一種多時(shí)段同步授時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一種多時(shí)段同步授時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0新型保鮮系統(tǒng)的需求近年來(lái)，隨著第三代通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)在組織模式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、資源使用和維護(hù)管理等方面呈現(xiàn)出新的全球適應(yīng)。第三代短波通信網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是采用了同步工作機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中需要有統(tǒng)一的時(shí)鐘源,內(nèi)部各同步工作單元通過(guò)時(shí)鐘源的統(tǒng)一授時(shí)來(lái)保持工作次序的一致性,保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步運(yùn)行。作為短波通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備,短波電臺(tái)的同步掃描、快速選頻、同步建鏈等模塊的正常運(yùn)行也需要時(shí)間同步作保障。尤其是短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái),由于其機(jī)動(dòng)、靈活的特點(diǎn),對(duì)于時(shí)間的要求更加嚴(yán)格。需滿足以下四個(gè)方面的要求:(1)精確性。3G-ALE通信規(guī)范規(guī)定,3G系統(tǒng)必須提供能使網(wǎng)絡(luò)中所有臺(tái)站按時(shí)間基準(zhǔn)保持同步的機(jī)制,在同步模式運(yùn)行時(shí),所有臺(tái)站間的最大時(shí)間差不超過(guò)50ms。(2)安全性。保證短波通信系統(tǒng)在任意條件下不間斷、無(wú)差錯(cuò)的精確授時(shí)。(3)保持性。授時(shí)源結(jié)束授時(shí)后,在時(shí)鐘漂移的允許范圍內(nèi)具備一定時(shí)鐘保持功能。(4)小型化。授時(shí)終端要求體積小、重量輕。因此,要滿足短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)乃至整個(gè)短波通信網(wǎng)對(duì)于時(shí)間同步的嚴(yán)格要求就需要同步授時(shí)技術(shù)與時(shí)鐘保持技術(shù)作保障。1衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)和缺乏測(cè)時(shí)系目前,世界各國(guó)開(kāi)發(fā)使用的授時(shí)技術(shù)很多,其中能滿足短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)需求的只有衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)和短波授時(shí)技術(shù)。衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)中較成熟的有我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。適用于我軍的短波授時(shí)技術(shù)只有中科院國(guó)家授時(shí)中心的短波授時(shí)系統(tǒng)。1.1推廣保鮮系統(tǒng)升級(jí)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem)是中國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年,我國(guó)建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng),使我國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。自建成以來(lái),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)先后在北京奧運(yùn)會(huì)和四川汶川、青海玉樹(shù)的抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃,2012年左右,北斗系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力;2020年左右,建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)目前授時(shí)精度可達(dá)50ns以內(nèi),獨(dú)具短報(bào)文通信功能。對(duì)于我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)而言,采用北斗系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有:(1)自主產(chǎn)權(quán),中國(guó)獨(dú)立控制;(2)精度高,可達(dá)50ns以內(nèi);(3)獨(dú)具短報(bào)文通信功能。其缺點(diǎn)有:(1)目前接收機(jī)價(jià)格略高于GPS接收機(jī),普及率低于GPS;(2)北斗二號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)尚未完成組網(wǎng),不能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋;(3)安全性差,一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)將成為重點(diǎn)打擊目標(biāo)。1.2gps系統(tǒng)的應(yīng)用GPS(GlobalPositioningSystem)是美國(guó)在1993年建成的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時(shí)系統(tǒng),能夠全球覆蓋、全天候工作、全天24h連續(xù)實(shí)時(shí)地向地面用戶提供高精度位置、速度和時(shí)間信息。