基于GPS的卫星时间和频率同步原理研究

摘 要:时间和频率同步是雷达标校系统的关键技术之一,同步的实现是系统采用两地雷达目标模拟技术所必须的。研究一种基于GPS的卫星时间和频率同步方案,即接收GPS转发的标准时间和频率信号,采用同步模块实现标校系统舰上和岸上两地的时间和频率同步,该方案优于传统同步装置的长时间校正频率误差,提高了标校系统的时间和频率同步精度,从而减小了标校系统对雷达进行标定校准的误差。

关键词:雷达标校; 时间同步; 频率校准; GPS

中图分类号:TN98文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)15-0008-03

Research of Synchronization for Satellite Time and Frequency Based on GPS

HOU Jian-hua1, WANG Bao-lin2, CAI Xin-jü2, LI Ting-jun2

(1.Yantai Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Yantai 264001, China;2.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract: The time and frequency synchronization is a key technology of radar calibration system, the realization of synchronization is necessary for this calibration to adopt the technology of two-point radar target simulation. A method of synchronization for time and frequency based on GPS satellite is introduced, which is realized by receiving standard time and frequency signal transmitted from GPS satellite and adopting synchronization module to realize the time and frequency synchronization between sea-going part and harbor part. This method is superior to traditional synchronization device in aspect of long-time frequency error correction, greatly enhances synchronization accuracy of time and frequency in the calibration system, and reduces the error when the calibration system calibrates a ship radar.

Keywords: radar calibration; time synchronization; frequency calibration; GPS

0 引 言

雷达是舰船实施目标探测的关键,目标参数的准确度完全依赖于雷达的精度。采取何种方便、快捷、有效的标校方法来提高雷达精度是当前研究的热门课题。针对舰船雷达的特殊性,本文采用基于GPS同步技术和雷达目标模拟技术的静态有源标校方法构建新型舰船雷达标校系统,较好地实现了舰船雷达的机动式标校和经常性维修保障。

现代GPS的高频率稳定度和纳秒级的时间同步精度为标校系统应用雷达目标模拟技术提供了可靠的同步源,本文重点研究以GPS信号为基准的同步系统实现。

1 标校系统原理

1.1 标校系统组成

标校系统由GPS卫星、GPS接收机模块、雷达天线收发模块、数据传输模块、延时处理模块、标定模块和控制系统模块等组成。

1.2 标校系统工作原理

标校系统分为岸上标校部分和舰上被校雷达部分。首先通过数传模块互通使雷达操作员和标校人员协调雷达工作方式及相关数据,再利用两个主控模块控制GPS接收机模块统一两大部分的频率f0和计时脉冲并设置好要测模拟目标的距离S和速度V,被校雷达开机后并发射信号的时刻被系统记录N,岸上标校部分的天线收发模块接收到被校雷达的发射信号并被系统记录时刻M,岸上系统再通过延时处理模块将雷达信号延时和多普勒频移(延时对应值为距离S、频移对应值为速度V,其中频移是为了不需要采用高辐射功率就能很好地区别地、海杂波的干扰),这样得到一个雷达目标模拟回波信号再通过岸上雷达天线发射回去让被校雷达接收,被校雷达得到一个目标信息,岸上部分通过数传模块将M,S传给舰上部分,舰上标定模块将这些数据信息进行综合计算得出该被校雷达的测距误差,其中设置好的S当作测距距离真值;其次,方位误差主要是采用多个方位标多次测量取平均值的方法。最后,雷达操作员根据误差对雷达测距零值和测角零值进行修正,完成对雷达的校准。该过程就是基于GPS同步技术和雷达目标模拟技术的雷达静态有源标校。

2 同步系统设计及其实现

为了使岸上和舰上的雷达天线收发模块能够协调工作,雷达信号从被校雷达到标校系统时,舰上的发射机和岸上的接收机要有统一的时间标准即时间同步;为了接收和处理回波信号,舰上发射机和岸上接收机必须工作在相同的本振频率,若要求进行脉冲压缩和动目标检测时,还需保持相位相参性,即频率和相位同步。同理,雷达目标模拟回波信号从岸上标校系统到舰上被校雷达时,岸上发射机和舰上接收机也要统一的时间标准,处理回波信号时接收机要求工作在相同的本振频率以保持相参。为满足以上同步需求就必须使用时间与频率信号传递技术。

在各种授时技术中,无线电信号是最重要、最方便、采用最为普遍的远距离时间和频率比对手段,主要有短波时号、长波时号、电视广播和卫星系统等,利用短波时号时设备虽简单但精度低;长波时号的精度较高但需短波粗同步;电视信号的精度较高,但时延不易确定;而利用空间卫星传递时间,具有精度高、覆盖范围大的优点,利用GPS接收机定时,只需跟踪一颗卫星便可精确计算出相对美国海军天文台 UTC的时差,同步精度优于100 ns,时间同步稳定度在10 s内平均随机误差为15 ns[1]。

2.1 同步系统原理

传统的时间同步装置是通过对内部振荡器振荡频率误差、信号漂移误差和相位误差进行计算,并根据计算校正内部振荡器的振荡频率获得准确的时间信息,这种方式的同步装置需要较长的时间来校正频率误差,而且校正后精度不是很高,尤其是瞬时频率精度很难保证,从而使本次研究的雷达标校系统中各参数的测量出现较大的误差。因此,结合本系统的实际,同步系统由GPS接收机、数传模块、同步模块、时间计数模块和中心控制器组成[2]。

2.1.1 时间同步

舰上和岸上两地的GPS接收机分别接收来自GPS卫星的信号,用系统广播的卫星位置信息按照一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延,校正卫星位置误差、建模误差(对流层模型、电离层模型等)后便可实现两地GPS接收机的同步,同步后的GPS接收机输出标准时间秒脉冲信号(长期稳定度为10-12,最大时间误差25 ns),经过同步模块,得到f0(方波)作为中心控制器的时钟,此时两地时间同步。

