海上舰艇编队高精度时间同步系统设计

刘 鹏，陈 颖，郭晓利

(中国舰船研究院，北京 100192)

海上舰艇编队高精度时间同步系统设计

刘 鹏，陈 颖，郭晓利

(中国舰船研究院，北京 100192)

针对舰艇编队遂行协同打击任务的高精度时统需求，提出一种超宽带CDMA体制的时统系统设计方案。该系统应用TOA算法，基于超宽带高时间分辨率波形设计，采用可靠同步、干扰抑制和FFT校频等关键算法，实现复杂电磁环境下作战节点快速移动中可靠高精度时间统一，时间同步精度达10 ns。关键算法仿真和试验样机测试证明该系统设计和关键算法合理有效。

时统;同步;TOA;CDMA

0 引言

随着信息技术的快速发展，传统作战模式发生了根本性变化，由原平台独立作战模式向网络中心协同作战模式转变，美军航母编队的CEC(协同作战能力)系统就是新时期协同防御作战的典范，该系统通过充分利用计算机、数据链、导航等信息系统将各自独立的作战单元联合起来，形成有机的作战实体，支持统一作战行动。协同作战是未来战争发展的必然趋势，要实现协同作战，必须实现作战空间时空基准的高度统一，信息化武器装备的协同作战高度依赖时空统一。本文针对海上编队协同作战对高精度时间统一的要求，提出一种采用超宽带CDMA技术体制，基于信号到达时延(TOA)算法的时间同步系统设计方案。

1 时间同步体系

信息化作战中建立统一的时间基准至关重要，时间统一可通过北斗授时、GNSS组合授时、长波授时和短波授时等多种方式实现。随着信息化武器装备的发展，对“时统”提出了越来越高的需求，迫切需要加强对“时统”的研发和利用，建立起自主的分层时间统一体系。按对时精度、范围不同，可建立如图1所示的3层时间统一体系:第一层为卫星授时，主要解决整个作战空间大范围的时间统一问题，但授时可靠性和抗干扰能力有限;第二层为短波、长波等无线电广播授时，作为大范围授时的备份，授时精度不高;第三层为区域时间统一，主要是解决某个局部作战区域高精度、高可靠、强抗干扰的相对时间同步问题，为武器控制、协同打击等提供统一的时间基线。综合3层体系多种授时手段，通过区域相对对时实现极高精度对时，再通过大范围时统手段同步区域时间基准，最终实现广袤作战空间内各类作战节点的统一时间溯源，满足各类作战活动对时间统一的不同层次需求。本文主要针对区域相对时间同步展开研究和设计。

图1 分层时间统一体系Fig.1 Top architecture of time synchronization system

2 海上编队协同作战对区域时统的要求

按照作战需求，战略、战术、战役级指挥、兵力指挥、态势生成、武器控制和协同打击等作战活动对时间统一的精度和范围要求各不相同，其中，武器控制、协同打击、协同防空等对时统的要求最为苛刻，可以归纳为:

1)时统精度要求高

编队内组织协同反潜、防空、对陆打击时，要求探测系统、武器系统、控制系统高度协同，基于统一的战场态势进行火力分配、武器控制和精确打击。高精度时间统一是分布式传感器协同探测的基础，支持分布式探测器联合探测高速运动目标，各分布式探测器基于统一精确的时间基准探测，可大大降低后级信息处理的难度，提高态势准确性、完整性和统一性;高精度时间统一是武器系统跨平台协同打击的前提条件，基于统一的时间基线才能实现从传感器到分布式武器系统的自同步和自组织协同，形成从传感器到射手的快速打击链，最终实现对高速来袭目标实施精确打击。经过理论计算分析和综合仿真，为支持协同防空和打击，编队内作战节点间的时间同步精度应在ns级。

2)时统手段具有抗摧毁和强抗干扰能力

信息化作战环境下，海上编队必将处于复杂的电磁环境下，当前敌实施电子战的模式已从大功率压制干扰模式转变为精确灵巧的干扰模式，即通过对关键系统、关键频段、关键信号实施精确干扰瘫痪整个信息保障系统，鉴于时间基准对信息系统的关键作用，时间基准系统成为敌干扰的首要目标之一。因此，支持协同打击、协同防空的时间统一系统必须具备强抗干扰能力，能在敌实施大规模电子干扰支援武器突击时持续可靠地提供精确时间基准。

3)时间同步信号具有隐蔽性

编队内为保持高度的时间同步，需频繁发送时间同步信号，这将大大提高敌无源探测系统对我方作战单元的发现概率，增加我方编队遭受敌反辐射攻击武器打击的风险，因此需提高时间同步系统的信号隐蔽性，采用低谱密度信号进行时间同步。

