基于對流層散射信道的時間同步技術研究

王　偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

時間同步是指，為能夠協(xié)調各部分之間工作，系統(tǒng)要有統(tǒng)一的時間標準[1]。時間同步是整個分布式系統(tǒng)正常有效工作的基礎。實現(xiàn)時間同步有多種方案，主要原理是利用遠端鐘和本地鐘的時鐘信號之間的鐘差進行雙向時鐘校準。因此，時鐘信號的傳遞很大程度上制約著系統(tǒng)最終的時間同步精度。

目前可利用衛(wèi)星、微波、短波以及光纖等信道傳遞時鐘信號[2-4]。衛(wèi)星信道存在自主性受限以及在戰(zhàn)爭中抗打擊、抗干擾能力差等缺點；微波傳輸過程中易受到地形、地球曲率以及地面建筑物等因素的影響，傳輸距離受限[5]；短波信道的路徑時延難以估計導致其精度不高；光纖雖然傳輸精度高、誤碼率低，但其鋪設難度大、造價高，不易滿足系統(tǒng)對機動性的要求。文獻[6]中提出利用傳輸距離遠、抗干擾和越障能力強的對流層散射信道傳遞時鐘信號來實現(xiàn)分布式系統(tǒng)時間同步，該方案能夠克服其他方案的不足。但文中只是從理論上分析了時間同步的精度，并未對此新方案的技術難點和面臨的問題進行研究。

本文針對上述問題，研究了利用對流層散射信道實現(xiàn)分布式系統(tǒng)時間同步的原理，并對其中涉及的關鍵問題和技術難點進行了分析，并提出了相應的應對方案。

1　分布式系統(tǒng)時間同步方案

以一般無源地空定位系統(tǒng)為例，其典型時間同步體系結構如圖1所示。

圖1　一般地空武器系統(tǒng)時間同步體系結構

其時間同步的需求主要來自于：① 信息共享；② 指揮控制協(xié)調；③ 空天地指揮與信息協(xié)調；④ 特殊體制雷達，如三角定位、雙基地、時差定位等。其時間同步具備的特點主要有：按不同的同步需求進行服務，各層采用不同的時間同步設備，同層的設備完全相同。這樣既避免了資源浪費，又滿足各層的不同需求；每臺設備均采用多種同步技術，并能夠按照一定的原則自動轉換，時間同步設備是系統(tǒng)的重要組成部分。

時間信號往往來自于頻率信號，1 Hz的正弦振蕩整形后就形成每秒一個脈沖(1 Pulse Per Second,1 PPS)。頻率的準確性直接決定時間的準確性，頻率信號的相位移動也會導致時間信號的位置發(fā)生變化。時間同步是指分布在各地時間標準鐘在時刻上保持一致，但實際上總有誤差，這個誤差稱為同步誤差，誤差在規(guī)定的范圍內，就認為時鐘已經(jīng)同步。一般常說的時間同步包括兩方面的內容：其一是時刻同步，即在某一確定的時間點，兩時鐘的讀數(shù)相同；其二是時間保持，即完成時刻同步后，兩時鐘走時準確。分布式系統(tǒng)中的授時和守時設備如圖2所示。

圖2　時間同步主要設備

2　基于對流層散射的時間同步

2.1　設計原理

對流層散射信道傳遞時間同步信號分為單向傳輸和雙向傳輸，其中，雙向時間傳輸由于能有效地消除信道延遲而得到人們的廣泛關注[7]。基于對流層散射信道雙向比對的原理如圖3所示。

圖3　雙向時間比對

分布式系統(tǒng)的站A和站B兩站之間利用時間同步設備，互相傳遞時間信息進行雙向比對，由于數(shù)傳通道是對稱或者近似對稱的，故雙向時間信號在傳輸路徑上的延遲大部分能夠抵消。雙向時間傳輸過程如下：站A和站B分別在同一時刻向對方發(fā)送時間標簽信號，同時本地的時間間隔計數(shù)器(Time Interval Counter ,TIC)開始計時，時間標簽信號通過數(shù)傳信道被對方接收。站A、B分別接收到對方時間標簽信號的前沿時關閉計數(shù)器，并記錄各自測得的時間間隔，時間信號的具體傳遞過程如圖4所示。

圖4　對流層散射雙向時間比對時延關系圖

由圖3和圖4中的時間關系可得，基于對流層散射信道雙向時間傳遞的數(shù)學表示為：

(1)

式中，TA和TB分別為站A和站B的計數(shù)器測得的時間間隔，Δt為站A和站B之間的時間差。TTA和TTB分別為站A和站B的發(fā)射設備的時延，TRA和TRB分別為站A和站B接收設備的時延，TAS和TBS分別為站A和站B相對傳輸介質上行信號的幾何距離時延，TSA和TSB為站A和站B相對傳輸介質下行信號的幾何距離時延，TS1和TS2分別為站A和站B發(fā)射的信號經(jīng)過傳輸介質時產(chǎn)生的時延。由式(1)可得兩站時間差為：

(2)

