网络化靶场综合模拟试验网时间统一系统研究

索晓楠，雷 鸣，陈俊彪

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

时间统一系统是向武器常规试验、导弹、航天试验提供标准时间信号和标准频率信号以实现整个试验系统时间和频率的统一，由各种电子设备组成的一套完整的系统。靶场的使命任务是通过各种手段测量被试品 （如有控弹药等）的运动参数和轨迹、发射时间校正，这些空间参数与时间尺度是密切相关的[1]。时统使靶场整个测量控制系统在统一的时间尺度下工作，是靶场的时间基准和频率基准。在实际应用中，一般采用网络定时的方法来统一多个PC机的系统时钟，具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务。它的前提条件是时间源输出必须通过网络接口，数据输出格式必须符合NTP协议。因此这种方法要有网络的支持，而实际试验环境下没有网络支持。文中是根据在网络化靶场的模拟测试中，为了配合设备的正常工作，要求设计专用标定设备。此设备可灵活扩展至同时对几十台PC机的时间基准的统一标定，电路简单，易于实现，成本低，应用范围较为广泛且不需要网络支持。

1 靶场时间统一意义

在靶场，时间统一系统的作用是在导弹和航天试验中，对导弹、航天器进行精密测量（测量其位置、速度、加速度和飞行姿态）和控制（控制其飞行状态[2]）。时间统一系统的概念也是在靶场最早提出的。当飞行目标点火、起飞以后，在初始段和主动段的飞行中，测控系统根据时统提供的时间、频率信号、控制信号和同步信号，控制光学设备、雷达设备、遥控设备和实时图像系统对飞行目标进行实时测量，遥测参数测量和实时飞行监视。在各种时钟信号的控制下，指挥中心的指控计算机数据处理系统将实际数据与理论数据进行比较，将典型遥测参数实时处理显示，以确定飞行目标的轨迹是否正常，然后进行实时安全控制[3]。完成时统控制发控系统自动点火任务，建立靶场统一的发射零点（起飞绝对时）。

2 常用的授时方法及其比较

要使本地时间与标准时间实现统一（或称同步），就要解决时间这一量值的传递。时间量值的传递与其它量值的传递相比，一个十分重要的优点是其可以借助无线电波实现量值的远距离传递［4］。时间统一系统正是基于此，将国家时间频率基准的时间频率量值，通过授时台送至各个时统设备所在地，以实现整个系统的时间统一。

2.1 短波授时

短波授时因其覆盖广、授时设备和接收装置简单，成为最早开展的无线电授时业务，并得到广泛的应用。但它精度受限、噪声大、干扰多和明显的衰落，以及由于电离层骚扰会引起突然中断等现象[5]。我国 BPM（2.5，5.0，10.0，15.0 MHz）短波 授 时 台 ， 其 载 频 准 确 度 优 于 ±1×10－12；UTC（Coordinated Universal Time，协调世界时）发播时刻准确度优于 50 μs，且其时号发播超前20 ms。

2.2 长波授时

长波授时也有两种方式：地波和天波。地波方式由于幅度和相位稳定，传播时标信号误差较短波小；天波方式受到电离层的影响比短波小，且有较好的重复性，比其地波方式传播距离更远、精度更高。但电离层的起伏与骚动仍会影响天波的幅度和相位，载频低使得它不适合传输频率丰富的前沿陡峭的时间脉冲信号，地波容易受到幅度较大的天波信号“污染”，需对调制信号精心设计。我国BPL（100 kHz）长波授时电台，其发播时刻准确度≤1 μs；发播频率准确度≤1×10－12；天线辐射峰值功率≥0.8 MW；作用距离：地波1 000～2 000 km，天波3 000 km。

2.3 卫星授时

卫星授时可实现发播信号的大面积覆盖，且卫星到用户的无线电波是直达波，受大气折射的影响远远小于短波、长波受电离层的影响，无线电波大部分时间是在近似真空的条件下传播的，精度要高得多，因此这一技术已成为了实现远距离时间同步的最佳方法。GPS卫星导航定位系统是美国国防部的第二代卫星导航定位系统。授时与传统授时相比，有着精度高、所受干扰小、实时等优点，必将被广泛应用。但目前的定时型GPS接收机价格昂贵，且不利于用户自己的特定开发[6]。

3 系统组成

在靶场网络化综合测试系统中，通过在实验室模拟实际的网络化靶场系统接入能力指标，对靶场实时数据模拟、信息获取、信息融合、信息驱动、计算机的实时数据的显示等各项功能进行验证，检验靶场网络化综合系统的接入能力。试验过程中，要求用12台PC机来模拟各测试设备。

如图1为系统的设计框图。本系统使用微控制器作为时间基准信号的产生器件，通过控制微控制器的端口来实现时间基准信号从串口TXD端口的输出。当通过采用单脉冲硬件驱动定标的方式使端口为低电平时，在程序的控制下，微控制器将输出时间基准信号。

