短波战术电台同步授时及时钟保持技术研究

刘佳, 胡中豫, 游苑, 张豪

摘 要：通过对四种同步授时技术和两种时钟保持技术的优劣分析，设计出满足战场环境下短波战术电台需求的综合性同步授时及时钟保持系统。该系统集北斗授时、GPS授时、短波授时和高稳晶振保持电路于一体，有效解决了短波通信网中各短波战术电台之间时钟不同步的问题。

关键词：同步授时; 时钟保持; 短波战术电台; 短波授时

中图分类号：TN924-34

文献标识码：A

文章编号：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

近年来，随着第三代短波通信技术的飞速发展，短波通信在组织模式、网络结构、资源利用和维护管理等方面都面临新的重大调整。第三代短波通信网络最大的特点就是采用了同步工作机制。网络中需要有统一的时钟源，内部各同步工作单元通过时钟源的统一授时来保持工作次序的一致性，保证整个网络的同步运行。作为短波通信系统的基础设备，短波电台的同步扫描、快速选频、同步建链等模块的正常运行也需要时间同步作保障。尤其是短波战术电台，由于其机动、灵活的特点，对于时间的要求更加严格。需满足以下四个方面的要求：

(1) 精确性。3G-ALE通信规范规定，3G系统必须提供能使网络中所有台站按时间基准保持同步的机制，在同步模式运行时，所有台站间的最大时间差不超过50 ms。

(2) 安全性。保证短波通信系统在任意条件下不间断、无差错的精确授时。

(3) 保持性。授时源结束授时后，在时钟漂移的允许范围内具备一定时钟保持功能。

(4) 小型化。授时终端要求体积小、重量轻。

因此，要满足短波战术电台乃至整个短波通信网对于时间同步的严格要求就需要同步授时技术与时钟保持技术作保障。

1 同步授时技术现状及分析

目前，世界各国开发使用的授时技术很多，其中能满足短波战术电台需求的只有卫星授时技术和短波授时技术。卫星授时技术中较成熟的有我国的北斗卫星导航系统、美国全球卫星导航定位系统和俄罗斯全球卫星导航定位系统。适用于我军的短波授时技术只有中科院国家授时中心的短波授时系统。

1.1 我国北斗卫星导航系统(北斗系统)

北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。2000年，我国建成北斗导航试验系统，使我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。自建成以来，北斗卫星导航系统先后在北京奥运会和四川汶川、青海玉树的抗震救灾中发挥了重要作用。根据系统建设总体规划，2012年左右，北斗系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗系统目前授时精度可达50 ns以内，独具短报文通信功能。

对于我军短波战术电台而言，采用北斗系统进行授时的优点有：

(1) 自主产权，中国独立控制；

(2) 精度高，可达50 ns以内；

(3) 独具短报文通信功能。

其缺点有：

(1) 目前接收机价格略高于GPS接收机，普及率低于GPS；

(2) 北斗二号导航卫星系统尚未完成组网，不能实现全球覆盖；

(3) 安全性差，一旦发生战争将成为重点打击目标。

1.2 美国全球卫星导航定位系统(GPS)

GPS(Global Positioning System)是美国在1993年建成的新一代卫星导航、定位和授时系统，能够全球覆盖、全天候工作、全天24 h连续实时地向地面用户提供高精度位置、速度和时间信息。GPS的设计目的是用于美国的军事领域，系统提供的卫星导航信号分为高精度的P码和低精度的C/A码。P码为军用只对美国及其盟国开放，其他国家只能使用民用的C/A码，因此C/A码的定位和授时精度均有较大的下降。GPS系统的授时功能为无源授时，民码的授时精度可以达到50 ns以内。

对于我军短波战术电台而言，采用GPS进行授时的优点有：

(1) 授时精度高，可达50 ns；

(2) 覆盖范围广，可实现全球定位，24颗星可以覆盖包括两极在内所有大气层内位置；

(3) 应用广泛，目前GPS已成功应用在航天、通信、军事以及众多的民用导航定位领域，技术已经相当成熟，市场上也有各种GPS接收芯片可以选择，可利用的现成产品较多，开发难度低，价格便宜。

其缺点主要是安全性问题。GPS由美国军方控制，其发布的信号分民码和军码两种，除了美国的盟国外，我们得到的只能是民码接收设备，美国可以在战时轻易干扰，甚至封锁民码的使用。因此单纯依靠GPS授时在战时将受到干扰，或美国封锁其民码的使用，整个同步网络将陷于瘫痪。

1.3 俄罗斯全球卫星导航定位系统(GLONASS)

GLONASS(The Global Navigation Satellite System)是前苏联为了应对美国的全球卫星定位系统GPS而建立的一个全球卫星定位导航系统。由于前苏联的解体和经济的原因，该系统的部分卫星相继老化。近年来，俄罗斯积极着手对 GLONASS进行技术改造。预计到今年年底，其信号范围将从覆盖俄罗斯全境扩大到覆盖全球，授时精度将达到GPS标准。GLONASS系统授时功能为无源授时，目前授时精度低于GPS。

对于我军短波战术电台而言，采用GLONASS进行授时的优点有：其抗干扰能力优于GPS系统和北斗系统。

其缺点有：

(1) 实用性差，GLONASS应用不够广泛，可利用的现成产品较少，接收芯片价格相对较高；

(2) 目前未达到全球覆盖；

(3) 安全性问题。

1.4 我国短波授时系统

在国内，只有中科院国家授时中心的短波授时台(标准时间标准频率发播台)发播短波授时信号。该发播台位于陕西蒲城，呼号为BPM。BPM时号发播的是世界时UT1和协调时UTC，采用标准频率2.5 MHz,5 MHz,10 MHz,15 MHz全天24 h交替发播。短波授时的授时源为原子钟，授时精度为毫秒量级，覆盖全国范围。利用短波时号进行远距离时频校准的主要设备是短波接收机，原则上讲，目前装备的所有短波电台都可以用于接收短波时号。

