基于对流层散射信道的时间同步技术研究

王　伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0　引言

时间同步是指，为能够协调各部分之间工作，系统要有统一的时间标准[1]。时间同步是整个分布式系统正常有效工作的基础。实现时间同步有多种方案，主要原理是利用远端钟和本地钟的时钟信号之间的钟差进行双向时钟校准。因此，时钟信号的传递很大程度上制约着系统最终的时间同步精度。

目前可利用卫星、微波、短波以及光纤等信道传递时钟信号[2-4]。卫星信道存在自主性受限以及在战争中抗打击、抗干扰能力差等缺点；微波传输过程中易受到地形、地球曲率以及地面建筑物等因素的影响，传输距离受限[5]；短波信道的路径时延难以估计导致其精度不高；光纤虽然传输精度高、误码率低，但其铺设难度大、造价高，不易满足系统对机动性的要求。文献[6]中提出利用传输距离远、抗干扰和越障能力强的对流层散射信道传递时钟信号来实现分布式系统时间同步，该方案能够克服其他方案的不足。但文中只是从理论上分析了时间同步的精度，并未对此新方案的技术难点和面临的问题进行研究。

本文针对上述问题，研究了利用对流层散射信道实现分布式系统时间同步的原理，并对其中涉及的关键问题和技术难点进行了分析，并提出了相应的应对方案。

1　分布式系统时间同步方案

以一般无源地空定位系统为例，其典型时间同步体系结构如图1所示。

图1　一般地空武器系统时间同步体系结构

其时间同步的需求主要来自于：① 信息共享；② 指挥控制协调；③ 空天地指挥与信息协调；④ 特殊体制雷达，如三角定位、双基地、时差定位等。其时间同步具备的特点主要有：按不同的同步需求进行服务，各层采用不同的时间同步设备，同层的设备完全相同。这样既避免了资源浪费，又满足各层的不同需求；每台设备均采用多种同步技术，并能够按照一定的原则自动转换，时间同步设备是系统的重要组成部分。

时间信号往往来自于频率信号，1 Hz的正弦振荡整形后就形成每秒一个脉冲(1 Pulse Per Second,1 PPS)。频率的准确性直接决定时间的准确性，频率信号的相位移动也会导致时间信号的位置发生变化。时间同步是指分布在各地时间标准钟在时刻上保持一致，但实际上总有误差，这个误差称为同步误差，误差在规定的范围内，就认为时钟已经同步。一般常说的时间同步包括两方面的内容：其一是时刻同步，即在某一确定的时间点，两时钟的读数相同；其二是时间保持，即完成时刻同步后，两时钟走时准确。分布式系统中的授时和守时设备如图2所示。

图2　时间同步主要设备

2　基于对流层散射的时间同步

2.1　设计原理

对流层散射信道传递时间同步信号分为单向传输和双向传输，其中，双向时间传输由于能有效地消除信道延迟而得到人们的广泛关注[7]。基于对流层散射信道双向比对的原理如图3所示。

图3　双向时间比对

分布式系统的站A和站B两站之间利用时间同步设备，互相传递时间信息进行双向比对，由于数传通道是对称或者近似对称的，故双向时间信号在传输路径上的延迟大部分能够抵消。双向时间传输过程如下：站A和站B分别在同一时刻向对方发送时间标签信号，同时本地的时间间隔计数器(Time Interval Counter ,TIC)开始计时，时间标签信号通过数传信道被对方接收。站A、B分别接收到对方时间标签信号的前沿时关闭计数器，并记录各自测得的时间间隔，时间信号的具体传递过程如图4所示。

图4　对流层散射双向时间比对时延关系图

由图3和图4中的时间关系可得，基于对流层散射信道双向时间传递的数学表示为：

(1)

