短波戰(zhàn)術電臺同步授時及時鐘保持技術研究

劉佳, 胡中豫, 游苑, 張豪

摘 要：通過對四種同步授時技術和兩種時鐘保持技術的優(yōu)劣分析，設計出滿足戰(zhàn)場環(huán)境下短波戰(zhàn)術電臺需求的綜合性同步授時及時鐘保持系統(tǒng)。該系統(tǒng)集北斗授時、GPS授時、短波授時和高穩(wěn)晶振保持電路于一體，有效解決了短波通信網中各短波戰(zhàn)術電臺之間時鐘不同步的問題。

關鍵詞：同步授時; 時鐘保持; 短波戰(zhàn)術電臺; 短波授時

中圖分類號：TN924-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0010-03

Research on Synchronous Timing and Clock Conservation Technology of

Short-wave Tactical Transceiver

LIU Jia, HU Zhong-yu, YOU Yuan, ZHANG Hao

(Chongqing Communication Institute, Chongqing 400035, China)

Abstract： A kind of comprehensive synchronous timing and clock conservation system which can meet the requirement of short-wave tactical radio under the condition of battlefield is designed by analyzing the merits and demerits of four synchronous timing technologies and two clock conservation technologies. The Beidou timing system, GPS timing system, short-wave timing system and conservation circuit of highly-stabilized quartz crystal oscillatorare integrated into the system, which effectually resolves the problem that the clock do not synchronous among one short-wave tactical radio and the others in short-wave communication web.

Keywords： synchronous timing; clock conservation; short-wave tactical transceiver; short-wave timing

0 引 言

近年來，隨著第三代短波通信技術的飛速發(fā)展，短波通信在組織模式、網絡結構、資源利用和維護管理等方面都面臨新的重大調整。第三代短波通信網絡最大的特點就是采用了同步工作機制。網絡中需要有統(tǒng)一的時鐘源，內部各同步工作單元通過時鐘源的統(tǒng)一授時來保持工作次序的一致性，保證整個網絡的同步運行。作為短波通信系統(tǒng)的基礎設備，短波電臺的同步掃描、快速選頻、同步建鏈等模塊的正常運行也需要時間同步作保障。尤其是短波戰(zhàn)術電臺，由于其機動、靈活的特點，對于時間的要求更加嚴格。需滿足以下四個方面的要求：

(1) 精確性。3G-ALE通信規(guī)范規(guī)定，3G系統(tǒng)必須提供能使網絡中所有臺站按時間基準保持同步的機制，在同步模式運行時，所有臺站間的最大時間差不超過50 ms。

(2) 安全性。保證短波通信系統(tǒng)在任意條件下不間斷、無差錯的精確授時。

(3) 保持性。授時源結束授時后，在時鐘漂移的允許范圍內具備一定時鐘保持功能。

(4) 小型化。授時終端要求體積小、重量輕。

因此，要滿足短波戰(zhàn)術電臺乃至整個短波通信網對于時間同步的嚴格要求就需要同步授時技術與時鐘保持技術作保障。

1 同步授時技術現狀及分析

目前，世界各國開發(fā)使用的授時技術很多，其中能滿足短波戰(zhàn)術電臺需求的只有衛(wèi)星授時技術和短波授時技術。衛(wèi)星授時技術中較成熟的有我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、美國全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)和俄羅斯全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。適用于我軍的短波授時技術只有中科院國家授時中心的短波授時系統(tǒng)。

1.1 我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(北斗系統(tǒng))

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2000年，我國建成北斗導航試驗系統(tǒng)，使我國成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。自建成以來，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)先后在北京奧運會和四川汶川、青海玉樹的抗震救災中發(fā)揮了重要作用。根據系統(tǒng)建設總體規(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、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)目前授時精度可達50 ns以內，獨具短報文通信功能。

對于我軍短波戰(zhàn)術電臺而言，采用北斗系統(tǒng)進行授時的優(yōu)點有：

(1) 自主產權，中國獨立控制；

(2) 精度高，可達50 ns以內；

(3) 獨具短報文通信功能。

其缺點有：

(1) 目前接收機價格略高于GPS接收機，普及率低于GPS；

(2) 北斗二號導航衛(wèi)星系統(tǒng)尚未完成組網，不能實現全球覆蓋；

(3) 安全性差，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭將成為重點打擊目標。

1.2 美國全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GPS)