3 高精度时统系统设计

3.1 时间同步原理

基于信号到达时延(TOA)算法的时间同步原理如图2所示。网成员向系统时基成员每隔一段时间发出RTT询问，时基成员给出RTT回答，使网成员通过计算获得自身时钟与时基的漂移量。

图2 信号到达时延(TOA)时间同步Fig.2 TOA based time synchronization algorism

基于图2的双向RTT时间精确同步算法为:

式中:TOAR，TOAt分别为询问到达时间和回答到达时间;tP为信号传播延时;Δτ为要估计的时差。

3.2 系统设计

通过分析，考虑到区域时间同步系统对抗干扰性、隐蔽性等要求，提出一种工作于微波频段支持区域相对时间同步的系统方案，系统组成如图3所示。

图3 区域相对时间同步系统组成Fig.3 Limed region relative time synchronization system

区域相对时间同步系统由舰载时频管理系统、高稳定度频标和超宽带CDMA时间相对同步系统组成，舰载时频管理系统面向舰载时间用户，按需提供各种时间基准信号。高稳定频标作为系统的时钟输入，在一定时间内实现系统稳定守时。超宽带CDMA时间相对同步系统基于TOA时间同步算法实现区域内相对时间同步，其组成如图4所示。按照各作战节点在时间基准建立过程中的职责不同，可以分为时间用户节点和时间基准节点。时间基准节点为整个编队提供高精度的时间基准，时间用户节点通过无线手段与时间基准节点时间同步，由于编队时间基准惟一，编队所有作战节点分布式完成时间同步后，可实现编队区域内时间统一。编队内多个用户节点采用CDMA(码分多址)的多址方式，每个用户节点用特定惟一的伪码对信息进行扩频，基于码分多址共用信道。

图4 超宽带CDMA时间相对同步系统Fig.4 UWB-CDMA based relative time synchronization system

3.3 系统技术参数

超宽带CDMA时间相对同步系统主要的技术参数为:系统工作频段1.7～1.9 GHz;调制方式为MSK-DSSS;多址方式CDMA;伪码周期256;信号带宽20 MHz;信息速率1Mbps;支持不小于8个用户同时时间同步。

4 关键算法设计

如前所述，高精度时间同步系统需工作于复杂电磁环境，系统除基于扩展频谱技术获得抗干扰增益外，还需采用干扰抑制算法实现单频点干扰、窄带干扰和部分带干扰等多种类型大功率干扰的抑制;系统装载于快速移动作战节点，节点快速移动带来较大的多普勒频偏，影响系统时间同步的性能，采用基于FFT频率估计技术实现多普勒频偏的校正;系统基于低谱密度信号完成对时，需突破低信噪比同步算法，以较低的信号功率持续进行隐蔽通信完成高精度时间同步和同步保持。

4.1 低信噪比同步算法

高精度时间同步系统依靠接收机可靠检测到信号的到达时刻，这是时间精确同步的基础和实现高精度对时的关键，信号到达时刻的估计准确性直接决定系统对时的准确性。超宽带CDMA相对时间同步系统利用伪码将有用信息进行扩频，展宽信号频谱提高对时信号的时间分辨率，并依靠伪码尖锐的相关性实现信号到达时间的准确估计，因此，基于相关峰进行码相位的估计和同步是关键算法之一。伪码相关性影响系统的时间同步性能，当伪码相位对齐时，伪码相关值很大，当码相位相差超过一个码片时，伪码相关值降低，即伪码相关结果为如图5所示的伪码相关峰，通过检测相关峰出现的时刻实现信号到达时间估计。

图5 伪码相关峰Fig.5 Correlation peak of pseudo sequence

伪码同步分为码捕获和码跟踪2个过程:码捕获实现信号检测并将本地伪码与接收信号伪码的粗同步，使两者的相位差控制在半个码片(chip)之内;码跟踪在粗同步的基础上进一步精确同步，使最后的同步误差尽量小，并跟踪接收信号的码相位，同步状态得到保持。系统采用如图6所示的最大似然算法实现信号检测和码相位捕获。

图6 最大似然码相位捕获框图Fig.6 PN acquisition method based on maximum likelihood algorism

图7 低信噪比伪码同步单元框图Fig.7 PN acquisition method used in low SNR environment

4.2 大多普勒频偏校正技术

海上编队作战节点快速移动过程中进行时间同步，会带来较大的多普勒频偏，导致超宽带CDMA时间相对同步系统性能下降。采用基于FFT的多普勒频偏估计和校正技术，在信息前插入前导码序列，通过对接收到的前导码序列进行复数FFT运算，进行频谱估计。然后根据频谱能量最大值计算出频差，从而调整载波输出频率，对频率偏差进行校正，工作流程如图8所示。

