海面艦船時(shí)間統(tǒng)一方法與系統(tǒng)

張 丹

（92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

精確的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)是艦船指揮、試驗(yàn)、演練的基本前提，艦載時(shí)間系統(tǒng)為艦船中的裝設(shè)備提供統(tǒng)一的精確時(shí)間信息、時(shí)間標(biāo)記信息或約定的時(shí)間控制信號(hào)。艦船編隊(duì)指揮、試驗(yàn)、演練的特點(diǎn)決定了其指揮單元分布廣闊，每個(gè)艦船要互相配合完成共同的任務(wù)。要使所有艦船裝設(shè)備協(xié)調(diào)工作，得到準(zhǔn)確可信的數(shù)據(jù)信息和資料，必須實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的時(shí)間和頻率統(tǒng)一。

時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分是時(shí)間傳遞，只有通過時(shí)間傳遞系統(tǒng)將時(shí)間頻率中心產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間可靠地傳送到各時(shí)統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和時(shí)統(tǒng)終端，才能保證整個(gè)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持一致，達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間統(tǒng)一的目的。目前，時(shí)間傳遞方法大致分為兩類，一類是網(wǎng)絡(luò)授時(shí)、長(zhǎng)波授時(shí)、短波授時(shí)、電話授時(shí)、電視授時(shí)等方法，精度較低，為微秒或亞微秒量級(jí)，主要用于民用；第二類精度較高，國(guó)際上常用的時(shí)間傳遞技術(shù)是衛(wèi)星時(shí)間傳遞和雙向時(shí)間傳遞技術(shù)（TTWT）[1]。衛(wèi)星時(shí)間傳遞系統(tǒng)利用空間的無線電波（衛(wèi)星到用戶的直達(dá)波）作為傳輸介質(zhì)，無線電波大部分時(shí)間是在近似真空下傳播的，可以達(dá)到很高的精度。目前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)有美國(guó)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GSNS）和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（DBS）等。雙向時(shí)間傳遞又分為衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞、微波雙向時(shí)間傳遞和光纖雙向時(shí)間傳遞[2]。其中，衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞和光纖雙向時(shí)間傳遞要求節(jié)點(diǎn)位置固定，并且光纖傳遞需要鋪設(shè)光纜，這兩種方式只適合陸地，對(duì)于海面艦船不適合。微波雙向時(shí)間傳遞是利用微波視距鏈路進(jìn)行時(shí)間信號(hào)的傳遞，時(shí)間傳遞的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置可以不固定，不需鋪設(shè)光纜，它可用于視距距離內(nèi)（一般為300km以下）兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間的時(shí)間同步，是適合海面運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的最佳方法。

圖1 高精度時(shí)間傳遞的基本原理Fig.1 Fundamentals of high precision time transfer

1 艦載微波雙向時(shí)間傳遞原理

1.1 高精度時(shí)間傳遞原理

在高精度時(shí)間傳遞系統(tǒng)中，中心站一般配備高穩(wěn)原子鐘（如：銫原子鐘或銣原子鐘），系統(tǒng)需要將此高穩(wěn)鐘源輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息（如1PPS信號(hào)）準(zhǔn)確地送給終端站，并在終端站恢復(fù)出來送給時(shí)間用戶。送給用戶的時(shí)間要與鐘源輸出的時(shí)間相一致，系統(tǒng)需要克服或者補(bǔ)償時(shí)間信號(hào)從鐘源輸出到終端站恢復(fù)過程中的傳輸時(shí)延。一般是將鐘源的時(shí)間信號(hào)在中心站推遲送出或者將終端站接收到的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，推遲或延時(shí)的量為1s減去傳輸時(shí)延，這樣終端站的秒脈沖位置將與中心站下一秒的位置相重合，只需要將協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的時(shí)刻值簡(jiǎn)單加1，即可實(shí)現(xiàn)終端站恢復(fù)的時(shí)間信號(hào)與鐘源輸出時(shí)間信號(hào)完全重合[3]。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，其中ΔTn為當(dāng)前的傳輸時(shí)延。

圖1中授時(shí)中心向授時(shí)站發(fā)送的電文包括：1PPS秒脈沖信息、秒脈沖對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)刻信息以及該秒脈沖從授時(shí)中心傳到授時(shí)站的傳輸時(shí)延信息ΔTn。授時(shí)中心除了提供標(biāo)準(zhǔn)的1PPS信息和UTC信息外，還需要提供ΔTn，授時(shí)站則需要記錄它接收到的每一個(gè)秒脈沖的精確位置，并由這個(gè)位置和ΔTn的值估計(jì)下一個(gè)秒脈沖的位置，這個(gè)過程稱為傳輸時(shí)延補(bǔ)償，授時(shí)站完成時(shí)延補(bǔ)償后向時(shí)間服務(wù)對(duì)象輸出lPPS信息和修正后的UTC時(shí)間，提供時(shí)間服務(wù)。時(shí)間服務(wù)的精確度取決于授時(shí)中心到授時(shí)站的傳輸時(shí)延信息的準(zhǔn)確程度和授時(shí)站傳輸時(shí)延補(bǔ)償?shù)木_度。

