协同作战装备时统验证系统现场校准技术研究
胡丹丹
(中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都，610036)
摘要： 高精度时统系统是保证协同作战装备高度综合化及协同作战效能的基础，验证系统的验证能力直接影响时统系统的时间同步性能，而验证系统在验证过程中极易受到飞行环境的影响，为了定量测量飞行环境引起的时间波动对验证结果的影响，亟需开展时统验证系统现场校准技术研究，提高整个验证系统验证结果的准确性、可靠性，从而保证高精度时统系统的时间同步性能。
关键词： 时统验证系统；协同作战；时间波动；校准
0 引言
随着信息化武器的不断发展、新军事体系的变革以及网络中心战的出现，战斗机综合火力指挥控制系统越来越先进，作战方式也越来越多，改变了过去单机获取信息，靠无线通话的指挥作战模式，出现了战斗机编队在预警指挥机、地面指挥控制中心指挥下的编队协同作战方式。
当今，我们评估现代机载设备作战性能时，经常强调航电系统的高度综合化以及编队的协同作战，高精度时统设备是实现有效协同的基础。当前，新一代战机对时统设备的时间同步精度要求很高，对时统设备的时间同步性能进行验证时，验证系统会受环境影响而引起时间波动。为了可以定量测量在进行时统设备同步性能验证的过程中受环境影响而引起的时间波动情况，从而对试验验证过程中记录的试验数据进行修正，亟需开展对时统设备验证系统的校准技术研究。
1 必要性分析
时统设备验证系统核心组件为两台小型化铯钟，主要用于测量两架战机经过协同作战时统设备进行时间同步后的时间差。以两架战机为例，设tA(t)为战机A的时间，tB(t)为战机B的时间。时统设备的任务就是使两架战机的时间差ΔtAB(t)=tA(t)- tB(t)最小。其验证系统基于搬运钟法，不能直接测量ΔtAB(t)，而是测量战机A和铯钟1的时差tA(t)-t1(t)以及战机B和铯钟2的时差tB(t)-t2(t)。两台铯钟在验证前进行对时，使t1(0)-t2(0)=0，并认为两台铯钟可以保持时间同步，即t1(t)-t2(t)=0。于是，通过式（1）计算得到两架战机的时间差。
式（1）成立的重要前提就是保证两台铯钟随时可以保持同步，这就需要验证系统核心组件——商品小铯钟的时频特性够稳定。实验证明，商品小铯钟在振动条件下，时间波动远超过战机使用要求。验证系统对商品小铯钟进行了抗震改造，经振动实验表明，改造后的商品小铯钟对振动的敏感度有所降低，但是当振动大到一定程度的时候，商品小铯钟还是会受到振动的影响而产生较大的时间波动，影响验证系统的正常使用。在飞行条件下，由于商品小铯钟受到环境影响，从而引起验证系统的时间波动，不能保证t1(t)-t2(t)=0，从而使式（1）计算得到错误的时间差，严重影响对装备性能的判断，对装备的研制和使用十分不利。因此，需要对验证系统在装备验证试飞过程中进行现场校准，定量测量验证系统在验证试飞条件下的时间波动情况，即t1(t)和t2(t)。当测得的t1(t)-t2(t)足够小时，可以判定本次飞行验证过程中，t1(t)-t2(t)可忽略不计，用（1）式计算所得
准确有效；当测得的t1(t)-t2(t)较大时，可将测得的t1(t)-t2(t)代入式（1）计算，对结果进行修正，得到更准确的ΔtAB(t)。
由此可见，准确测量验证系统的t1(t)-t2(t)，从而对验证系统进行数据修正，使得验证系统测试结果更加准确可靠，提高时统设备时间同步性能是我们目前亟需解决的问题。
