开放式机载时间同步系统的架构设计*

钱 东

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

机载平台目前已有越来越多的作战应用需在平台内多传感器或平台间多传感器间进行协同，而时间同步则是实现这些协同应用的重要基础。机载平台时间同步系统主要解决作战飞机内部以及编队间作战飞机各传感器的时钟一致问题，因协同应用高精度需求、机载平台环境特点以及航电架构等因素综合约束，机载时间同步系统的设计验证与陆海基时间同步系统相比自有其特点。相关研究中，文献［1］提出了一种用于多机组网试飞的时间同步方法，文献［2］研究了航电系统的时间同步，但现有文献针对机载时间同步问题的探讨多针对特定的应用场合。时间和频率同步已经是作战飞机综合航电的基本要求，是实现协同作战的必要前提条件，作为航电系统基本公共资源，机载平台时间同步系统必须具备足够的开放性和可扩展性，能够适应各类航电架构，兼容各种时间同步链路，满足不同传感器协同应用的使用，这就必须讨论机载时间同步系统的开放式架构设计问题。本文探讨了机载平台典型协同应用的时间同步需求，重点围绕时间同步系统基本要素，对机载平台可选技术手段进行了分析，在此基础上提出了一种分层的开放式机载时间同步系统架构，并对该架构性能进行了测试。

2 机载时间同步的应用需求

目前在机载信息融合［3］、雷达组网［4－5］、无源定位［6］等战术级协同应用以及网络中心战等体系级协同应用中，时间同步都已是重要的共性基础技术。

2.1 机载信息融合

机载信息融合是在综合航电系统基础上出现的一种重要应用。随着机载传感器数量的增长，进入航电系统的信息来源、层次急剧增加。信息融合能使作战飞机更充分地利用多种机载传感器资源，产生比单个传感器置信度更高的数据和更准确的信息，优化传感器使用，为此美军甚至将信息融合定义为四代战斗机特征。机载平台各传感器要进行数据融合，必须首先保证融合时刻的传感器数据来自同一时刻，否则融合结果会产生较大误差，为此许多学者相继提出了一些时间配准方法，但时间配准需要占用较多的融合时间开销，且动态越大配准效果越差。通过机载时间同步系统对各传感器进行时间同步，可大大降低信息融合过程中的时间配准压力。从文献［7］可以看出，信息融合对时间同步的精度要求一般在μs 至ms 级。

2.2 机载雷达组网

随着电子技术的发展，传统机载雷达在对抗隐身目标的探测方面正面临严峻挑战，机载雷达组网已被公认为是对抗隐身威胁、综合电子干扰的有效体制。机载雷达组网探测时，可以由后方飞机发射探测干扰一体化波形，前方飞机无源被动接收敌机返回回波信息，达到实现目标探测同时减小前机被截获危险的目的。由于发射机与接收机分置，机载雷达组网必须解决远程时频同步、高精度定位等一系列问题，接收机必须准确获知发射脉冲基准时刻作为测量回波时延的基准。机载雷达组网要达到期望的测距精度，对时间同步精度也有相应的需求。雷达组网对时间同步精度的要求较高，至少应为压缩后脉冲宽度的几分之一量级［8］。

2.3 机载无源定位

机载无源定位通过各机测量目标发射的同一信号到达各机的时间之差，结合已知的平台位置来确定目标位置，本身具有隐蔽、不辐射电磁波的特点。由于对战斗机生存力有重要意义，先进飞机对该技术的需求日益迫切。机载无源定位的精度受到机间时间同步误差、到达时间(Time of Arrival，TOA)测量误差、站址误差等因素综合影响，但与其他协同应用相比，机载无源定位对时间同步精度要求最高。在基线长度30 km的条件下，机载多机无源定位对时间同步的精度为10～40 ns，最多不超过70 ns，才可以确保在大范围内获得较高的定位精度［6］。

3 机载时间同步的基本要素

机载平台时间同步系统包含时间基准、时间传递、时间分发和时间保持精度等几方面的基本要素，下文重点分析以上要素的确定问题。

3.1 时间基准选择

机载时间同步对时间基准的需求可分为两个层次。单从协同应用层面讲，任务传感器对时间基准的要求并不苛刻，编队内各机只要实现局部时间基准的同步就不会影响协同应用，但如果作为网络中心战中的一个节点，就必须把本机时间溯源到公认的标准时间尺度上才便于指挥控制，这就牵涉到绝对时间基准的选择和追溯问题，比如，美军常用的全局时间为海军天文台的UTC(USNO)时间和GPS 时间。作为机载时间中心，机载时间同步系统应具备全局时间和局部时间的溯源和维护职能，同时支持两个层次的时间需求。

