武器系统基于GPS时间同步方法研究

郝士林 严 超 毕 进

(西安电子工程研究所 西安 710100)

总体工程

武器系统基于GPS时间同步方法研究

郝士林 严 超 毕 进

(西安电子工程研究所 西安 710100)

本文简要介绍了GPS授时原理，并以某型防空导弹武器系统为例，讲述武器系统基于GPS时间同步方法的改进升级过程，最后介绍一种基于GPS的时间自同步方法，并通过仿真验证了这种自同步方法的优势和可行性。

GPS秒脉冲；时间自同步；武器系统；

0 引言

防空导弹武器系统往往由多个单体装备组成，通常包括搜索雷达车、指挥车、导弹发射车、制导雷达车等装备。武器系统进行目标拦截的过程，同时也是目标信息传递与外推、作战控制指令响应的过程。目标信息的外推与传递、作战控制指令的响应要求具有严格的时效性，所以需要为各个单体建立统一的时间基准，使各个单体间时间同步。时间同步手段也因为通信技术的快速发展而不断进步，精度也在不断提高[1,2,3]。GPS 时间同步以 GPS 卫星信号为时钟源，具有精度高，稳定性好，不易受干扰，且维护方便等优点，在需要进行时间同步的数据采集系统中得到了广泛的应用[1]。

GPS时间同步是通过 GPS 卫星获取标准的时间信号，并将这些信息通过各种类型的接口来传输给自动化系统中需要时间信息的设备。而GPS作为唯一的时间源头，能很好的保证各个装备之间的时间同步的准确性。

1 GPS授时原理

GPS是美国国防部研制开发的一套用于精确定位三维坐标以及提供高精度时间标准的系统，GPS时间系统以原子频率标准作为时间基准[4]，GPS 接收机只要接收到 1 颗 GPS 卫星的信号就能保证时钟的准确性[5]。

某型防空导弹武器系统，主战装备由搜索雷达车、指挥车和多辆导弹发射车组成。各个装备内部时间分别来自于搜索雷达车的信号处理机、指挥车的指令发射机和导弹发射车控制计算机。时间同步是各个单体分别以GPS为的时间数据和秒脉冲信号为基准源，秒脉冲信号作为触发信号使用[6],形成单体的时间，GPS时间同步数据流示意图见下图。其中，GPS会每秒输出一次脉冲信号，每100ms输出一次GPS数据，GPS数据包括日期、时间、定位定向信息。

2 时间自同步方法设计

2.1 时间同步方法一

这种时间同步方法依赖于GPS的秒脉冲信号和GPS数据。当秒脉冲信号到来后的500ms取GPS数据中的日期和时分秒作为本地时间的日期和时分秒，秒脉冲信号作为时间秒的累积激励，在两个秒脉冲信号间以1ms为单位采用内插法进行内插得到毫秒,当毫秒内插变量内插到1s后，内插变量重新从1内插，在秒脉冲信号到来的下降沿秒加1，且内插变量清零，日期、时分秒和毫秒求和按时间格式输出本地时间。此时间同步方法实现流程图如下。

2.2 时间同步方法二

时间同步方法二是时间同步方法一的改进型，基本原理与同步方法一相同，不同之处在于当毫秒累计变量累计到1s时，秒加1，在因毫秒计数变量带来的秒增加的500ms内秒脉冲到来，秒不加1，内插变量不清0。

2.3 时间自同步方法

时间自同步方法是通过GPS秒脉冲信号和GPS数据完成一次时间同步后，可不在需要GPS信息，同步设备自己产生并维持同步秒脉冲信号，同步秒脉冲脉宽与秒脉冲一致，如果GPS存在，可根据GPS秒脉冲进行同步秒脉冲的修正。

同步设备接收到秒脉冲信号时，在秒脉冲的上升沿，形成同步秒脉冲信号，此时同步设备有了秒的基准，秒脉冲信号的实时性比串口数据的实时性好，故在秒脉冲信号到来后的500ms，为此秒脉冲信号取绝对时刻日期和时分秒，后续产生的同步秒脉冲信号可与GPS信号进行同步，若同步秒脉冲信号与GPS秒脉冲信号时延差大于5ms，则不同步，若小于5ms，与秒脉冲信号同步，在第二个同步秒脉冲信号形成后，同步设备可对外授时，完成时间同步。时间自同步流程见图4。

3 仿真分析

3.1 测试方法

在信号处理机、指令发射机和发射车控制计算机正常，且使用相同批次同品牌GPS的情况下，武器系统采用被复线连接的有线通信方式。在指挥车的火力控制终端通信状态监测区监测发射车与指挥车的通信时延，模拟某型防空导弹武器系统的GPS在外场实验时出现的异常状况，对比分析时间同步方法的差异。

指挥车火力控制终端通信监测区主要监测指挥车与雷达车和发射车的通信状态和通信时延，雷达车、指挥车火力控制计算机和发射车分别以“SRV”“FCU”和“MLV”表示。直线表示为绿色表示通信正常，通信线上的数字表示指挥车与雷达车或指挥车与发射车的时间差，单位为秒。在有线通信的模式下，与雷达车的时延为90到150ms，与发射车的时延差为15到30ms，见图5红色圆圈处所示。