从表3可以看出，谷草的粗蛋白含量与燕麦秸秆的粗蛋白含量相当，稍低于大豆秸秆、玉米秸秆，明显低于苜蓿，但苜蓿是专用牧草，以粗蛋白含量高著称，所以与其他秸秆对比来看谷子在粗蛋白含量上可以满足饲喂需要。谷草的粗脂肪含量在对比的作物中处于中上游水平。谷草粗纤维含量明显低于其他几种作物，说明其适口性要好于其他几种作物。谷草的粗灰分含量要高于燕麦、大豆、玉米，低于苜蓿，说明谷草的矿物质含量要高于其他几种作物秸秆的含量，但低于苜蓿的矿物质含量。谷草的无氮浸出物含量高于燕麦和苜蓿，略低于大豆和玉米，无氮浸出物越高，其适口性越好、消化率越高。
2 时统设备验证系统校准技术现状
美国的新一代战机时统设备采用了卫星双向比对的方法进行验证。卫星双向比对是一种成熟的远程时间频率比对方法，不管用于地面还是机上，均能获得较高的精度。该方法的缺点在于需要在飞机上加装专门用于测试的天线，并且需要申请卫星资源，极不利于测试方法的推广。
国内机载航电系统研制单位对战机时统系统的验证先后采用了多种方法，包括卫星单向授时法、卫星共视比对法和搬钟法。卫星单向授时法和卫星共视比对法只能达到50ns～100ns精度，已不满足当前大多战机指标的需求；新一代战机的验证系统设计中考虑到特殊的工作环境及相关技术指标，选用“搬钟法”进行时间同步精度的验证，搬钟法在实验室条件下精度很高，但是由于商品小铯钟本身的特性，易受环境影响使得时间出现波动，从而使得验证系统测试结果不准，因此需要开展验证系统现场校准工作，实时保证验证系统测量结果的准确可靠。
验证系统测试过程按照实验室静态测试、现场测试两个步骤来进行，实验室静态测试是在实验室对搬运钟进行12小时以上驯服，比对记录原子钟钟差，铯钟通过UPS电源供电，驯服连接示意图见图2所示。
3 验证系统组成及工作原理
3.1 验证系统组成
协同作战装备时统验证系统由设备1和设备2两部分组成。每个设备主要包括铯原子频标、时差测试仪，如图1所示。
引理 1.3[9] 设R和L是具有一个共同的拟恰当断面S°的拟恰当半群，假设S°分别是R的右理想和L的左理想。设L×R→S°,(a,x)→a*x是映射,对任意的x,R和对任意的a,L满足:
图1 时统验证系统组成框图
3.2 验证系统工作原理
本文提出了基于时间频率双向比对技术的现场校准技术，可实现机间高精度时频同步捕获和跟踪，从而获得准确的测试数据，为验证系统提供修正依据。
②用压密注浆加固桩位孔口周边土体，代替加长钢护筒。在桩的位置设5个注浆孔，注浆直径1 m，注浆孔深8 m，其中上部2 m不注浆，下部6 m范围注浆，注浆施工完成后7天进行灌注桩成孔施工。
由上述分析可知，验证系统可以正确测试的前提是设备1、2在战机上始终保持时间同步。然而，由于战机上速度和加速度的变化、温度的变化、气压的变化以及振动情况的变化，均会引起铯钟时间的波动，影响验证系统的正常工作。由工作环境引起的测量误差是实验室校准所不能发现的，因此须进行现场校准。
图2 实验室驯服连接示意图
图3 时统验证系统现场测试连接框图
验证系统主要用于对新一代战机协同作战时统设备的相关指标和功能进行验证测试，需要具备以下功能：（1）验证时统设备是否具备获取、保持基于卫星（北斗、GPS）时间的能力；（2）验证时统设备守时精度；（3）验证时统设备是否具备提供高品质基准频率源的能力；（4）验证时统设备平台内时间分发是否满足精度要求。
4 校准技术原理及方法实现
驯服后将两台搬运钟搬到试验现场（搬运过程中需要保证UPS电源持续供电），使用验证系统校准装置进行现场测试，连接框图如图3所示，设备1铯钟的1PPS输出连接至设备2的时差测试仪，测量出设备1、2的时间差后，调整其中任一个铯钟频率，使设备1、2的时间差为0，即t1(t)-t2(t)=0。然后，在保持设备1、2不断电(时间连续)的情况下，将设备1、2分别送至两架战机上测试。测试过程中，认为设备1、2的时间始终同步，即t1(t)-t2(t)=0。