式中，等號右邊的第一項為兩站計數(shù)器所測出的時間間隔差；第二項為兩站的發(fā)射設備和接收設備時延差；第三項為信號在空間傳播時的路徑時延差；第四項為信號在傳輸介質中傳播的時延差。要精確計算AB站間時間差Δt，必須詳細計算信號的空間傳播路徑差。因此，基于對流層散射信道的雙向時間傳遞法誤差主要從時間間隔測量誤差、對流層延遲誤差、發(fā)射設備和接收設備時延誤差等方面進行分析。時間間隔測量誤差和發(fā)射設備、接收設備時延誤差均為設備誤差，受外界影響較小，而對流層散射信道的時變特性使得對流層延遲誤差變化較快且不易估計。

2.2　技術難點

對流層散射信道由于只有小部分能量經(jīng)散射體散射后到達接收天線，故其信道損耗較大。張明高院士提出的對流層散射傳輸損耗預測模式通常不考慮大氣吸收損耗和天線偏向損耗，對流層散射傳輸損耗中值公式可以表示為如下形式[6]：

L=F+30lgf+30lgθ+10lgd+

20lg(5+γH)+4.343γh0+Lc，

(3)

式中，θ=θt+θr+1000d/ae，其中θt(mrad)和θr(mrad)分別為電磁波的收、發(fā)兩站視平角。F(dB)為氣候校正因子，γ為對流層結構系數(shù)，它們的數(shù)值與散射鏈路所在位置有關；f(MHz)為載波頻率；d為通信距離；H=10-3θd/4(km)。h0=10-6θ2ae/8，為最低散射點高度,ae表示地球等效半徑。天線口面介質耦合損耗可表示為：

Lc(dB)=0.07×e0.055×(GT+GR)。

(4)

當 GT和GR單位是dB時，可表示為：

GT,R=10lg[4.5×(D/λ)2]，

(5)

式中，D(m)為天線半徑。綜上所述，接收功率可表示為：

Pr=Pt-L+GT+GR。

(6)

為直觀描述對流層散射信道損耗，取通信距離為150 km，發(fā)射功率為400 W，發(fā)射天線和接收天線增益均為40 dB。當載波頻率為5 GHz，接收功率隨視平角變化如圖5所示。設收、發(fā)視平角相當，均為0.5°時，接收功率隨頻率變化如圖6所示。

圖5　接收功率隨入射角變化

圖6　接收功率隨頻率變化

如圖6所示，對流層散射傳輸損耗較大，一般能力的接收機接收到的信號功率相對較小，這就對接收設備和信號檢測算法提出了較高的要求。即在對流層散射信道傳遞時鐘信號過程中，應當使用敏感的接收設備和算法，設置較小的檢測閾值，且損耗在高仰角下明顯大于低仰角，因此散射鏈路盡量使用低仰角通信。

當使用衛(wèi)星信道傳遞時鐘信號時，天線仰角較大，且電波完全穿透對流層，對流層影響較小，一般不對其時延進行不對稱修正。但對流層散射信道的時變特性和多徑效應導致信道時延實時性較強，且受到電波入射角、比對站氣象等因素的影響。因此，計算電波在對流層散射信道中的延遲至關重要。大氣折射是引起電磁波信號傳播延遲和路徑彎曲的主要原因，大氣折射率受溫度、大氣壓、濕度等諸多因素的影響，具有復雜性和隨機性，其決定著電磁波在大氣中的折射程度。因此，對流層折射率直接影響著電磁波在對流層散射信道中的延遲。N(h)表示大氣的折射率，可表示為：

(7)

式中，P(hPa)表示大氣壓，e(hPa)表示水汽壓，T(K)表示氣溫。為計算N(h)，選取我國境內的3個測站。利用3個測站全年地表處的氣象數(shù)據(jù)參考式(7)計算地表處的折射率，結果如圖7所示。

圖7　全年折射率

由圖7可知，折射率隨時間變化，最大出現(xiàn)在夏季，這與夏季的獨特氣象環(huán)境密切相關。實時變化的折射率給精確估計信道延遲帶來了難度，文獻[9]中利用射線描跡法計算對流層散射信道延遲，但在計算過程中，忽略了對流層散射信道的多徑效應，且電波上任意處的氣象數(shù)據(jù)不易獲得。因此，為精確估計對流層散射信道延遲，提高時間同步精度，應考慮散射信道多徑效應，從統(tǒng)計學角度出發(fā)。

相干帶寬和信道參數(shù)之間的關系如圖8所示。

圖8　相干帶寬和信道參數(shù)之間的關系

散射信道具有明顯的多徑效應，嚴重的多徑效應能夠造成信道頻率選擇性衰落，相干帶寬能夠有效地衡量多徑效應[10-11]。當鏈路的帶寬大于相干帶寬時，信道會存在明顯的頻率選擇性衰落，在這種情況下，傳輸系統(tǒng)要采用分集抗衰落接收方式，接收機采用自適應均衡器消除碼間干擾并實現(xiàn)分集信號的最大比合并，對抗信道時變特性和多徑效應所帶來的傳輸損傷。

3　結束語

研究了利用對流層散射信道傳遞時間信號原理，推導了傳遞公式，分析了主要誤差來源。并對其中的技術難點和解決方案進行了一定的分析，為選擇分布式系統(tǒng)的時間同步實現(xiàn)途徑和提高時間同步精度提供了參考。

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