图1 系统设计框图Fig.1 Design diagram of system

由于本系统被要求同时对12台具有RS232接口的PC机进行时间基准的统一标定，所以TXD端口输出的一路时间基准信号要通过一个74HC04和两个7407分成12路，并且每两路信号将被分为一组进行传输。为了提高整个系统的可靠性和稳定性，每组与微控制器之间将各自独立供电。为了防止不同地之间的相互干扰，系统采用了光藕合器HCPL2630来实现各模块与微控制器间地的隔离。由于TTL电平的+5 V代表数字信号 “1”，－5 V代表数字信号 “0”；而RS232电平的+10 V代表数字信号“0”，－10 V代表数字信号“1”，所以要通过MAX232芯片进行电平转换，实现把时间基准信号传输到12台PC机上，完成各PC机时间基准的统一标定。

4 硬件电路设计

微控制器作为本系统的核心器件，它工作是否稳定，直接关系到各设备间时间基准统一的精度。如图2为其中一组信号传输的电路设计。

由图可以看出，为了使片内程序存储器的程序能被执行，首先应使微控制器的EA引脚置高电平。根据WR引脚置低电平时，允许微控制器向外部数据存储器写数据这一功能，此电路通过一个按键来控制WR电平的高低。当按键未按下时，WR引脚被置为高电平，这时微控制器就无法向外部数据存储器写数据，因此也就没有时间基准信号发出；当按下键后，WR引脚直接与地相连，被置为低电平，与此同时，微控制器内部执行软件程序，根据程序指示，就会从微控制器的串行数据输出端TXD引脚输出数据，也就是输出时间基准信号。为了防止微控制器与信号传输电路之间地环路的相互干扰，从微控制器的TXD引脚输出的时间基准信号要通过一个光耦合器件HCPL2630来实现两个地之间的隔离。由于HCPL2630的输入信号电流要大于6.3 mA，所以在输入端设计时加了阻值为470 Ω的上拉电阻R3，使输入电阻达到7.4 mA，从而驱动光耦合器正常工作。HCPL2630为OC门输出，因此在外部必须加上拉电阻R4、R5，此处选用360 Ω的电阻。传输相同的数据，TTL电平与RS232电平是相反的，且电压高低不同，通过MAX232芯片实现TTL电平与RS232电平的转换，其中 C4、C5、C6、C7 取值为 1 μF。 这样就达到了时间基准信号标定各PC机的目的，统一了各PC机的本地时间。

图2 时间基准信号产生电路Fig.2 Time benchmark signal circuit

HCPL2630和MAX232的供电方式与微控制器的相同。都是用B1205LS-1W电压模块来使外部12 V电压转化为5 V电压。另外，每个芯片在电源和地之间都要有滤波电容，此电路设计时都选用0.1 μF电容。

5 软件程序设计

根据微控制器产生时间基准信号的硬件设计方法，软件实现流程如图3所示，从图中可以得出：初始化定时器及串口后，程序等待按键按下。当键按下后WR置低电平，程序经过延时后判断WR电平仍为低时，就向输出串口发送数据。采用检测发送中断结束标志TI是否为1的方式来判断数据是否发送完毕，当TI=0时，数据未发完，程序在原处循环等待；当TI=1时，说明数据已发送完毕，也就是时间基准信号已发出，程序也随之结束。

图3 软件设计流程图Fig.3 Flow chart of the software design

以下是编写的软件程序：

把程序加载到微控制器中，对系统加电，当按键按下后，时间基准信号可以被各PC机接收到，且系统工作稳定。

6 结 论

在网络化靶场仿真模拟试验中，根据总体试验方案布设光电经纬仪、雷达、协同测试平台和综显的模拟设备。当各PC机处于等待标定状态时，按下时统设备的时间基准信号发出控制按钮后，时间统一系统可以校准所有PC机的时钟，使模拟测试设备具有了相同的初始时间。鉴于标定的初始时间误差无法精确测量，通过对数据的反推可知，系统的时间误差在系统可接受的范围之内，数据融合系统正常工作，系统圆满达到测试要求。通过现场试验测试，本论文提出的采用硬件实现多个PC机的时间基准统一这一方法是可行的，达到了系统测试的要求。在需要统一标定多个PC机本地时间的其他领域，也将会有广泛应用价值。

[1]童宝润.时间统一系统[M].北京：国防工业出版社，2003.

[2]吴坤，张君.基于GPS的靶场时统系统技术研究[J].国防技术基础，2009，26（4）:10-11.WU Kun，ZHANG Jun.The unified system research of shooting range based on GPS[J].Technology Foundation of National Defence， 2009，26（4）:10-11.

[3]李秋娜.CPLD器件在时间统一系统中的应用[J].电子测试，2005，32（2）:55-58.LI Qiu-nan.CPLD device in the time unified system application[J].Electronic Testing，2005，32（2）:55-58.

[4]杨蕾.基于FPGA的靶场时间统一系统[D].北京：北京理工大学，2007.

[5]LI Gun，WU Fu-ping.Development of high precision and multifunctionaltiming system using integrated GPS/BD receiver[J].IEEE Trans.On Neural Network，2008，10 （3）:626-634.

[6]Paninski L.Estimation of entropy and mutual information[J].Neural Computation，2006，16（3）:1191-1253.