本文所研究的校准技术原理框图如图4所示。由两台比对终端和天线组成，采用时间频率双向比对技术实现机间高精度时频同步捕获和跟踪。参与双向时间频率比对的设备通过独立的短距离微波链路彼此交换同步时间信号，当此微波链路是对称的或者近似对称时，两个方向上的信号传输延迟、误差项可以对消，因此可以实现高精度的时差、频差测量。
经济的发展，影响了各级政府的财务资源，使其都大大增加。除了满意表演者的基本需求外，还有一些才能来树立或支撑某些项目。如何正确办理资金以及如何正确反映这些项目的融资和使用，财务办理也提出了更高的要求，但行政体系行政体系采用的会计制度难以反映上述情况。
根据系统设计指标和波形体制，双向时间频率比对与高速数传以时分方式复用。设计每秒分配4个时帧资源用于双向时间频率比对，其余时隙用于高速数传。各普通节点向时钟参考节点同步采用时分复用方式轮流进行。两台设备（也可以多台）之间构成双向测量系统，每台设备同时具备发送和接收通道，通过相互发送信号，接收机对接收到的信号进行测量和解析。为支持高精度时间频率同步算法，在系统帧结构中周期性设置同步序列帧。以两台设备为例，传输时序如图5所示。A设备和B设备按照各自的本地时钟发送同步序列，并在接收通道接收对方设备的信号。同步帧开销和同步码设计可根据同步算法的精度进行选取。
图4 时统验证系统现场校准原理框图
图5 双向测量传输帧时序示意图
参与双向时间频率传递的A、B两台设备根据各自的时钟，在同一钟面时刻向对方发送代表时间起始点的信号。每台设备测量从本地产生时标信号开始，到收到对方信号后恢复对方发送的时标信号为止的这段时差。A、B设备将各自测得的时差信息插入基带数据中通过反向链路相互交换，由数据处理软件对两个站测量的时差结果求差，可得到A、B设备之间的时间差。由于采用扩频体制，时差测量的精度非常高，路径上的误差项大部分可以对消，因此双向时间频率比对技术可实现高精度的时间与频率比对。双向测量基本原理见图6所示。
根据上图可获得如下时间测量值表达式：
其中，Δt是两测距终端之间的钟差，TBA和TAB分别是终端A和终端B测量获得的本地伪距，tA和rA分别是测距信号在终端A的发射设备和接收设备中传输的时延，tB和rB分别是测距信号在终端B的发射设备和接收设备中传输的时延，τ是信号在两测距终端之间的传播路径时延，由于假设双向测距与时间同步系统是高度对称的，因此这里认为在路径上的传输时延是相等的。对两表达式分别进行相减和相加运算，得到终端A和终端B之间的钟差和真实距离ρ分别为：
图6 双向测量基本原理
在双向测距时间同步测量中，TBA和TAB作为测量值，可分别从终端A和终端B的码跟踪环中获取，并可以嵌入到传输帧数据区内，通过两终端的数据交换链路向对方发送。收发双方设备的收、发设备硬件时延已通过预先标定得到。因此，通过双向测量就可以得到两设备之间的钟差测量值和真实距离测量值。
在很多机构和部分会计人员中，接受继续培训教育的认识程度不足。由于各行各业都需要会计人员，很多机构和单位将会计人员作为后勤保障人员，不重视培训教育。在继续教育培训过程中，将更多的精力和资金放在业务人员培训教育上。在很多领导的思想意识中，都认为会计人员现有的知识结构和理论修养，足以承担企业现有的会计工作，对于财务管理所面临的新问题、新趋势、新动态，以及会计出台的全新法规和行业规范，会计人员在日常工作中，只要加强自我学习就能够获得，没有认识到会计人员继续培训教育的重要性。
按图2所示，使用时差测试仪测量验证系统两台钟的时间差，试验数据见表1所示。
1PPS时差测量精度测试数据如表2所示。
