張 丹

（92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

精確的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是艦船指揮、試驗(yàn)、演練的基本前提，艦載時間系統(tǒng)為艦船中的裝設(shè)備提供統(tǒng)一的精確時間信息、時間標(biāo)記信息或約定的時間控制信號。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)的時間和頻率統(tǒng)一。

時間統(tǒng)一系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分是時間傳遞，只有通過時間傳遞系統(tǒng)將時間頻率中心產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間可靠地傳送到各時統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和時統(tǒng)終端，才能保證整個時間統(tǒng)一系統(tǒng)的時間與標(biāo)準(zhǔn)時間保持一致，達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)部時間統(tǒng)一的目的。目前，時間傳遞方法大致分為兩類，一類是網(wǎng)絡(luò)授時、長波授時、短波授時、電話授時、電視授時等方法，精度較低，為微秒或亞微秒量級，主要用于民用；第二類精度較高，國際上常用的時間傳遞技術(shù)是衛(wèi)星時間傳遞和雙向時間傳遞技術(shù)（TTWT）[1]。衛(wèi)星時間傳遞系統(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)星授時系統(tǒng)有美國全球衛(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）和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（DBS）等。雙向時間傳遞又分為衛(wèi)星雙向時間傳遞、微波雙向時間傳遞和光纖雙向時間傳遞[2]。其中，衛(wèi)星雙向時間傳遞和光纖雙向時間傳遞要求節(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，對于海面艦船不適合。微波雙向時間傳遞是利用微波視距鏈路進(jìn)行時間信號的傳遞，時間傳遞的兩個節(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）兩個運(yùn)動平臺之間的時間同步，是適合海面運(yùn)動節(jié)點(diǎn)時間同步的最佳方法。

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

1 艦載微波雙向時間傳遞原理

1.1 高精度時間傳遞原理

在高精度時間傳遞系統(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)時間信息（如1PPS信號）準(zhǔn)確地送給終端站，并在終端站恢復(fù)出來送給時間用戶。送給用戶的時間要與鐘源輸出的時間相一致，系統(tǒng)需要克服或者補(bǔ)償時間信號從鐘源輸出到終端站恢復(fù)過程中的傳輸時延。一般是將鐘源的時間信號在中心站推遲送出或者將終端站接收到的時間信號進(jìn)行延時，推遲或延時的量為1s減去傳輸時延，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（UTC）的時刻值簡單加1，即可實(shí)現(xiàn)終端站恢復(fù)的時間信號與鐘源輸出時間信號完全重合[3]。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，其中ΔTn為當(dāng)前的傳輸時延。

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

1.2 微波雙向時間傳遞原理

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

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

1.3 微波雙向時間傳遞系統(tǒng)組成

微波雙向時間傳遞系統(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。

微波雙向時間傳遞系統(tǒng)中，信號流程如下：由脈沖分配器把原子鐘產(chǎn)生的1PPS信號分成兩路，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)制好的信號生成70MHz的中頻信號，并作為調(diào)制器的輸出信號，70MHz的中頻信號輸入上變頻器進(jìn)行變頻為500MHz～650MHz的信號，再經(jīng)功率放大器放大后，由發(fā)射終端把信號發(fā)射出去。對方站收到信號后，由接收終端接收，通過低噪聲放大器，信號輸入下變頻器，將信號變?yōu)?0MHz的中頻信號，然后將70MHz的中頻信號輸入解調(diào)器，最后將解調(diào)器輸出的1PPS信號輸入時間間隔計(jì)數(shù)器作為關(guān)門信號終止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。在A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行微波雙向時間傳遞操作的同時，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，完成整個雙向時間傳遞的技術(shù)操作全過程。

2 艦載微波雙向時間傳遞的誤差分析

在微波雙向時間傳遞中，雖然由于信號的傳播路徑近似對稱，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稱性的因素影響了微波雙向時間比對的精度。這些因素主要有：1）時間間隔測量引入的誤差；2）設(shè)備的系統(tǒng)誤差；3）信號空間傳播路徑上的誤差，主要是空間大氣折射率引起的時延；4）信號在傳播過程中艦船的運(yùn)動引起的時延誤差。

2.1 時間間隔測量誤差

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

2.2 設(shè)備時延誤差

主要是設(shè)備發(fā)送和接收的時延誤差，包括調(diào)制解調(diào)器誤差、電纜時延誤差、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，都會產(chǎn)生延遲。美國AOA公司的TW-100和德國TimeTech公司的SATRE用于衛(wèi)星雙向時間傳遞，一般估計(jì)其誤差約為30ps～100ps[4]。美國Symmitricom的TSC4402用于微波雙向時間傳遞，誤差約為600ps，主要用于通信測量。

2）電纜時延誤差

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定[5]?？梢杂脮r間間隔計(jì)數(shù)器在常溫（25℃）下測量出整條電纜的延遲，并把這個值作為標(biāo)稱值。由于溫度變化對長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，用時間間隔計(jì)數(shù)器測出對應(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，溫度對設(shè)備誤差的影響較大[6]。為了精確測定設(shè)備時延與氣象因素的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的試驗(yàn)。中國科學(xué)院授時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/℃，整個溫度系數(shù)為（-100±30）ps/℃[8]。美國NIST（National Institute of standards and Technology）學(xué)者們的結(jié)果是接收時延溫度系數(shù)為 ( -150±10 ) ps/℃，發(fā)射時延溫度系數(shù)為 ( -50±10 ) ps/℃，整個溫度系數(shù)為 ( -100±30 ) ps/℃，該項(xiàng)誤差可通過溫度控制和對數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償?shù)玫浇档汀?/p>

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

2.3 信號空間傳播路徑上的誤差

信號空間傳播路徑上的誤差，主要是空間大氣折射率引起的時延。目前國際上空間大氣對流層時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D.Piester 博士2007年由MPM模型計(jì)算的PTB-NICK鏈路的對流層與頻率有關(guān)延遲最大值約為4ps[10]。對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)誤差來源對微波雙向時間同步精度的影響Table 1 Effect of various error sources on microwave bidirectional time synchronization accuracy

2.4 信號在傳播過程中艦船運(yùn)動引起的時延誤差

艦船在海面航行時，由于艦船的運(yùn)動，引起信號時延誤差，國內(nèi)學(xué)者做了理論分析[11]，艦船運(yùn)動引起時延誤差在0.1ns之內(nèi)。

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

由以上分析可知，影響微波雙向時間同步精度的主要誤差源為調(diào)制解調(diào)器誤差、電纜時延誤差、發(fā)射和接收系統(tǒng)隨氣象變化的誤差、時間間隔測量誤差。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，電纜時延誤差能夠事先測定并加以扣除，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數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償?shù)玫浇档?，時間間隔測量誤差可以通過研究高精度時間間隔測量方法和硬件設(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，基于微波雙向時間傳遞的海面艦船編隊(duì)的時間同步精度在納秒量級，該理論分析、計(jì)算為今后建立海面運(yùn)動艦船之間的時間同步系統(tǒng)提供理論依據(jù)。