1.2 微波雙向時(shí)間傳遞原理

圖2 微波雙向時(shí)間傳遞系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition diagram of microwave bidirectional time transfer system

微波雙向時(shí)間傳遞基本原理是：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自時(shí)鐘的同一時(shí)刻在視距內(nèi)發(fā)射時(shí)間同步信號(hào)，然后接收對(duì)方的時(shí)間同步信號(hào)，根據(jù)各自時(shí)鐘的發(fā)送時(shí)刻和接收時(shí)刻信號(hào)的時(shí)刻來計(jì)算兩站之間的時(shí)延，進(jìn)而計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘鐘差。通過校準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。但在兩節(jié)點(diǎn)之間通過微波雙向法進(jìn)行時(shí)間傳遞的過程中，由于設(shè)備的時(shí)延、空間大氣折射和節(jié)點(diǎn)艦船運(yùn)動(dòng)等因素的影響，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的測(cè)量值并非兩節(jié)點(diǎn)時(shí)間基準(zhǔn)的真正時(shí)間差值，而是包含了諸多時(shí)延。

1.3 微波雙向時(shí)間傳遞系統(tǒng)組成

微波雙向時(shí)間傳遞系統(tǒng)主要有原子鐘、微波收/發(fā)信機(jī)、調(diào)制解調(diào)器（Modem）和時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器（TIC）等設(shè)備，系統(tǒng)組成如圖2所示。

微波雙向時(shí)間傳遞系統(tǒng)中，信號(hào)流程如下：由脈沖分配器把原子鐘產(chǎn)生的1PPS信號(hào)分成兩路，其中一路送至調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行調(diào)制，另外一路送至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器作為開門信號(hào)計(jì)數(shù)。前者到達(dá)調(diào)制器后進(jìn)行BPSK（Binary Phase Shift Keying——雙相移相鍵控）調(diào)制，然后再將調(diào)制好的信號(hào)生成70MHz的中頻信號(hào)，并作為調(diào)制器的輸出信號(hào)，70MHz的中頻信號(hào)輸入上變頻器進(jìn)行變頻為500MHz～650MHz的信號(hào)，再經(jīng)功率放大器放大后，由發(fā)射終端把信號(hào)發(fā)射出去。對(duì)方站收到信號(hào)后，由接收終端接收，通過低噪聲放大器，信號(hào)輸入下變頻器，將信號(hào)變?yōu)?0MHz的中頻信號(hào)，然后將70MHz的中頻信號(hào)輸入解調(diào)器，最后將解調(diào)器輸出的1PPS信號(hào)輸入時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器作為關(guān)門信號(hào)終止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。在A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行微波雙向時(shí)間傳遞操作的同時(shí)，B節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行同樣的操作，兩節(jié)點(diǎn)地位相等，通過兩節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，完成整個(gè)雙向時(shí)間傳遞的技術(shù)操作全過程。

2 艦載微波雙向時(shí)間傳遞的誤差分析

在微波雙向時(shí)間傳遞中，雖然由于信號(hào)的傳播路徑近似對(duì)稱，使路徑的影響原則上大部分被抵消，但是仍然有一部分非對(duì)稱性的因素影響了微波雙向時(shí)間比對(duì)的精度。這些因素主要有：1）時(shí)間間隔測(cè)量引入的誤差；2）設(shè)備的系統(tǒng)誤差；3）信號(hào)空間傳播路徑上的誤差，主要是空間大氣折射率引起的時(shí)延；4）信號(hào)在傳播過程中艦船的運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)延誤差。

2.1 時(shí)間間隔測(cè)量誤差

兩節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)差一般由高精度的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器來完成，現(xiàn)代高精度計(jì)數(shù)器的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到幾十ps量級(jí)。因此，該項(xiàng)誤差對(duì)于時(shí)間同步精度為納秒級(jí)別的可以忽略。

2.2 設(shè)備時(shí)延誤差

主要是設(shè)備發(fā)送和接收的時(shí)延誤差，包括調(diào)制解調(diào)器誤差、電纜時(shí)延誤差、發(fā)射和接收系統(tǒng)隨氣象（主要是溫度）的變化誤差等。