切口感染是急性阑尾炎术后最为常见的并发症，在未穿孔的急性阑尾炎患者中切口感染率一般小于10%，而一旦阑尾炎化脓穿孔，此时切口感染率便可高达30%左右[6，7]。在本研究中150例急性化脓性或坏疽性阑尾炎术后切口感染率约10.67%，因本研究中化脓性或坏疽性阑尾炎基本均为未穿孔阑尾炎，故切口感染率相对要低，这也与上述文献报道相近。
5 试验验证
5.1 未进行现场实时校准的验证系统测试结果
（1）实验室静态钟差测试结果
据统计，我国城市燃气的使用量较大，且在一天中随时间波动幅度很大，对气网的安全平稳运行造成很大影响。发展天然气发电能有效缓解其他方面用气量的波动对气网造成的冲击，增加天然气供应的安全性。
式中，τ'为取样时间，x(0)为两站初始时间差，x(τ')为两站经过取样时间后时间差，fA和fB分别为取样时间内终端A和终端B的平均频率。相对频率偏差求出后，两设备绝对频率偏差可知。因此本校准具备同时完成机间时差、频差的精确测量能力。
表1 钟差静态测试结果
（2）1PPS时差测量精度测试结果
在获得两设备的时间差后，可方便地求出两设备相对频率偏差
表2 1PPS时差测量精度
（3）B(DC)时差测量精度测试结果
B(DC)时差测量精度测试数据如表3所示。
各阈值函数方法处理后信号如图3所示，使用新调节阈值处理公式方法去噪后波形f明显比b、e要好.去噪后波形c在信号开始具有抖动现象，而f的波形一直都光滑.分析表1：带噪信号经过新阈值函数处理后， Rs,n提升2.09倍，Er,m,s由未处理时31.471 6减少到5.283 7.结合图3和表1可以得出使用新的可调节阈值函数去噪质量优于图3中的其它方法.
表3 B(DC)时差测量精度
5.2 现场实时校准后验证系统测试结果
如图7所示，通过本校准装置中收发终端测量和比对数据，然后对验证系统进行前后秒的数据比对，修正钟差，可以得出守时精度小于1ns。
图中横轴为测试次数，纵轴为守时精度测量值。
图7 守时精度测试结果
5.3 试验结论
通过校准装置现场校准后，时统设备验证系统可以保证以下能力：（1）验证系统具备获取、保持基于卫星（北斗、GPS）时间的能力；（2）验证系统守时精度优于指标要求；（3）验证系统具备提供高品质的基准频率源的能力；（4）验证系统平台内时间分发精度可满足5纳秒以内精度要求；在上述能力满足的条件下，验证系统时间同步精度满足协同作战装备精度要求。
大坝坝址处河谷断面呈不对称“U”字形，两岸陡壁耸立，谷底宽约50 m，河谷高程为901.0 m。坝顶长112.0 m，坝顶高程937.9 m，坝顶宽6 m，最大坝高54.9 m，最大坝底宽度48.4 m，建基面高程883.0 m。坝体由挡水坝段、溢流坝段和底孔坝段组成。挡水坝段长77.0 m，布置在左右两侧；溢流坝段布置在坝体中部偏右岸，表孔净宽2×8.5 m，堰顶高程931.50 m。
6 小结
现代战争中，战机协同作战具有明显的优势，协同作战的有效性和整体性需要高精度时统系统来保障，时统验证系统的验证能力直接影响时统系统的时间同步性能，然而验证系统在验证过程中极易受到飞行环境的影响，实验室中对验证系统的校准结果不能代表其在使用时的特性。为了定量测量飞行环境引起的时间波动对验证结果的影响，亟需开展时统验证系统现场校准技术研究，提高整个验证系统验证结果的准确性、可靠性，从而保证高精度时统系统的时间同步性能。本文研究验证系统在装备试飞验证过程中的现场校准技术，并基于该技术研制校准装置，可以有效解决验证系统的现场校准问题，确保对装备的验证测试数据准确可靠，避免对装备同步性能的误判。
参考文献
[1]常宏,张首刚,王心亮,等.基准原子钟的发展及国家授时中心光学原子钟的研制进展[J].中国科学：物理学力学天文学 ,2010,40（5）：616-622.