2.1.2 校频的实现

由晶振、放大器、计数器、鉴相器、缓冲器CPU和数模转换器组成。

岸上和舰上的GPS接收机输出的标准时间秒脉冲信号(1 PPS)作为同步模块的输入,去同步本地的高稳定晶体振荡器。晶体振荡器是系统频率来源,为满足两地雷达接收机相噪指标,采用长期稳定度为10-11且短期频率稳定度为10-10的f0高稳定度电压控制晶体振荡器(VCXO),它是一个电压/频率变换装置,特点是振荡频率随输入控制电压线性地变化。计数器通过对晶体振荡频率的计算输出内部1 PPS信号,为避免输出的1 PPS信号与来自GPS接收机的1 PPS信号在初始相位上相差太大,用GPS接收机的1 PPS信号作为计数器开始计数的开门信号,鉴相器将计数器输出的1 PPS信号与来自GPS接收机的1 PPS信号进行比较得出相位差,缓冲器存储比较器输出的相位差,然后送往微处理器,经计算后以数字形式向晶振输出频率差值,在进行数模转换后对晶振电压进行调整,从而实现对其振荡频率的校正,因此,同步模块是一个锁相环路,也是一个负反馈装置。同步模块经由放大器端输出三路,一路f0正弦信号,作为雷达接收机频率综合器的频率源,相同的频率源以保证两地雷达接收机的相参工作;两路f0方波信号,一路作为时钟信号送给中心控制器,另一路送到时间计数器模块以GPS接收机输出的1 PPS为标准进行计数[3]。

2.2 时间计数器模块

计数器A和B被来自GPS的1 PPS同步脉冲触发,当被校雷达发射信号时,系统记录该时刻并通知计数器A为时刻N;当被校雷达的发射信号被岸上的标校系统收发天线接收时系统记录该时刻并通知计数器B为时刻M,计数时序如图1所示[4]。

图1 计数器时序图

为了完成岸上和舰上两部分的测距,N和M两个数值被数传模块送往系统标定模块进行后续处理,主要原理是:(M-N)/f0就是舰上被校雷达发射信号到岸上标校系统天线收发模块接收该信号的距离时间差,已知f0是时序计数脉冲[5]。由公式可以得到舰上和岸上距离为:S0=c(M-N)/f0,在计算被校雷达目标距离测量值时将会被标定模块扣除2S0(包含信号的发射和返回两个距离值)。

2.3 系统误差分析

针对系统的距离误差,存在关键的三个数据:S设定的模拟目标的距离真值;S0舰上和岸上两部分的距离;Sr被校雷达得到模拟目标信号的读取值。理论上,距离误差应该是S和Sr-2S0的差值,即ΔS=Sr-2S0-S。根据ΔS对被校雷达的测距零值进行修正,完成距离校准。

实际上,为了提高标校系统的距离校准精度,减小真值相关数据的误差是最有效的方法。

影响S0的有:计数器在计数时1 PPS脉冲本身有25 ns的最大时间误差;另外,信标在通知计数器雷达信号发射接收两时刻时存在电路处理延时,但鉴于两地在通知过程都存在延时,因此M和N相减后基本没有时间差,电路的微小差异决定此延时在5 ns以内。

影响S的主要是雷达信号在目标回波模拟过程中存在信号存储和回放电路处理的延时tα(通常测定在100 ns以内),此延时会直接导致被校雷达回波信号的测距延时而产生距离误差,该延时应该在标校系统安装延时处理模块时就应该多次精确测定,系统在标定模块就自动默认扣除,在系统扣除后此延时存在的波动误差为总值的±10%,即20 ns[6]。

3 结 语

该雷达标校系统的同步装置利用了同一个高精度基准即GPS卫星,通过卫星对地面中心站的标准时间频率信号进行转发,保证了对两地时钟的精确时间同步,精度优于100 ns,GPS接收机输出高稳定标准时间秒脉冲信号(1 PPS)作为校频的标准,两地的压控晶振频率稳定度可达到10-11,在时间、频率和相位上实现了同步的要求,从而保证了该系统两地雷达接收机的相参工作,也减小了由同步时钟非准确同步引起的测距离和误差,提高了雷达标校系统的距离校准精度。

参考文献

[1]杨振起,张永顺,骆永军.双(多)基地雷达系统[M].北京:国防工业出版社,1998.

[2]林昌华.时间同步与校频[M].北京:国防工业出版社,1990.

[3]李学森,付庆霞.双/多基地雷达系统同步技术[J].舰船电子对抗,2007(8):30-34.

[4]李廷军.数据复接器研究[J].海军航空工程学院学报,2005(1):145-146.

[5]楼宇希.雷达精度分析[M].北京:国防工业出版社,1979.

[6]李廷军,林雪原.利用铷钟实现组合导航系统研究[J].通信学报,2006(8):144-147.

[7]D K 巴顿.雷达系统分析[M].北京:电子工业出版社,1991.

[8]BARTON D K, LEONOV S A. Radar technology encyclopedia[M]. London: Artech House, 1997.

[9]DEWEY Wayne P. Disciplined rubidium oscillator with GPS selective availability[C/OL]//Proc. of the 24th PTTI Meeting. [1992-04-17]. http://tycho.usno.navy.mil.

[10]李宗武.一种新的机载雷达标校方法[J].现代雷达,2004(2):4-6.

[11]刘高峰,刘健.基于GPS定位系统的舰船雷达标校系统研究[J].舰船科学技术,2006,28(6):100-102,114.

推荐访问:频率 同步 原理 时间 研究