GPS的設(shè)計(jì)目的是用于美國(guó)的軍事領(lǐng)域,系統(tǒng)提供的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)分為高精度的P碼和低精度的C/A碼。P碼為軍用只對(duì)美國(guó)及其盟國(guó)開(kāi)放,其他國(guó)家只能使用民用的C/A碼,因此C/A碼的定位和授時(shí)精度均有較大的下降。GPS系統(tǒng)的授時(shí)功能為無(wú)源授時(shí),民碼的授時(shí)精度可以達(dá)到50ns以內(nèi)。對(duì)于我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)而言,采用GPS進(jìn)行授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有:(1)授時(shí)精度高,可達(dá)50ns;(2)覆蓋范圍廣,可實(shí)現(xiàn)全球定位,24顆星可以覆蓋包括兩極在內(nèi)所有大氣層內(nèi)位置;(3)應(yīng)用廣泛,目前GPS已成功應(yīng)用在航天、通信、軍事以及眾多的民用導(dǎo)航定位領(lǐng)域,技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,市場(chǎng)上也有各種GPS接收芯片可以選擇,可利用的現(xiàn)成產(chǎn)品較多,開(kāi)發(fā)難度低,價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)主要是安全性問(wèn)題。GPS由美國(guó)軍方控制,其發(fā)布的信號(hào)分民碼和軍碼兩種,除了美國(guó)的盟國(guó)外,我們得到的只能是民碼接收設(shè)備,美國(guó)可以在戰(zhàn)時(shí)輕易干擾,甚至封鎖民碼的使用。因此單純依靠GPS授時(shí)在戰(zhàn)時(shí)將受到干擾,或美國(guó)封鎖其民碼的使用,整個(gè)同步網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓。1.3gps系統(tǒng)+北平系統(tǒng)對(duì)于我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)而言,采用GLONASS進(jìn)行授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有:其抗干擾能力優(yōu)于GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)。其缺點(diǎn)有:(1)實(shí)用性差,GLONASS應(yīng)用不夠廣泛,可利用的現(xiàn)成產(chǎn)品較少,接收芯片價(jià)格相對(duì)較高;(2)目前未達(dá)到全球覆蓋;(3)安全性問(wèn)題。1.4波時(shí)號(hào)的接收在國(guó)內(nèi),只有中科院國(guó)家授時(shí)中心的短波授時(shí)臺(tái)(標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)播臺(tái))發(fā)播短波授時(shí)信號(hào)。該發(fā)播臺(tái)位于陜西蒲城,呼號(hào)為BPM。BPM時(shí)號(hào)發(fā)播的是世界時(shí)UT1和協(xié)調(diào)時(shí)UTC,采用標(biāo)準(zhǔn)頻率2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz全天24h交替發(fā)播。短波授時(shí)的授時(shí)源為原子鐘,授時(shí)精度為毫秒量級(jí),覆蓋全國(guó)范圍。利用短波時(shí)號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離時(shí)頻校準(zhǔn)的主要設(shè)備是短波接收機(jī),原則上講,目前裝備的所有短波電臺(tái)都可以用于接收短波時(shí)號(hào)。對(duì)于我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)而言,采用短波授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有:(1)以電離層為傳播媒介,抗毀性能強(qiáng);(2)設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉。其缺點(diǎn)是可靠性差。短波發(fā)播受電離層變化和太陽(yáng)活動(dòng)的影響較大,接收時(shí)應(yīng)避開(kāi)日出、日落時(shí)間,電離層擾動(dòng)期間應(yīng)盡量接收載頻較高的時(shí)號(hào);短波信道的特性決定了無(wú)線短波授時(shí)在戰(zhàn)時(shí)可能遭敵干擾或遭本方通信電臺(tái)自擾。2高穩(wěn)晶振使用領(lǐng)域目前,世界各領(lǐng)域普遍使用原子鐘或高穩(wěn)晶振對(duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行保持,其中原子鐘的頻率穩(wěn)定性好,常用于航天、通信等領(lǐng)域,而高穩(wěn)晶振的使用范圍最為廣泛。2.1時(shí)鐘同步保持技術(shù)原子鐘是微型的原子振蕩器,頻率穩(wěn)定性高,一般可達(dá)到相對(duì)頻率穩(wěn)定度為10~11量級(jí)/s,理論上,1ms的時(shí)間誤差,可以保存同步時(shí)鐘1年以上。因此,它常用于導(dǎo)航、通信和定時(shí)儀器等需要非常穩(wěn)定和精準(zhǔn)頻率源的場(chǎng)合。在授時(shí)源失效的情況下,時(shí)鐘同步保持技術(shù)可使原子鐘維持本地時(shí)鐘誤差精度在3個(gè)月內(nèi)小于5ms。針對(duì)短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái),采用原子鐘進(jìn)行時(shí)鐘保持的優(yōu)點(diǎn)有:(1)頻率穩(wěn)定性高;(2)精準(zhǔn)度高。缺點(diǎn)為:(1)抗震性差,必須采取一定的減震措施;(2)功耗大,需要有良好的散熱措施;(3)體積大;(4)價(jià)格昂貴。2.2高穩(wěn)晶振時(shí)鐘保持系統(tǒng)高穩(wěn)定度石英晶體諧振器(簡(jiǎn)稱高穩(wěn)晶振)是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的時(shí)鐘保持元件。