GPS(Global Positioning System)是美國在1993年建成的新一代衛(wèi)星導航、定位和授時系統(tǒng)，能夠全球覆蓋、全天候工作、全天24 h連續(xù)實時地向地面用戶提供高精度位置、速度和時間信息。GPS的設計目的是用于美國的軍事領域，系統(tǒng)提供的衛(wèi)星導航信號分為高精度的P碼和低精度的C/A碼。P碼為軍用只對美國及其盟國開放，其他國家只能使用民用的C/A碼，因此C/A碼的定位和授時精度均有較大的下降。GPS系統(tǒng)的授時功能為無源授時，民碼的授時精度可以達到50 ns以內。

對于我軍短波戰(zhàn)術電臺而言，采用GPS進行授時的優(yōu)點有：

(1) 授時精度高，可達50 ns；

(2) 覆蓋范圍廣，可實現全球定位，24顆星可以覆蓋包括兩極在內所有大氣層內位置；

(3) 應用廣泛，目前GPS已成功應用在航天、通信、軍事以及眾多的民用導航定位領域，技術已經相當成熟，市場上也有各種GPS接收芯片可以選擇，可利用的現成產品較多，開發(fā)難度低，價格便宜。

其缺點主要是安全性問題。GPS由美國軍方控制，其發(fā)布的信號分民碼和軍碼兩種，除了美國的盟國外，我們得到的只能是民碼接收設備，美國可以在戰(zhàn)時輕易干擾，甚至封鎖民碼的使用。因此單純依靠GPS授時在戰(zhàn)時將受到干擾，或美國封鎖其民碼的使用，整個同步網絡將陷于癱瘓。

1.3 俄羅斯全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GLONASS)

GLONASS(The Global Navigation Satellite System)是前蘇聯(lián)為了應對美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS而建立的一個全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)。由于前蘇聯(lián)的解體和經濟的原因，該系統(tǒng)的部分衛(wèi)星相繼老化。近年來，俄羅斯積極著手對 GLONASS進行技術改造。預計到今年年底，其信號范圍將從覆蓋俄羅斯全境擴大到覆蓋全球，授時精度將達到GPS標準。GLONASS系統(tǒng)授時功能為無源授時，目前授時精度低于GPS。

對于我軍短波戰(zhàn)術電臺而言，采用GLONASS進行授時的優(yōu)點有：其抗干擾能力優(yōu)于GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)。

其缺點有：

(1) 實用性差，GLONASS應用不夠廣泛，可利用的現成產品較少，接收芯片價格相對較高；

(2) 目前未達到全球覆蓋；

(3) 安全性問題。

1.4 我國短波授時系統(tǒng)

在國內，只有中科院國家授時中心的短波授時臺(標準時間標準頻率發(fā)播臺)發(fā)播短波授時信號。該發(fā)播臺位于陜西蒲城，呼號為BPM。BPM時號發(fā)播的是世界時UT1和協(xié)調時UTC，采用標準頻率2.5 MHz,5 MHz,10 MHz,15 MHz全天24 h交替發(fā)播。短波授時的授時源為原子鐘，授時精度為毫秒量級，覆蓋全國范圍。利用短波時號進行遠距離時頻校準的主要設備是短波接收機，原則上講，目前裝備的所有短波電臺都可以用于接收短波時號。

對于我軍短波戰(zhàn)術電臺而言，采用短波授時系統(tǒng)進行授時的優(yōu)點有：

(1) 以電離層為傳播媒介，抗毀性能強；

(2) 設備簡單、機動靈活、成本低廉。

其缺點是可靠性差。短波發(fā)播受電離層變化和太陽活動的影響較大,接收時應避開日出、日落時間，電離層擾動期間應盡量接收載頻較高的時號;短波信道的特性決定了無線短波授時在戰(zhàn)時可能遭敵干擾或遭本方通信電臺自擾。

2 時鐘保持關鍵技術及分析

目前，世界各領域普遍使用原子鐘或高穩(wěn)晶振對時間信號進行保持，其中原子鐘的頻率穩(wěn)定性好，常用于航天、通信等領域，而高穩(wěn)晶振的使用范圍最為廣泛。

2.1 原子鐘

原子鐘是微型的原子振蕩器，頻率穩(wěn)定性高，一般可達到相對頻率穩(wěn)定度為10~11量級/s，理論上，1 ms的時間誤差，可以保存同步時鐘1年以上。因此，它常用于導航、通信和定時儀器等需要非常穩(wěn)定和精準頻率源的場合。在授時源失效的情況下，時鐘同步保持技術可使原子鐘維持本地時鐘誤差精度在3個月內小于5 ms。