[2]董绍武.守时中的若干重要技术问题研究[D].西安：中国科学院研究生院（国家授时中心）,2007.
[3]M. Sheng, C. Xu, X. Wang, Y. Zhang, W. Han, and J. Li,“Utility-based Resource Allocation for Multi-channel Decentralized Networks,” IEEE Transactions on Communications, vol.62, no. 10, pp. 3610-3620,2014. (SCI： 000344525300018)
[4]M. Sheng, C. Yang, Y. Zhang, and J. Li, “Zone-based Load Balancing in LTE Self-Optimizing Networks：A Game Theoretic Approach,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 63, no. 6, pp. 2916-2925, 2014. (SCI： 000342422000035)
[5]L. Wang, M. Sheng, Y. Zhang, and C. Xu, “Robust Energy Efficiency Maximization in Cognitive Radio Networks： the Worst-Case Optimization Approach,”IEEE Transactions on Communications, vol.63, no.1,pp. 51-65, 2015. (SCI： 000348052300005)
[6]G. Liu, M. Sheng, X. Wang, W. Jiao, Y. Li, and J. Li ,“Interference alignment for partially connected downlink MIMO heterogeneous networks,” IEEE Transactions on Communications, vol. 63, no. 2, pp.551-564, 2015. (SCI： 000350205700018)
[7]X. Wang, M. Sheng, D. Zhai, J. Li, G. Mao, and Y.Zhang, “Achieving Bi-Channel-Connectivity with Topology Control in Cognitive Radio Networks,”IEEE Journal on Selected Areas in Communications,vol. 32, no. 11, pp. 2163-2176, 2014. (SCI：000348856700016)
[8]J. Wen, M. Sheng, X. Wang, J. Li, and H. Sun, “On the Capacity of Downlink Multi-Hop Heterogeneous Cellular Networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 8, pp. 4092-4103,August 2014. (SCI： 000342160400002)
[9]Y. Li, M. Sheng, Y. Shi, X. Ma, and W. Jiao, “Energy efficiency and delay tradeoff for time-varying and interference-free wireless networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13,no. 11, pp. 5921 -5931, Nov. 2014.
[10]C. Guo, M. Sheng, X. Wang, and Y. Zhang, “Throughput Maximization with Short-Term and Long-Term Jain’s Index Constraints in Downlink OFDMA Systems,” IEEE Transactions on Communications,vol. 62, no. 5, May 2014. (SCI： 000338028300010)
[11]C. Xu, M. Sheng, C. Yang, X. Wang, and L. Wang,“Pricing Based Multi-Resource Allocation in OFDMA Cognitive Radio Networks： An Energy Efficiency Perspective,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 63 no. 5, pp. 2336 - 2348, 2015.
Research on Fileld Calibration Technology of Synchronous Combat Equipment Time Verification System
Hu Dandan
(The 10th Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Chengdu Sichuan,610036)
Abstract: The high-precision time system is the basis for ensuring the high integration and coordinated operational effectiveness of the cooperative combat equipment.The verification capability of the verification system directly affects the time synchronization performance of the time system,and the verification system is highly susceptible to the flight envioronment during the verification process. In order to quantitatively measure the influence of the time movement caused by the flight envioronment on the verification results,it is urgent to carryout the system verification system onsite calibration technology to improvr the accuracy and reliability of the verification results of the entire verification system,so as to ensure the time synchronization performance of the system.
Key words： Time verification system；Cooperative operation；Time fluctuation；Calibration
作者简介
胡丹丹（1978.10--），工学学士，工程师，主要研究方向为时间频率计量、电学计量等。
标签：时统验证系统论文; 协同作战论文; 时间波动论文; 校准论文; 中国电子科技集团公司第十研究所论文;