3.2 时间传递

时间传递主要实现本地时间向全局时间或局部时间基准的溯源，常用的传递手段可分为无线方式和有线方式。其中，卫星授时广泛应用于军事、电力、通信等领域，是一种最基本的传递手段。美军目前对时间同步有严格要求的大量协同应用，都依赖GPS 并依靠大量GPS 接收机维持时间同步，可快速同步到美军基准时间UTC(USNO)并很容易保持100 ns左右的同步精度，经过GPS 驯服的晶体振荡器还可提供优于0.1 μs/d 的时间准确度和1×10－12的频率准确度。卫星授时的不足在于卫导接收机在各载机上都是相互独立的个体，出现错误不能相互校正;其次，被干扰无法使用时载机将无法获得准确时间，导致编队平台失步，协同应用无法实施，进而影响任务可靠性。GPS 单向授时在动平台上存在几十甚至几百纳秒的不确定度，也尚不能完全满足所有协同作战对时间同步精度的需求。

美军意识到机载平台大量协同作战应用过度依赖卫星授时进行时间同步存在很大风险，因此对机载时间同步链路常采取冗余措施。美军对L 频段数据链双向时间比对［9］、卫星通信双向时间比对［10］等高精度时间同步传递手段进行了大量研究，针对不同的需求加以灵活应用，综合保障其时间同步能力。

机载平台时间同步传递手段的选择必须考虑机载平台的特点:一是载机高速运动、远距离同步的特点使有线方式不太可取;二是综合化的航电系统往往追求功能复用、小型化和低成本，新增专门的时间传递链路基本不可行，因此，现有措施都是在已有通信链路中加入时间传递的功能。利用载机已有的通信链路进行双向时间比对，正作为独立于卫星授时的备份冗余措施解决单一授时方式不可靠的问题。从传递精度来看，双向时间同步是目前精度最高的时间同步技术，已广泛用于运动目标高精度的时间同步。通信、测距、时间同步功能相结合的机载数据链路已经出现，比如Link 16、机间数据链(IFDL)等。从发展趋势来看，数据链时间同步也较卫星授时越来越受重视。

综合上述原因，机载时间同步系统的时间传递链路可以考虑为卫星授时和数据链双向时间比对两大类，相互冗余提高时间同步保障能力。

3.3 时间分发

机载时间同步系统中的时间分发特指时间同步系统集中向各传感器进行时码信号传输的过程。时间分发目前多采用离散线以确保分发精度，比如1 PPS(Pulse per Second)秒脉冲和IRIG－B 码。比较而言，1 PPS 秒脉冲结构简单，IRIG－B 码1 frame/s，可传递100 位信息，同时实现秒脉冲和时间信息的分发，串行传输硬件开销很小，比较适合作为传感器机架间的时码传输协议。

针对不同传感器使用多种时间基准的情形，机载时间同步系统还必须有另外一种分发模式，即采用B 码分发本地时间的同时通过实时测量的方式给出本地时间与多种时间基准的时差，并通过总线消息发布。IRIG－B 码只能分发一种时间基准，这种方式就比较适合多时间基准同时存在的场合，特别是在只需要通过数学方式扣除时差等软处理应用的场合，这种方式优势很大，不需过多的硬件连接就已能满足大多数协同应用需求。

3.4 时间保持精度

机载设备以往多使用恒温晶体振荡器进行时间保持，但在高精度协同应用方面，目前已有利用原子钟作计时标准的需求。铯钟和氢钟由于体积、振动等性能限制，目前还无法满足综合化航电系统的使用要求。考虑航电系统综合化后设备体积和空间有限，在经过数据链双向时间比对后，守时精度还要求为ns 级的场合，铷原子钟目前还是唯一适合综合航电系统使用的原子钟。与晶体振荡器相比，铷原子钟频率准确度能达到1×10－11，天稳达到5×10－12，老化率达到1×10－10。采用铷钟锁定恒温晶体振荡器方案，恒温晶体振荡器的长稳将得到很大改善，同时保持良好的短稳和相噪性能。铷原子钟目前已在F－35、“全球鹰”、“捕食者”等平台中得到应用，用于实现时速数百公里移动目标的协同跟踪、信号情报和C4I(Command，Control，Communication，Computer and Intelligence)等应用。