3.2 结果分析

雷达车和指挥车GPS正常，发射车GPS数据正常，当系统时间同步完成后，通过拆装发射车GPS秒脉冲输出信号线缆模拟秒脉冲偶然丢失：以时间同步方法一进行时间同步时，当发射车秒脉冲检测失败时，指挥车与发射车的时间差会跳秒，见图5左图中的红色数字，显示指挥车超前发射车1.026s。而采用时间同步方法二和自同步方法进行时间同步后，通过模拟秒脉冲信号丢失，未发现时间跳秒的现象，见图5的右图和图6。

从图2时间同步方法一流程图可以看出：发射车的第32s的秒脉冲没有检测成功，致使发射车秒未能进位，而毫秒内插变量，内插到1s后自动清零，也是导致秒丢失的主要原因之一，发射车状态上报时，32s的GPS时间数据没有到来，取得的是31s的时间，也是导致发射车时间变慢1秒的另一个原因，如果发射车收到32s的GPS数据，时间就会变正常，会存在偶尔跳1s的现象。

从图3时间同步方法二流程图可以看出：如果秒脉冲短时间丢失，毫秒累计变量会自动向秒累积，短时间不会对授时产生影响。但如果秒脉冲长时间丢失，由于计算机定时器的精度的限制，长时间使用计算机时间累加秒，也会带来时间偏移的现象。

从图4时间自同步方法流程图可以看出：当时间同步完成后，同步设备仅是使用秒脉冲信号进行同步秒脉冲的修正，同步设备的同步秒脉冲偏移量在24小时，不会超过15ms，即便秒脉冲信号丢失，甚至关闭GPS，偏移带来的误差也能满足作战使用。

b、指挥车和发射车GPS工作正常，当系统时间同步完成后，通过拆装雷达车GPS串口数据接口，模拟雷达车GPS串口数据连续丢帧：

以时间同步方法一、时间同步方法二和时间自同步方法时，指挥车与雷达车时延都正常。

从图2和图3两种时间同步方法流程图可以看出：绝对时间来自于秒脉冲和GPS数据，秒的累加来自与秒脉冲，绝对时间来自于GPS时间，但是GPS绝对时间丢失时，GPS秒脉冲和内插变量也能维持时间对外授时，所以雷达车丢失GPS时间数据后，以收到的最新的GPS绝对时间为基础，以秒脉冲信号为激励累加秒的信息，获取绝对时间。当GPS时间长时间丢失时，也不会带来时间的偏移。时间自同步方法因授时的独立性，故时间正常。

3.3 实验结论

同步方法一对GPS依赖性最强，它以GPS数据为绝对时间基准，以秒脉冲信号为时间累加信号量，当秒脉冲丢失后且丢失秒的GPS数据没有到来的那一时刻，无法完成秒的累加，会造成慢1s，影响系统作战，但GPS数据丢失，不会对授时产生影响；同步方法二对GPS依赖性较强，它以GPS绝对时间为时间基准，以GPS秒脉冲或者内插毫秒变量为激励，完成秒的累加，只当GPS秒脉冲长时间丢失时，会带来授时的偏移。

自同步方法对GPS依赖性弱，当授时完成后，内部设备产生同步秒脉冲完成授时，仅使用秒脉冲修正产生的同步秒脉冲。当工作中GPS不稳定、GPS突然故障或者GPS信号受干扰，甚至关闭GPS也不会对授时产生影响，能保证作战任务的顺利执行。而且自同步方法只需在雷达车、指挥车和发射车现有的硬件上增加功能，无需额外增加硬件设备。

4 结束语

本文以某型防空导弹系统为背景，讲述了此系统时间同步方法的改进过程，由于篇幅原因，只模拟外场试验中GPS出现的两种故障，得到了仿真结果图，以理论为基础对仿真结果进行分析，最终得出时间自同步方法在不投入硬件的前提下，只需增加软件的功能，将武器系统对GPS的依赖性降到最低。在长时间的试验中，这种自同步方法具有很强的可靠性，可以用于对时间同步性要求较高的武器系统中。

[1] 赵当丽，胡永辉.关于“长河二号”导航系统的时间同步及授时[J].时间频率学报，2003,26(1)：61-68.

[2] Koppang,p.;Wheeler,p. Working application of TWSTT for high precision remote synchronization [A]. Proceeding of the IEEE International Symposium On Frequency Control[C],1998:273-277.

[3] 杨旭海.GPS共视时间频率传递应用研究[D].北京：中国科学院，2002.

[4] 董剑利,周丹.通用 GPS 授时同步监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计, 2007,(128):3006-3007.

[5] 屈俐俐.GPS定时接收机的校准[J].时间频率学报,2005,28(2):131-135.

[6] 党晓圆.卫星授时校频系统研究[M].湖南.湖南大学控制理论与控制工程专业，2009.

[7] 时统设备通用规范(GJB2242-98)[S].国防科工委军标出版社发行部，1995.

[8] 江威.具有高精度GPS授时的数据采集系统的设计和实现[D].华中科技大学通信与信息专业,2012.

GPSTimebasedSynchronizationofWeaponSystem

Hao Shilin, Yan Chao, Bi Jin

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Principle of GPS time issuing is introduced. By taking some air defense missile system as an example, improvement process of synchronization based on GPS time is described. A time auto-synchronization method based on GPS is introduced; advantages and feasibility of the method is verified through simulation.

GPS pulse per second, time auto-synchronization, weapon system

2017-06-05

郝士林(1984-)，男，工程师。研究方向为雷达总体技术。

TN97

A

1008-8652(2017)03-001-05