針對短波戰(zhàn)術電臺，采用原子鐘進行時鐘保持的優(yōu)點有：

(1) 頻率穩(wěn)定性高；

(2) 精準度高。

缺點為：

(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) 價格昂貴。

2.2 高穩(wěn)定度石英晶體諧振器

高穩(wěn)定度石英晶體諧振器(簡稱高穩(wěn)晶振)是現在應用比較廣泛的時鐘保持元件。它的短期穩(wěn)定度相當好(秒以下穩(wěn)定度比原子頻率標準好，秒級穩(wěn)定度可與某些原子頻率標準相媲美)，所以無論在工業(yè)、實驗室、無線電電臺、還是在國防科研試驗以及空間技術領域都是不可缺少的。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5 ms的時間誤差，理論上，可以保存同步時鐘10余天。在固定節(jié)點授時暫時失效的條件下，仍能維持一段時間的正常同步。

針對短波戰(zhàn)術電臺，采用高穩(wěn)晶振進行時鐘保持的優(yōu)點有：

(1) 集成度高，體積?。?/p>

(2) 應用范圍廣，現成產品多；

(3) 具有抗震性，適于軍用；

(4) 價格便宜。

3 比較及應用

3.1 同步授時技術比較

同步授時技術比較如表1所示。

表1 授時系統(tǒng)對比表

授時系統(tǒng)所屬技術覆蓋范圍精確性(授時精度)安全性小型化

北斗系統(tǒng)衛(wèi)星授時本國覆蓋50 ns以內易被摧毀體積小

GPS系統(tǒng)衛(wèi)星授時全球覆蓋50 ns以內受美軍方控制體積小

GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星授時本國覆蓋低于GPS穩(wěn)定性差體積較小

短波授時系統(tǒng)短波授時全國覆蓋1 ms易受干擾體積小

通過比較得出，衛(wèi)星授時技術在精確性方面明顯優(yōu)于短波授時技術。衛(wèi)星授時技術中俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)目前不能達到全球覆蓋，因此不適于我國短波戰(zhàn)術電臺使用；美國的GPS系統(tǒng)受美軍方控制，安全性差，不能單獨使用；我國的北斗授時系統(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)爭期間易被敵軍摧毀。因此，單一的授時系統(tǒng)都不能完全滿足我軍短波戰(zhàn)術電臺對于安全性的要求。

3.2 時鐘保持技術比較

時鐘保持技術對比表見表2。

表2 時鐘保持技術對比表

時鐘保持性(頻率穩(wěn)定度)安全性(抗震性)小型化價格

原子鐘高差體積大昂貴

高穩(wěn)晶振較高強體積小便宜

由上述兩種時鐘保持技術的比較可以得出，原子鐘的頻率穩(wěn)定度高于高穩(wěn)晶振，但由于其體積大、抗震性差等特點不適用于機動靈活的短波戰(zhàn)術電臺使用，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)術電臺采用高穩(wěn)晶振進行時鐘保持。

3.3 在短波戰(zhàn)術電臺中的應用

綜上所述，要全面滿足我軍短波戰(zhàn)術電臺在戰(zhàn)場環(huán)境下對于授時保持系統(tǒng)精確性、安全性、保持性、小型化等方面的要求，就需要將北斗授時系統(tǒng)、GPS授時系統(tǒng)、短波授時系統(tǒng)綜合運用，再配以高穩(wěn)石英晶體振蕩器對時鐘信號進行同步保持。經反復實驗，得出具體實施方案為：首先采用安全性最高的北斗系統(tǒng)進行授時，并且使用高穩(wěn)晶振對每個時隙接收的信號進行時鐘保持，當高穩(wěn)晶振的時鐘漂移即將超出系統(tǒng)允許范圍時進行下一時隙的授時；當北斗信號丟失，則無縫切換到GPS系統(tǒng)進行授時，仍采用高穩(wěn)晶振進行時鐘保持；當衛(wèi)星信號都無法接收時，迅速采用穩(wěn)定性最差的短波授時信號對高穩(wěn)晶振進行校時，確保短波戰(zhàn)術電臺達到最低標準的時間同步。

4 結 語

基于第三代短波通信網絡的短波戰(zhàn)術電臺綜合同步授時及時鐘保持技術作為短波同步通信的關鍵技術之一，是第三代短波網絡同步運行的基礎。深入研究同步授時及時鐘保持技術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絡的安全性和可靠性，為短波戰(zhàn)術電臺在短波綜合接入網中的應用提供有力保障。同時，綜合同步授時與時鐘保持技術是對

短波戰(zhàn)術電臺在短波通信戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)場生存能力的進一步加固，對于保障我軍在信息化戰(zhàn)場處于有利地位具有重要意義，值得深入研究。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文