4 架构设计

正是由于时间和频率同步在协同作战和体系作战中展现出的重要性及复杂性，Symmetricom 公司目前已推出了用于航电系统的模块化时频产品。正如前文所述，作为航电系统一类基础公共资源，机载平台的时间同步系统必须具备足够的开放性和可扩展性，本文即重点讨论机载时间同步系统的架构设计问题。

机载时间同步系统架构设计的必要性源于机载时间同步系统的公共资源特性、不同平台相近似的功能需求以及综合航电系统的开放式发展趋势。从使用需求来讲，机载时间同步系统作为全机时间中心，在不同平台都理应具备本地时间和全局时间的溯源能力和维护能力，确保航电系统加电运行期间内部计时的严格单调递增性，保证设备运行时序和运行节奏的正确性。应能兼容卫星授时、多种数据链路作为时间同步的手段，实现综合冗余和ns 级的时间同步精度，以支持高精度的协同应用。应能通过标准接口向各传感器进行高精度时间分发，并能行使时间管理职能，评估各种时间的时间品质。

从航电系统发展趋势来看，机载时间同步系统也应采取开放式、标准化、通用化架构，使用标准化接口，以方便不同用户传感器的使用和协同应用的扩展。比如，无人机平台任务简单、时间传递手段有限、协同应用种类较少，时间同步系统应可通过适当的裁减满足需求;作战飞机时间传递手段丰富，协同应用种类多，任务可靠性要求高，时间同步系统的功能也应最为完善。

4.1 系统架构设计

为满足机载平台对时间同步上述需求，本文提出如图1所示的机载时间同步系统架构。该架构依据时间传递、时间处理、时间管理以及时间应用等基本要素对机载时间同步系统进行区分，从而建立一种分层次的机载时间同步框架。

图1 开放式机载时间同步系统的基本架构Fig.1 Basic architecture for airborne time synchronization system

开放式机载时间同步系统的分层架构依次分为时间同步链路层、时间同步处理层(时间处理中心)和时间同步应用层。其中，时间同步链路层主要包含作战飞机所配备的多种机载时间比对链路和时间溯源手段，比如多种机载双向时间比对链路和卫星导航授时。时间处理层主要实现本机时间维护、全局时间维护、基准频率、时码合成、时差测量、时间管理和时间品质评估等功能，其与链路层之间的标准开放接口为IRIG－B 码或1 PPS。时间应用层主要包含有时间同步需求的各类传感器终端，其与处理层间的标准接口为基准频率分发接口、IRIG－B 码分发接口和时差消息分发接口。在时间同步任务执行阶段，时间链路层提供多种相互冗余的时间比对链路，时间处理层作为全机时间中心，集中完成时间处理、维护、分发和时间质量等级管理，时间应用层各终端接收标准时码、基准频率和时差分发消息，完成最终的时间同步信号应用处理。

图1所示的架构在各层之间使用标准开放接口完成信息交互，使机载时间同步系统具有了良好的可扩展性和可裁剪性。首先，时间处理层作为时间同步系统的核心，可利用单独资源集中实现，即使系统扩展，也可大幅度降低对整个综合航电系统的影响，而时间比对链路的种类、应用终端的数量均可调整;其次，该架构在时间处理层实现了对多时间比对链路的兼容，同时也避免了常规的采用单一的卫星导航授时一旦被干扰时间同步便不能实施的隐患。比如，数据融合用户根据精度需求，可以选择卫星导航授时进行同步，编队无源组网探测用户根据精度需求，可以选择双向时间比对数据链路进行同步，当卫星导航授时被干扰时，时间品质进行动态更新，数据融合用户可切换至机间数据链进行时间同步，使用户灵活快速地选择时间同步基准，应对复杂的对抗环境。

