一種空-地雙基地雷達時間同步方法

(軍械工程學院,河北石家莊050003)

0 引言

雙基地體制雷達由于接收機靜默工作、收發分置而具有良好的反偵察、抗反輻射導彈、抗干擾、反隱身隱蔽的“四抗”能力。常規的地-地雙基地雷達接收機和發射機易于精確定位且位置固定,可以采用一定的通信鏈路進行時間同步與頻率同步處理[1]。但空-地雙基地雷達發射機安裝在運動的空中平臺上,位置不斷變化,不利于高精度同步的實現[2]。因此,同步問題是需要解決的重點問題。同步問題包括3個方面,即頻率同步、空間同步和時間同步。針對發射機置于小型無人機上的戰場偵察空-地雙基地雷達空間同步問題,文獻[3]已經進行了研究和分析。本文主要討論該空-地雙基地雷達的時間同步問題。研究雙基地雷達利用GPS時間信號,對高穩恒溫晶振進行校頻,實現收發站的時間同步。最后給出實驗結果,驗證此方法的可行性。

1 空-地雙基地雷達時間同步

合作式雙基地雷達是依據接收的回波相對發射信號的時延來測量目標距離的,所以發射機和接收機之間嚴格的時間同步是準確定位目標的前提。此外,時間同步還是收、發之間頻率同步的基準。不僅如此,對采用脈沖追趕技術來實現空間同步的空-地雙基地雷達[3],計算脈沖追趕時間表需要高精度的同步時間。實現時間同步的方案主要有直達波同步法、直接同步法和間接同步法[4]。其基本原理及特點如表1所示。

表1 時間同步方案比較

直達波同步法需要設置專門的信道來提取同步信號,存在多徑效應和信雜噪比等問題[5],適用于發射功率較大且收發站距離不遠的情況。一般應用于非合作雙基地雷達。

直接同步法是將發射機的觸發脈沖經數據鏈直接送至接收機,目前常采用的是微波或光纖直接同步法,但同步精度較低[6]。

間接同步法是將獨立的時鐘作為時間基準,實現雙/多基地的時間同步,同步精度取決于時鐘的穩定度和準確度。常用的時鐘授時方案有衛星授時、短波授時、長波授時、內部時鐘授時[4]。其中,短波授時與長波授時受地理環境影響較大[7];衛星授時精度較高,可以達到納秒級的量級,但存在一定抖動和衛星失鎖的情況,導致較大的誤差[8];內部時鐘如原子鐘和高穩定度晶振穩定性較好,但長時間運行累積誤差較大[9]。

在對空-地雙基地雷達進行時間同步研究時,需要作以下考慮:

1)通常要求的時間同步精度為發射脈沖寬度的幾分之一量級,根據文獻[2]對發射機置于小型無人機上的空-地雙基地雷達的研究,該系統時間同步精度應達到數十納秒的量級,采用微波或光纖直接同步法無法達到該要求。

2)受空中平臺載重限制和尺寸限制,應盡量減少附加設備數量[10]。短波授時和長波授時需要專門的接收設備,而衛星授時與衛星定位用一個衛星信號接收設備,同時為時間同步和空間同步提供基準。

綜合以上各個方法的原理和特點,可采用衛星授時作為雷達系統的標準時間。目前衛星授時主要有GPS授時和北斗授時,GPS授時有單站法和共視法兩種,其精度可達5～20 ns[11];北斗授時有單向和雙向兩種,時間同步精度可達到數十納秒的量級[12]。由此可見,衛星授時精度已達到空地雙基地雷達系統要求,但衛星接收機輸出的時間信號存在較大的隨機誤差,穩定性差。相比之下,晶振和原子鐘隨機誤差小?，F擬采用晶振與衛星授時結合的同步方案為空-地雙基地雷達進行時間同步。接收機和發射機上各置同樣標準的高穩可調晶振與衛星信號接收機,將晶振分頻所得的秒信號與GPS或北斗的秒脈沖信號(1 pps)進行數字鑒相,結合晶振的壓控特性[13],得到對晶振的控制修正電壓,最終使晶振鎖定在衛星標準秒信號上,得到準確度和穩定度都較高的時間信號,其結構框圖如圖1所示。