对于我军短波战术电台而言，采用短波授时系统进行授时的优点有：

(1) 以电离层为传播媒介，抗毁性能强；

(2) 设备简单、机动灵活、成本低廉。

其缺点是可靠性差。短波发播受电离层变化和太阳活动的影响较大,接收时应避开日出、日落时间，电离层扰动期间应尽量接收载频较高的时号;短波信道的特性决定了无线短波授时在战时可能遭敌干扰或遭本方通信电台自扰。

2 时钟保持关键技术及分析

目前，世界各领域普遍使用原子钟或高稳晶振对时间信号进行保持，其中原子钟的频率稳定性好，常用于航天、通信等领域，而高稳晶振的使用范围最为广泛。

2.1 原子钟

原子钟是微型的原子振荡器，频率稳定性高，一般可达到相对频率稳定度为10~11量级/s，理论上，1 ms的时间误差，可以保存同步时钟1年以上。因此，它常用于导航、通信和定时仪器等需要非常稳定和精准频率源的场合。在授时源失效的情况下，时钟同步保持技术可使原子钟维持本地时钟误差精度在3个月内小于5 ms。

针对短波战术电台，采用原子钟进行时钟保持的优点有：

(1) 频率稳定性高；

(2) 精准度高。

缺点为：

(1) 抗震性差，必须采取一定的减震措施；

(2) 功耗大，需要有良好的散热措施；

(3) 体积大；

(4) 价格昂贵。

2.2 高稳定度石英晶体谐振器

高稳定度石英晶体谐振器(简称高稳晶振)是现在应用比较广泛的时钟保持元件。它的短期稳定度相当好(秒以下稳定度比原子频率标准好，秒级稳定度可与某些原子频率标准相媲美)，所以无论在工业、实验室、无线电电台、还是在国防科研试验以及空间技术领域都是不可缺少的。高稳晶振频率稳定度为5×10-7 /s,稳定度比铷原子频率振荡器低5 ms的时间误差，理论上，可以保存同步时钟10余天。在固定节点授时暂时失效的条件下，仍能维持一段时间的正常同步。

针对短波战术电台，采用高稳晶振进行时钟保持的优点有：

(1) 集成度高，体积小；

(2) 应用范围广，现成产品多；

(3) 具有抗震性，适于军用；

(4) 价格便宜。

3 比较及应用

3.1 同步授时技术比较

同步授时技术比较如表1所示。

表1 授时系统对比表

授时系统所属技术覆盖范围精确性(授时精度)安全性小型化

北斗系统卫星授时本国覆盖50 ns以内易被摧毁体积小

GPS系统卫星授时全球覆盖50 ns以内受美军方控制体积小

GLONASS系统卫星授时本国覆盖低于GPS稳定性差体积较小

短波授时系统短波授时全国覆盖1 ms易受干扰体积小

通过比较得出，卫星授时技术在精确性方面明显优于短波授时技术。卫星授时技术中俄罗斯的GLONASS系统目前不能达到全球覆盖，因此不适于我国短波战术电台使用；美国的GPS系统受美军方控制，安全性差，不能单独使用；我国的北斗授时系统在覆盖范围、精确性、小型化等方面基本符合需要，但是在战争期间易被敌军摧毁。因此，单一的授时系统都不能完全满足我军短波战术电台对于安全性的要求。

3.2 时钟保持技术比较

时钟保持技术对比表见表2。

表2 时钟保持技术对比表

时钟保持性(频率稳定度)安全性(抗震性)小型化价格

原子钟高差体积大昂贵

高稳晶振较高强体积小便宜

由上述两种时钟保持技术的比较可以得出，原子钟的频率稳定度高于高稳晶振，但由于其体积大、抗震性差等特点不适用于机动灵活的短波战术电台使用，而且高稳晶振的频率稳定度完全可以满足需求,因此我军短波战术电台采用高稳晶振进行时钟保持。

3.3 在短波战术电台中的应用

综上所述，要全面满足我军短波战术电台在战场环境下对于授时保持系统精确性、安全性、保持性、小型化等方面的要求，就需要将北斗授时系统、GPS授时系统、短波授时系统综合运用，再配以高稳石英晶体振荡器对时钟信号进行同步保持。经反复实验，得出具体实施方案为：首先采用安全性最高的北斗系统进行授时，并且使用高稳晶振对每个时隙接收的信号进行时钟保持，当高稳晶振的时钟漂移即将超出系统允许范围时进行下一时隙的授时；当北斗信号丢失，则无缝切换到GPS系统进行授时，仍采用高稳晶振进行时钟保持；当卫星信号都无法接收时，迅速采用稳定性最差的短波授时信号对高稳晶振进行校时，确保短波战术电台达到最低标准的时间同步。

4 结 语

基于第三代短波通信网络的短波战术电台综合同步授时及时钟保持技术作为短波同步通信的关键技术之一，是第三代短波网络同步运行的基础。深入研究同步授时及时钟保持技术可以提高短波同步系统的稳定性和抗扰性，全面提升短波同步网络的安全性和可靠性，为短波战术电台在短波综合接入网中的应用提供有力保障。同时，综合同步授时与时钟保持技术是对

短波战术电台在短波通信战略安全和战场生存能力的进一步加固，对于保障我军在信息化战场处于有利地位具有重要意义，值得深入研究。

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