4.2 时间同步流程

结合图1所示的架构，当平台内各协同传感器需进行时间同步时，时间源选择单元根据预置的优先级设置选择时间源完成本地时间和全局时间的初始化，将时间基准溯源到标准时间。基准频率源产生参考频率信号进行时间维护，并将该时间作为平台内各应用端传感器统一的时间基准，通过IRIG－B 码分发到各应用传感器终端。为满足重点用户ns级同步要求，时码合成单元将进行超前秒脉冲产生，弥补器件延迟、传输延迟影响，实现平台内各传感器时间的高精度同步。

在此基础之上，平台间各传感器的时间同步过程可分为机间时间比对、时差测量和时差消息分发三个过程。以双向时间比对链路为例，各机本地时间初始化后按各自基准频率时钟进行时间维护，机间双向比对链路启动双向时间比对功能后，僚机(询问方)周期性向长机(链路时间基准)发送询问消息，进行加密、编码、调制后将数字调制信号送至天线进行变频、放大、发射。长机接收信号并对询问消息的到达时间进行检测，将测得的到达时间按消息格式编码，形成应答消息向僚机发送。僚机对长机发送的应答消息的到达时间进行检测，并从应答消息中获取询问消息达到时间，从而完成双向时间比对，并向时间处理层输出同步的链路时间或长机时间。由于多时间基准同时存在，平台间时间同步不直接调节时标，而是通过测量本地时间与各链路时间的“钟面时差”间接实现时间同步。时差测量结果通过时差消息周期性分发。时差消息包含不同时间同步链路的时差测量值和时间品质。

应用层各终端传感器根据时间品质进行平台间时间同步基准的选择。接收处理层分发的IRIG－B码信号，将所选平台间同步时间基准与本地时间的时差加入到应用传感器时间时戳，实现时间同步软处理，或者直接输入时间计数器，实现秒脉冲的硬处理(秒脉冲调整)，完成最终的平台间时间同步处理。

4.3 同步精度分析

4.3.1 单平台同步精度

单平台内通过该架构进行时间同步时，时间信号从超前秒产生、时码合成、时码分发单元输出到平台内各用时节点，要经过器件延迟、电缆延迟才能到达。由于单平台内时间同步按同一基准时间运行，因此同步误差主要来自时码信号的分发环节。保证各用时节点接收到的时间与基准时间高度同步，主要依靠对延迟标定，并根据标定延迟量对时码信号进行超前修正实现高精度时频同步。主要系统误差包括时延标定误差、时延补偿误差、温度漂移误差。

(1)时延标定误差

时延标定使用计数器标定本秒与各用时节点端口的时延值，该时延值最终由时频模块采用软件调整“输出超前量”的方式进行校正，因而时延标定精度会影响系统精度。标定时需将标定点选择在用时节点端面，以尽量降低标定误差。

(2)时延补偿误差

时延补偿对已产生的B(DC)进行相位超前调整，从而消除各路时间同步信号因路径不同引入的同步误差。本架构中时延补偿采用粗调加细调两级调节。粗调分辨率5 ns，精调分辨率78 ps，实测补偿精度优于1 ns。

(3)温度漂移误差

由于半导体材料的热敏性质，半导体元器件的特性随温度变化，这会影响半导体元器件的时延特性。典型时码信号分发驱动芯片的全温度－时延特性在1.5 ns左右。

忽略次要因素，该架构下单平台时间同步的误差模型可用下式表示:

式中，σ1、σ2和σ3分别表示时延标定误差、时延补偿残余误差和温度漂移误差。

4.3.2 多平台间时间同步精度

多平台间时间同步目的在于将机间传感器时间同步精度控制在可接受的误差以内，时间同步误差也由单平台时间同步误差和平台间时间比对链路误差共同组成，如图2所示。在本文所述时间同步架构下，编队多平台时间同步误差因素除平台内时间同步误差外，还包括机间时间比对链路误差、时差测量误差及时间保持误差，其中，平台内时间同步精度由于前文已有分析，在此不再赘述。

图2 多平台时间同步误差Fig.2 The composition of multi－platform synchronization error

(1)时间比对链路误差

机间时间比对精度取决于所采用时间比对链路，卫星授时精度在100 ns量级，机间数据链通过采用双向时间同步技术，可获得更高的机间时间比对精度。

(2)时差测量误差

本架构为兼容多种时间比对链路采取了测量并分发时差的方式。时差测量采用与时钟频率不相关的数字TDC(Time to Digital Converter)方法。TDC采用延迟线插入法技术，智能电路、保持电路和特殊布线方法使芯片可精确地记录信号通过门电路的个数，最高测量精度由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间决定，最小可达65 ps。

