擬技術的靜態有源標校方法構建新型艦船雷達標校系統，較好地實現了艦船雷達的機動式標校和經常性維修保障。

現代GPS的高頻率穩定度和納秒級的時間同步精度為標校系統應用雷達目標模擬技術提供了可靠的同步源，本文重點研究以GPS信號為基準的同步系統實現。

1 標校系統原理

1.1 標校系統組成

標校系統由GPS衛星、GPS接收機模塊、雷達天線收發模塊、數據傳輸模塊、延時處理模塊、標定模塊和控制系統模塊等組成。

1.2 標校系統工作原理

標校系統分為岸上標校部分和艦上被校雷達部分。首先通過數傳模塊互通使雷達操作員和標校人員協調雷達工作方式及相關數據，再利用兩個主控模塊控制GPS接收機模塊統一兩大部分的頻率f0和計時脈沖并設置好要測模擬目標的距離S和速度V，被校雷達開機后并發射信號的時刻被系統記錄N，岸上標校部分的天線收發模塊接收到被校雷達的發射信號并被系統記錄時刻M，岸上系統再通過延時處理模塊將雷達信號延時和多普勒頻移(延時對應值為距離S、頻移對應值為速度V，其中頻移是為了不需要采用高輻射功率就能很好地區別地、海雜波的干擾)，這樣得到一個雷達目標模擬回波信號再通過岸上雷達天線發射回去讓被校雷達接收，被校雷達得到一個目標信息，岸上部分通過數傳模塊將M，S傳給艦上部分，艦上標定模塊將這些數據信息進行綜合計算得出該被校雷達的測距誤差，其中設置好的S當作測距距離真值;其次，方位誤差主要是采用多個方位標多次測量取平均值的方法。最后，雷達操作員根據誤差對雷達測距零值和測角零值進行修正，完成對雷達的校準。該過程就是基于GPS同步技術和雷達目標模擬技術的雷達靜態有源標校。

2 同步系統設計及其實現

為了使岸上和艦上的雷達天線收發模塊能夠協調工作，雷達信號從被校雷達到標校系統時，艦上的發射機和岸上的接收機要有統一的時間標準即時間同步;為了接收和處理回波信號，艦上發射機和岸上接收機必須工作在相同的本振頻率，若要求進行脈沖壓縮和動目標檢測時，還需保持相位相參性，即頻率和相位同步。同理，雷達目標模擬回波信號從岸上標校系統到艦上被校雷達時，岸上發射機和艦上接收機也要統一的時間標準，處理回波信號時接收機要求工作在相同的本振頻率以保持相參。為滿足以上同步需求就必須使用時間與頻率信號傳遞技術。

在各種授時技術中，無線電信號是最重要、最方便、采用最為普遍的遠距離時間和頻率比對手段，主要有短波時號、長波時號、電視廣播和衛星系統等，利用短波時號時設備雖簡單但精度低;長波時號的精度較高但需短波粗同步;電視信號的精度較高，但時延不易確定;而利用空間衛星傳遞時間，具有精度高、覆蓋范圍大的優點，利用GPS接收機定時，只需跟蹤一顆衛星便可精確計算出相對美國海軍天文臺 UTC的時差，同步精度優于100 ns，時間同步穩定度在10 s內平均隨機誤差為15 ns[1]。

2.1 同步系統原理

傳統的時間同步裝置是通過對內部振蕩器振蕩頻率誤差、信號漂移誤差和相位誤差進行計算，并根據計算校正內部振蕩器的振蕩頻率獲得準確的時間信息，這種方式的同步裝置需要較長的時間來校正頻率誤差，而且校正后精度不是很高，尤其是瞬時頻率精度很難保證，從而使本次研究的雷達標校系統中各參數的測量出現較大的誤差。因此，結合本系統的實際，同步系統由GPS接收機、數傳模塊、同步模塊、時間計數模塊和中心控制器組成[2]。

2.1.1 時間同步

艦上和岸上兩地的GPS接收機分別接收來自GPS衛星的信號，用系統廣播的衛星位置信息按照一定的計算模型由用戶機自主計算單向傳播時延，校正衛星位置誤差、建模誤差(對流層模型、電離層模型等)后便可實現兩地GPS接收機的同步，同步后的GPS接收機輸出標準時間秒脈沖信號(長期穩定度為10-12，最大時間誤差25 ns)，經過同步模塊，得到f0(方波)作為中心控制器的時鐘，此時兩地時間同步。