1）調(diào)制解調(diào)器誤差

信號(hào)經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的過程中，都會(huì)產(chǎn)生延遲。美國(guó)AOA公司的TW-100和德國(guó)TimeTech公司的SATRE用于衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞，一般估計(jì)其誤差約為30ps～100ps[4]。美國(guó)Symmitricom的TSC4402用于微波雙向時(shí)間傳遞，誤差約為600ps，主要用于通信測(cè)量。

2）電纜時(shí)延誤差

一般微波天線和Modem之間連接的通信電纜十米或幾十米不等，其延遲也需要精確測(cè)定[5]?？梢杂脮r(shí)間間隔計(jì)數(shù)器在常溫（25℃）下測(cè)量出整條電纜的延遲，并把這個(gè)值作為標(biāo)稱值。由于溫度變化對(duì)長(zhǎng)電纜的延遲影響較為明顯，可以通過實(shí)驗(yàn)在不同的溫度下，用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)出對(duì)應(yīng)的延遲，確定電纜的溫度系數(shù)，以便了解到電纜的精確延遲。

3）發(fā)射和接收系統(tǒng)隨氣象變化的誤差

發(fā)射和接收系統(tǒng)暴露于室外，溫度對(duì)設(shè)備誤差的影響較大[6]。為了精確測(cè)定設(shè)備時(shí)延與氣象因素的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的試驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院授時(shí)中心孫宏偉等人研究指出[7]，戶外單元（包括發(fā)射和接收系統(tǒng)）與溫度關(guān)系最大，一般溫度系數(shù)為-85ps/℃，整個(gè)溫度系數(shù)為（-100±30）ps/℃[8]。美國(guó)NIST（National Institute of standards and Technology）學(xué)者們的結(jié)果是接收時(shí)延溫度系數(shù)為 ( -150±10 ) ps/℃，發(fā)射時(shí)延溫度系數(shù)為 ( -50±10 ) ps/℃，整個(gè)溫度系數(shù)為 ( -100±30 ) ps/℃，該項(xiàng)誤差可通過溫度控制和對(duì)數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償?shù)玫浇档汀?/p>

電纜時(shí)延和發(fā)射接收系統(tǒng)隨氣象的變化誤差能夠事先測(cè)定并加以扣除，其誤差一般在0.2ns～0.5ns之間[9]。

2.3 信號(hào)空間傳播路徑上的誤差

信號(hào)空間傳播路徑上的誤差，主要是空間大氣折射率引起的時(shí)延。目前國(guó)際上空間大氣對(duì)流層時(shí)延修正誤差主要使用的是數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀３Ｒ姷拇砟Ｐ褪荋opfield模型和Saastamoinen模型。德國(guó)D.Piester 博士2007年由MPM模型計(jì)算的PTB-NICK鏈路的對(duì)流層與頻率有關(guān)延遲最大值約為4ps[10]。對(duì)流層的誤差修正還可以采用Marini模型來消除或減弱。但實(shí)際受溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)、雨、雪、雷、電等多因素影響，誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論推算，需要經(jīng)過實(shí)際測(cè)量、大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出估計(jì)值，該項(xiàng)誤差不屬于系統(tǒng)誤差，不可修正。

表1 各項(xiàng)誤差來源對(duì)微波雙向時(shí)間同步精度的影響Table 1 Effect of various error sources on microwave bidirectional time synchronization accuracy

2.4 信號(hào)在傳播過程中艦船運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)延誤差

艦船在海面航行時(shí)，由于艦船的運(yùn)動(dòng)，引起信號(hào)時(shí)延誤差，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了理論分析[11]，艦船運(yùn)動(dòng)引起時(shí)延誤差在0.1ns之內(nèi)。

表1列出了以上分析的各項(xiàng)誤差來源對(duì)微波雙向時(shí)間同步精度的影響。

由以上分析可知，影響微波雙向時(shí)間同步精度的主要誤差源為調(diào)制解調(diào)器誤差、電纜時(shí)延誤差、發(fā)射和接收系統(tǒng)隨氣象變化的誤差、時(shí)間間隔測(cè)量誤差。其中，調(diào)制解調(diào)器引入的誤差，可以通過提高調(diào)制解調(diào)器性能得到降低，電纜時(shí)延誤差能夠事先測(cè)定并加以扣除，發(fā)射接收系統(tǒng)隨氣象的變化誤差可通過溫度控制和對(duì)數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償?shù)玫浇档?，時(shí)間間隔測(cè)量誤差可以通過研究高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)降低。通過理論分析、計(jì)算，艦載微波雙向時(shí)間同步精度可達(dá)到1ns。

3 結(jié)束語

綜上分析，基于微波雙向時(shí)間傳遞的海面艦船編隊(duì)的時(shí)間同步精度在納秒量級(jí)，該理論分析、計(jì)算為今后建立海面運(yùn)動(dòng)艦船之間的時(shí)間同步系統(tǒng)提供理論依據(jù)。