(3)时钟漂移误差

机间时间同步的执行周期由数据链路进行调度，在下一对时周期之前，机间同步时间主要由原子钟保持。时钟漂移引起的误差用下式估算:

式中，Δt 为t 时刻的时间漂移，A 为频率源准确度，D为频率源老化率。

综上，多平台间时间同步精度可用下式计算:

式中，σ1表示长、僚机平台内时间同步误差，σ2表示时差测量误差，σ3表示机间链路两次对时间歇的守时误差，σ4表示机间链路对时的误差。从式(3)可以看出，若平台间时间同步误差前3 项得到了合理的控制，最终同步精度更多地取决于机间对时链路的精度。

5 实验验证

为验证时间同步系统架构的可行性，研制了符合该架构规范的时频模块，实现了该架构中时间处理层的功能。该时频模块采用标准结构设计，通过原子钟锁定恒温晶振，提供高稳定度超低相噪的频率基准，与时间链路层的标准接口可同时兼容卫星导航授时、机间双向时间比对链路、联合战术信息分发系统(JTIDS /Link 16)等不少于三种的时间同步链路，与时间应用层的标准接口采用B(DC)、时差消息方式，可扩展终端数量不少于10 个。具备9 级时间质量评估能力，适用于综合化航电系统。

基于所设计时频模块及以上的架构分析，搭建室内桌面测试环境，进行联机测试，以验证该架构下的时间同步性能指标，如图3所示。测试环境配备了卫星授时和机间双向时间比对链路两种平台间同步手段，具体链路资源、卫星导航抗干扰接收机及时频模块均集成于综合机架。机间双向时间比对链路天线置于暗室，卫星授时天线置于室外。

图3 时间同步架构桌面测试环境Fig.3 Desktop test environment for the time synchronization

为配合全功能验证，测试环境配置了两台时统终端设备，用以模拟时间应用层的功能。综合机架对外输出的基准频率、时码信号及通过航电总线发布的时差信息均分别接入终端模拟设备。

通过模拟显控(图4)，控制航电系统选用双向时间比对链路作为平台间主用时间同步基准，模拟双平台时间同步工作状态，并将终端模拟设备输出的秒脉冲信号接入计数器进行时间同步精度的测试。

图4 模拟显控界面Fig.4 Terminal simulator for time synchronization

首先对待测时间同步系统进行系统标定，然后进行1 h拷机实验，得到时间同步误差测试结果如图5所示。可以看出，该架构下实验室桌面测试环境下时间同步精度均方根值(RMS)可达到1.2 ns。

图5 时间同步误差测试结果Fig.5 Test result of time synchronization error

6 结束语

本文围绕时间同步系统基本要素，对机载平台可选的技术手段进行了讨论，在此基础上设计了一种具有开放式特征的机载时间同步系统架构。本文的主要结论和贡献如下:

(1)利用机载时间同步系统的可分性、时间同步功能模块的相似性的特点，依据时间比对链路、时间处理中心、使用对象对时间同步系统中各要素进行区分，将机载时间同步系统架构分解成时间链路层、时间处理层和时间应用层，各层之间通过标准开放接口完成信息交互，实现了层次分明的时间同步系统架构;

(2)所提出的分层作战飞机时间同步系统架构，在完成平台内时间同步和平台间时间同步的同时，使时间同步系统架构各层要素均具有良好的开放性。架构中时间比对链路的种类、应用终端的数量均可扩展，不会对架构造成影响。时间处理层可利用单独资源实现，不会对机载链路、应用终端和航电架构造成影响，从而提高航电综合集成的效率以及该架构在不同平台和航电架构上的应用能力;

(3)搭建了实验室桌面测试环境，验证了该架构的正确性和可行性，测试结果表明该架构可实现优于10 ns的时间同步精度。

本文的架构易于嵌入到各类综合化航电系统中，最终的性能还依赖于更多的测试。今后的研究重点集中在自动化标定、环境适应性验证、飞行测试验证、芯片级原子钟以及对该架构的完善优化方面。

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