它的短期穩(wěn)定度相當(dāng)好(秒以下穩(wěn)定度比原子頻率標(biāo)準(zhǔn)好,秒級(jí)穩(wěn)定度可與某些原子頻率標(biāo)準(zhǔn)相媲美),所以無(wú)論在工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、無(wú)線電電臺(tái)、還是在國(guó)防科研試驗(yàn)以及空間技術(shù)領(lǐng)域都是不可缺少的。高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度為5×10-7/s,穩(wěn)定度比銣原子頻率振蕩器低5ms的時(shí)間誤差,理論上,可以保存同步時(shí)鐘10余天。在固定節(jié)點(diǎn)授時(shí)暫時(shí)失效的條件下,仍能維持一段時(shí)間的正常同步。針對(duì)短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái),采用高穩(wěn)晶振進(jìn)行時(shí)鐘保持的優(yōu)點(diǎn)有:(1)集成度高,體積小;(2)應(yīng)用范圍廣,現(xiàn)成產(chǎn)品多;(3)具有抗震性,適于軍用;(4)價(jià)格便宜。3比較與應(yīng)用3.1glo-形成系統(tǒng)同步授時(shí)技術(shù)比較如表1所示。通過(guò)比較得出,衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)在精確性方面明顯優(yōu)于短波授時(shí)技術(shù)。衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)中俄羅斯的GLO-NASS系統(tǒng)目前不能達(dá)到全球覆蓋,因此不適于我國(guó)短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)使用;美國(guó)的GPS系統(tǒng)受美軍方控制,安全性差,不能單獨(dú)使用;我國(guó)的北斗授時(shí)系統(tǒng)在覆蓋范圍、精確性、小型化等方面基本符合需要,但是在戰(zhàn)爭(zhēng)期間易被敵軍摧毀。因此,單一的授時(shí)系統(tǒng)都不能完全滿足我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)對(duì)于安全性的要求。3.2高穩(wěn)晶振+高穩(wěn)晶振時(shí)鐘保持技術(shù)對(duì)比表見(jiàn)表2。由上述兩種時(shí)鐘保持技術(shù)的比較可以得出,原子鐘的頻率穩(wěn)定度高于高穩(wěn)晶振,但由于其體積大、抗震性差等特點(diǎn)不適用于機(jī)動(dòng)靈活的短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)使用,而且高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度完全可以滿足需求,因此我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)采用高穩(wěn)晶振進(jìn)行時(shí)鐘保持。3.3信號(hào)同步保持方案設(shè)計(jì)綜上所述,要全面滿足我軍短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)于授時(shí)保持系統(tǒng)精確性、安全性、保持性、小型化等方面的要求,就需要將北斗授時(shí)系統(tǒng)、GPS授時(shí)系統(tǒng)、短波授時(shí)系統(tǒng)綜合運(yùn)用,再配以高穩(wěn)石英晶體振蕩器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步保持。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),得出具體實(shí)施方案為:首先采用安全性最高的北斗系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí),并且使用高穩(wěn)晶振對(duì)每個(gè)時(shí)隙接收的信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘保持,當(dāng)高穩(wěn)晶振的時(shí)鐘漂移即將超出系統(tǒng)允許范圍時(shí)進(jìn)行下一時(shí)隙的授時(shí);當(dāng)北斗信號(hào)丟失,則無(wú)縫切換到GPS系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí),仍采用高穩(wěn)晶振進(jìn)行時(shí)鐘保持;當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)都無(wú)法接收時(shí),迅速采用穩(wěn)定性最差的短波授時(shí)信號(hào)對(duì)高穩(wěn)晶振進(jìn)行校時(shí),確保短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步。4glonss軟件在網(wǎng)絡(luò)模擬中的應(yīng)用基于第三代短波通信網(wǎng)絡(luò)的短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)綜合同步授時(shí)及時(shí)鐘保持技術(shù)作為短波同步通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,是第三代短波網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)行的基礎(chǔ)。深入研究同步授時(shí)及時(shí)鐘保持技術(shù)可以提高短波同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾性,全面提升短波同步網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性,為短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)在短波綜合接入網(wǎng)中的應(yīng)用提供有力保障。同時(shí),綜合同步授時(shí)與時(shí)鐘保持技術(shù)是對(duì)短波戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)在短波通信戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的進(jìn)一步加固,對(duì)于保障我軍在信息化戰(zhàn)場(chǎng)處于有利地位具有重要意義,值得深入研究。GLONASS(TheGlobal