采用FFT的方法得到的频谱估计存在一定的频率检测精度，当采样频率为fd时，FFT频率估计的范围为［－fd/2，fd/2］］，频率分辨率为 fd/N，其估计精度为fd/2N。

图8 基于FFT校频流程Fig.8 FFT based frequency adjust flow

4.3 强干扰抑制技术

针对复杂电磁环境下系统抗干扰问题，基于变换域干扰抑制算法进行干扰功率抑制。变换域干扰抑制主要由2个关键步骤组成，即变换和变换域干扰抑制。变换的目的是使在时域不容易被分离的信号和干扰在变换域比较容易分开，因此，选择的变换应该使有用信号均匀分布在所有变换域子带内，而干扰功率尽可能的集中在少数子带内，这样才能在抑制干扰的同时尽可能少的损失有用信号功率。实施变换域干扰抑制，要采用快速算法，且算法复杂度较低。变换域技术把扩频信号、热噪声以及干扰组成的混合信号映射到另一个域处理。一般将干扰映射为类似于冲击的函数，将有用信号映射为与干扰近似正交，具有平坦特性的波形。这样就能在较彻底去除干扰的同时对有用信号的损伤较小。

图9为变换域技术抑制部分带干扰的原理框图，首先对接收信号r—进行变换得到R—，然后检测干扰，调整陷波位置，将相应的谱线置零或者进行衰减;接着将抑制处理后的变换域分量反变换回时域，再与扩频码相关解扩得到判决变量，根据判决量进行后续的跳频同步，最后对解跳解扩后判决变量的极性做出判决。

图9 变换域干扰抑制原理Fig.9 Transform domain based interface suppression algorism

5 系统仿真

为验证系统设计的合理性以及系统关键算法的正确性和有效性，利用Matlab仿真工具对低信噪比下系统同步、强干扰抑制等算法进行了仿真。对部分关键算法进行了原理样机验证，用 Xilinx公司的Chipscope数据采集工具对结果进行了显示和分析。

图10为Eb/N0=5 dB时，采用非相干多码元累加算法检测到的伪码相关峰情况，从仿真中可以看出，随着累加次数的增加，相关峰越来越尖锐，即采用非相干累加可以提高码相位同步的性能。图11为Eb/N0=－5 dB条件下，系统不同非相干累加次数时间误同步概率曲线，仿真中设定，当系统检测信号到达时间与实际到达时间相差0.2 chip时，认为系统误同步，因此，图11为超宽带CDMA时间相对同步系统时间同步误差超过10 ns的概率曲线。由图11可以看出，随着累加数的增加，时间误同步概率下降，6次非相干累加时的检测性能比无累加的时间同步性能最多有8 dB的信噪比增益，当非相干累加6次，Eb/N0=－11 dB时还能达到10－3的时间误同步概率。

图12为本系统在干扰带宽占信号带宽5%时的部分带干扰情况下，时间误同步概率随干信比变化的曲线。仿真中，设定当系统捕获到的信号到达时间与实际到达时间相差0.2 chip时，认为时间误同步。因此，图12为系统时间同步误差大于10 ns的概率曲线。

为进一步测试系统关键算法的实际效果，对系统关键同步算法、干扰抑制算法进行了原理样机实现，并用Xilinx公司的Chipscope软件进行数据采集和显示分析。系统存在单频干扰的频域波形如图13所示，干扰抑制后的频域波形如图14所示，频域图形中的横线即为干扰门限。由实际的运行结果可以看出，未进行干扰抑制前，单频干扰的功率远远大于有用信号的功率，采用基于变换域的干扰抑制算法后，干扰功率明显减少，有用信号功率大于干扰功率。原理样机实现验证本系统能在低信噪比、强干扰环境下实现可靠时间同步。

图12 时间误同步概率随干信比变化Fig.12 Time mis-synchronization probability in different ISR

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A high precision time synchronization system design for naval formation

LIU Peng，CHEN Ying，GUO Xiao-li
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Aiming at the high precision time synchronization demand of naval formation execute operational cooperative attack，the article presents a design for time synchronization system，based on UWB CDMA technology.The system employ TOA algorism，high definition wave design，robust synchronization technology，and FFT frequency correcting technology，achieve reliable time synchronization in war-field complex electromagnetic environment.The time synchronization precision performance is higher than 10 ns.According to the simulation results，it has been proved assuredly that the proposed design and key algorithms are effective and has good performance.

time synchronization;synchronization;TOA;CDMA

TN914.53

A

1672－7649(2011)06－0046－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.012

2011－05－06

刘鹏(1980－)，博士，高级工程师，从事综合电子信息系统总体设计与仿真、通信系统、电子对抗研究。