艦艇協同防空時間同步誤差對目標定位的影響*

金 虎 王玉松

（1.91404部隊 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同防空作戰，通過統一指揮和信息共享，可以根據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，充分發揮不同平臺在空間位置和裝備性能上的相對優勢，實現更高的作戰效能，大大提高艦艇編隊的防空效率。為了能夠使不同水面艦艇的多個平臺能夠在統一的控制信息下協同運作，并及時有效地分享探測數據，就必須通過時間同步系統實現各平臺的時間同步。

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的領域，廣泛的用于科學實驗。多個作戰平臺和武器裝備系統在時間同步系統提供的控制信息、標準時間信息和標準頻率信息的協調下，也可以在進行信號數據處理時保持高精度的同步運行，達到多個平臺可以協同運作和共享探測信息的目的［1]。

2 多平臺協同防空系統對時間同步的要求

多平臺協同防空系統通常由分布的多個探測警戒雷達系統、艦空導彈系統、各級指揮和自動化系統等多個平臺系統組成。各個平臺系統協同工作，完成高數據率信息的實時采集、處理、分發、共享和協同動作，實現協同探測的作戰模式，使多平臺協同防空相對于各平臺分別防空具有更高的運作效率和作戰使用效能。在這種作戰模式下，需要有粗略的時間同步，保證協同防空系統各平臺之間指令和控制信息的準確識別，也需要有精確的時間同步，保證各平臺之間共享的數據信息具有精確的時間標志［2～3]。

另一方面，每個平臺的系統也往往包含多個獨立或不獨立的子系統和設備，也需要進行相應的時間同步。以探測警戒雷達系統為例，探測警戒雷達系統一般就是由多個同型號或不同型號的警戒雷達和目標指示雷達組網構成的，一個雷達把目標的坐標信息和運動參數經過誤差校準、轉換之后共享分發給其他組網雷達，可以實現對其他雷達的引導和輔助探測。由于組網雷達在空間上是分布配置的，工作方式、工作頻段和數據率也不盡相同。通過雷達組網，實現探測信息的實時共享、高效共享和可靠共享［4]。在協同防空工作方式下，雷達與雷達之間進行數據傳遞的過程中，由于數據處理、網絡傳遞等時延環節的存在，必須對雷達數據添加時間標識，從而使接收到共享數據信息的雷達根據當前時間來計算共享數據信息的延時量。接收共享數據信息的雷達系統對數據的延時量進行補償，從而保證共享數據信息的準確性［5]。

綜上，無論是協同防空系統的各個平臺之間，還是各個平臺內部系統之間，都需要滿足相應精度需求的時間基準和時間同步信號，用于協同不同系統之間的動作、標識數據的時間信息和補償共享數據信息的延時量。多平臺協同運作時必須有時間同步系統提供滿足相應精度要求的同步信號。

3 多平臺時間同步技術分析

現階段，已經發展出多種技術來構建時間同步系統，用于解決多平臺之間時間同步需求。

多時間源兼容技術：采用多個獨立的時間源并行工作，通過算法和技術解決各個時間源的工作狀態檢測評估、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，提高設備在復雜電磁環境下穩定工作的能力。

自主基準共視比對技術：設置一個可以產生穩定的時間同步信號的時間基準，該時間基準具有機動性，能夠在一定區域范圍內以超短波或微波進行廣播，各個平臺的時統設備分別接收同步信號，實現時間同步。該技術通過設置機動的自主時間基準，可以實現體系內多個平臺的自主同步，實現遠距離相對時間同步的常用技術。共視比對的時間同步方法，在民用上常借助于衛星信號，或者電視、通信等有固定時間標志的信號實現。

雙向比對技術：在多個平臺站點中指定一個基準站，其他各個平臺站點分別與基準站雙向傳遞同步信號，通過對比同步信號，各個站點計算出自己與基準站的同步誤差并對時鐘進行修正，從而實現系統的同步。雙向比對技術通常可以借助衛星通信、光纖通信、微波通信等手段實現。

網絡時間同步技術：在對時間同步的精度要求不高的情況下，可以利用數據通信鏈路實現時間同步。網絡時間同步方式的精度往往相對較低，不適合用于數據信息傳遞網絡，但是對于指揮控制系統網絡的應用卻可以滿足使用需求，而且很容易實現大范圍的時間同步［6～8]。

不同的時間同步技術在可靠性、授時精度、授時范圍、實現方式等方面具有各自的特點和應用范圍。多平臺協同系統中既有低速率、低授時精度的控制指令等的信息傳遞和分發，也有高速率、高精度的目標信息和處理數據的共享和傳遞，往往會根據實際需求使用兩種或多種技術手段來構建時間同步系統［9]。

4 時間同步誤差對目標定位測量精度的影響

防空作戰中，對目標的定位主要是由雷達系統來完成的。由于各個雷達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，采用多平臺組網協同防空的作戰模式可以增加探測威力，提高對目標的發現概率，但是在數據傳遞和數據共享過程中所產生的數據信息時間同步誤差直接影響了所傳遞和共享的數據的時效性和準確度。分析時間同步誤差對目標定位測量精度的影響，對提升目標定位精度和作戰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，一個雷達平臺（O點）接收到其他平臺共享的目標數據信息，經過坐標轉換之后目標相對于本平臺的位置為A點（斜距r，方位角α，俯仰角β），假設兩個平臺之間存在時間同步誤差，那么目標的真實位置可能會在另外一個位置B點。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，目標的飛行速度越快，那么共享目標數據信息的誤差越大，數據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A（x，y，z）發出的輻射信號，測量得到目標的參數信息為：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參數（α1，β1），根據幾何原理，只需要結合 O2平臺測得的目標參數（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的位置［10]。反之O2平臺也可以通過測得的目標參數（α2，β2），結合O1平臺測得的α1或者β1，也可以確定測量目標的位置。下面以O1平臺為例，結合O2平臺的方位角α2參數解算測量目標的斜距信息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定位精度影響示意圖

假設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位置為B點。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斜距信息R1為

其中：

O2平臺對目標方位角測量結果的均方差為

那么考慮時間同步誤差后，O1平臺對目標斜距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，目標定位的距離精度就越差（由于目標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，所以目標定位的方位角、俯仰角精度只和本平臺的測量精度有關）。同時，如果多平臺協同防空系統具有明確的精度指標要求時，可以由上式反過來確定協同防空系統對整個系統時間同步精度的最低要求。

5 結語

水面艦艇多平臺協同防空時，能夠通過統一控制和數據信息共享來有效地提高作戰效能，但是不同平臺之間的時間同步誤差對整個防空系統目標定位的精度有負面影響。時間同步誤差越大，目標定位的精度越低，多平臺協同防空的效率也越低。文中分析了水面艦艇多平臺協同防空對時間同步系統的需求，討論了時間同步系統的構建技術，分析并建立了時間同步誤差對定位精度影響的數學模型。

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