2.1.2 校頻的實現

由晶振、放大器、計數器、鑒相器、緩沖器CPU和數模轉換器組成。

岸上和艦上的GPS接收機輸出的標準時間秒脈沖信號(1 PPS)作為同步模塊的輸入，去同步本地的高穩定晶體振蕩器。晶體振蕩器是系統頻率來源，為滿足兩地雷達接收機相噪指標，采用長期穩定度為10-11且短期頻率穩定度為10-10的f0高穩定度電壓控制晶體振蕩器(VCXO)，它是一個電壓/頻率變換裝置，特點是振蕩頻率隨輸入控制電壓線性地變化。計數器通過對晶體振蕩頻率的計算輸出內部1 PPS信號，為避免輸出的1 PPS信號與來自GPS接收機的1 PPS信號在初始相位上相差太大，用GPS接收機的1 PPS信號作為計數器開始計數的開門信號，鑒相器將計數器輸出的1 PPS信號與來自GPS接收機的1 PPS信號進行比較得出相位差，緩沖器存儲比較器輸出的相位差，然后送往微處理器，經計算后以數字形式向晶振輸出頻率差值，在進行數模轉換后對晶振電壓進行調整，從而實現對其振蕩頻率的校正，因此，同步模塊是一個鎖相環路，也是一個負反饋裝置。同步模塊經由放大器端輸出三路，一路f0正弦信號，作為雷達接收機頻率綜合器的頻率源，相同的頻率源以保證兩地雷達接收機的相參工作;兩路f0方波信號，一路作為時鐘信號送給中心控制器，另一路送到時間計數器模塊以GPS接收機輸出的1 PPS為標準進行計數[3]。

2.2 時間計數器模塊

計數器A和B被來自GPS的1 PPS同步脈沖觸發，當被校雷達發射信號時，系統記錄該時刻并通知計數器A為時刻N;當被校雷達的發射信號被岸上的標校系統收發天線接收時系統記錄該時刻并通知計數器B為時刻M，計數時序如圖1所示[4]。

圖1 計數器時序圖

為了完成岸上和艦上兩部分的測距，N和M兩個數值被數傳模塊送往系統標定模塊進行后續處理，主要原理是:(M-N)/f0就是艦上被校雷達發射信號到岸上標校系統天線收發模塊接收該信號的距離時間差，已知f0是時序計數脈沖[5]。由公式可以得到艦上和岸上距離為:S0=c(M-N)/f0，在計算被校雷達目標距離測量值時將會被標定模塊扣除2S0(包含信號的發射和返回兩個距離值)。

2.3 系統誤差分析

針對系統的距離誤差，存在關鍵的三個數據:S設定的模擬目標的距離真值;S0艦上和岸上兩部分的距離;Sr被校雷達得到模擬目標信號的讀取值。理論上，距離誤差應該是S和Sr-2S0的差值，即ΔS=Sr-2S0-S。根據ΔS對被校雷達的測距零值進行修正，完成距離校準。

實際上，為了提高標校系統的距離校準精度，減小真值相關數據的誤差是最有效的方法。

影響S0的有:計數器在計數時1 PPS脈沖本身有25 ns的最大時間誤差;另外，信標在通知計數器雷達信號發射接收兩時刻時存在電路處理延時，但鑒于兩地在通知過程都存在延時，因此M和N相減后基本沒有時間差，電路的微小差異決定此延時在5 ns以內。

影響S的主要是雷達信號在目標回波模擬過程中存在信號存儲和回放電路處理的延時tα(通常測定在100 ns以內)，此延時會直接導致被校雷達回波信號的測距延時而產生距離誤差，該延時應該在標校系統安裝延時處理模塊時就應該多次精確測定，系統在標定模塊就自動默認扣除，在系統扣除后此延時存在的波動誤差為總值的±10%，即20 ns[6]。

3 結 語

該雷達標校系統的同步裝置利用了同一個高精度基準即GPS衛星，通過衛星對地面中心站的標準時間頻率信號進行轉發，保證了對兩地時鐘的精確時間同步，精度優于100 ns，GPS接收機輸出高穩定標準時間秒脈沖信號(1 PPS)作為校頻的標準，兩地的壓控晶振頻率穩定度可達到10-11，在時間、頻率和相位上實現了同步的要求，從而保證了該系統兩地雷達接收機的相參工作，也減小了由同步時鐘非準確同步引起的測距離和誤差，提高了雷達標校系統的距離校準精度。

參考文獻

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