圖1 同步系統結構框圖

其中,時鐘馴服單元選用FPGA作為主控器,對秒信號進行鑒相,將鑒相值進行濾波處理并轉化為控制電壓,最后將電壓值送入數模轉換器得出控制修正電壓,經可控晶振振蕩器的EFC(Electronic Frequency Control)端達實現對晶振頻率和相位的控制,得到同步脈沖信號。同步系統硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 同步系統硬件電路框圖

2 硬件實現及性能分析

根據上述方案設計的時間同步模塊輸出10MHz的同步信號及1 pps信號,狀態監測區可監測是否鎖定衛星信號,待衛星信號鎖定成功后模塊可正常工作。

對時間同步模塊進行測量時,選用Pendulum公司的CNT-90頻率計,控制面板如圖3所示。其頻率范圍最高可達60 GHz,頻率測量分辨率為12 bit/s,顯示位數最多為14 bit,滿足測試精度要求。該型號頻率計可通過USB接口或GPIB接口與計算機連接,將測量數據上傳,便于進一步計算。

圖3 CNT-90控制面板

衡量晶振性能的主要指標包括穩定度和準確性等[14]。頻率穩定度是用來在時域描述原子鐘輸出信號頻率受噪聲影響起伏的大小,最為常用的指標是阿倫方差[15]。頻率準確度定義為輸出頻率的實際值與標稱值的相對偏差[16]。為衡量時間同步系統性能,選用Time View軟件計算測量數據的統計特性。Time View軟件可以達到10 ns的采樣間隔,能夠計算出阿倫方差等統計量,準確反映時間同步系統的準確度和穩定度。

實驗中,為準確評估時間同步模塊長時間和短時間的性能,選取采樣間隔分別為1μs及1 s。作為比對,選取同樣型號的晶振但不采用衛星授時進行校準,分析統計特性。對設備進行預熱后,在相同環境下進行測量,結果如圖4所示。

圖4 時間同步模塊測量結果

有衛星授時進行校準時:當采樣間隔為1μs,測得方差為2.866 924 742 987 k Hz,頻率范圍為9.999 016 763 352～10.001 883 688 09MHz,均值為10.000 295 834 7MHz。當采樣間隔為1 s,測得方差為2.692 369 744 182MHz,頻率范圍為10.000 000 026 96～10.000 000 029 65MHz,均值為10.000 000 028 43MHz。

無衛星授時進行校準時:當采樣間隔為1μs,測得方差為2.091 790 451 983 k Hz,頻率范圍為9.999 250 056 246～10.001 341 846 7MHz,均值為10.000 217 824 47MHz。當采樣間隔為1 s,測得方差為238.909 596 644 3 Hz,頻率范圍為9.999 761 724 797～10.000 000 634 39MHz,均值為9.999 951 246 677MHz。

由以上4組數據可以看出,由于采用了衛星授時對晶振進行校準,同步模塊長時穩定性明顯優于晶振輸出頻率,頻率準確性提高3個數量級。根據均值及頻率范圍估算可知,時間同步模塊授時的精度達到了納秒級。由于衛星授時每秒進行一次校準,二者短時穩定性和準確性相差不大。

對于空-地雙基地雷達,時間同步精度達到脈沖寬度的幾分之一即可滿足雷達信號處理的要求。對于采用脈沖壓縮技術的雷達,有效脈寬為信號帶寬的倒數,如對于帶寬為40MHz的雷達,其有效脈寬約為25 ns。納秒級的同步精度高于這一指標要求。因此,可以得出結論,衛星校準技術解決了晶振累積誤差較高的問題,提高了長時穩定性和準確性,能應用于空-地雙基地雷達的時間同步。

3 結束語

相對于地基雙基地雷達而言,發射機置于小型無人機上的戰場偵察空-地雙基地雷達有著更復雜的設計與考慮,對時間同步的要求更高,實現難度更大。本文通過分析各個同步方案的基本原理和特點,提出利用高穩晶振與衛星授時結合的方法對系統進行時間同步。硬件實驗結果證明該方案能夠顯著提高晶振的穩定性和準確性,減小同步誤差。在實際同步過程中,考慮到工作環境等因素,可能還需要多方面的測試與調整。

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