式中，TA和TB分别为站A和站B的计数器测得的时间间隔，Δt为站A和站B之间的时间差。TTA和TTB分别为站A和站B的发射设备的时延，TRA和TRB分别为站A和站B接收设备的时延，TAS和TBS分别为站A和站B相对传输介质上行信号的几何距离时延，TSA和TSB为站A和站B相对传输介质下行信号的几何距离时延，TS1和TS2分别为站A和站B发射的信号经过传输介质时产生的时延。由式(1)可得两站时间差为：

(2)

式中，等号右边的第一项为两站计数器所测出的时间间隔差；第二项为两站的发射设备和接收设备时延差；第三项为信号在空间传播时的路径时延差；第四项为信号在传输介质中传播的时延差。要精确计算AB站间时间差Δt，必须详细计算信号的空间传播路径差。因此，基于对流层散射信道的双向时间传递法误差主要从时间间隔测量误差、对流层延迟误差、发射设备和接收设备时延误差等方面进行分析。时间间隔测量误差和发射设备、接收设备时延误差均为设备误差，受外界影响较小，而对流层散射信道的时变特性使得对流层延迟误差变化较快且不易估计。

2.2　技术难点

对流层散射信道由于只有小部分能量经散射体散射后到达接收天线，故其信道损耗较大。张明高院士提出的对流层散射传输损耗预测模式通常不考虑大气吸收损耗和天线偏向损耗，对流层散射传输损耗中值公式可以表示为如下形式[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)分别为电磁波的收、发两站视平角。F(dB)为气候校正因子，γ为对流层结构系数，它们的数值与散射链路所在位置有关；f(MHz)为载波频率；d为通信距离；H=10-3θd/4(km)。h0=10-6θ2ae/8，为最低散射点高度,ae表示地球等效半径。天线口面介质耦合损耗可表示为：

Lc(dB)=0.07×e0.055×(GT+GR)。

(4)

当 GT和GR单位是dB时，可表示为：

GT,R=10lg[4.5×(D/λ)2]，

(5)

式中，D(m)为天线半径。综上所述，接收功率可表示为：

Pr=Pt-L+GT+GR。

(6)

为直观描述对流层散射信道损耗，取通信距离为150 km，发射功率为400 W，发射天线和接收天线增益均为40 dB。当载波频率为5 GHz，接收功率随视平角变化如图5所示。设收、发视平角相当，均为0.5°时，接收功率随频率变化如图6所示。

图5　接收功率随入射角变化

图6　接收功率随频率变化

如图6所示，对流层散射传输损耗较大，一般能力的接收机接收到的信号功率相对较小，这就对接收设备和信号检测算法提出了较高的要求。即在对流层散射信道传递时钟信号过程中，应当使用敏感的接收设备和算法，设置较小的检测阈值，且损耗在高仰角下明显大于低仰角，因此散射链路尽量使用低仰角通信。

当使用卫星信道传递时钟信号时，天线仰角较大，且电波完全穿透对流层，对流层影响较小，一般不对其时延进行不对称修正。但对流层散射信道的时变特性和多径效应导致信道时延实时性较强，且受到电波入射角、比对站气象等因素的影响。因此，计算电波在对流层散射信道中的延迟至关重要。大气折射是引起电磁波信号传播延迟和路径弯曲的主要原因，大气折射率受温度、大气压、湿度等诸多因素的影响，具有复杂性和随机性，其决定着电磁波在大气中的折射程度。因此，对流层折射率直接影响着电磁波在对流层散射信道中的延迟。N(h)表示大气的折射率，可表示为：

(7)

式中，P(hPa)表示大气压，e(hPa)表示水汽压，T(K)表示气温。为计算N(h)，选取我国境内的3个测站。利用3个测站全年地表处的气象数据参考式(7)计算地表处的折射率，结果如图7所示。

图7　全年折射率

由图7可知，折射率随时间变化，最大出现在夏季，这与夏季的独特气象环境密切相关。实时变化的折射率给精确估计信道延迟带来了难度，文献[9]中利用射线描迹法计算对流层散射信道延迟，但在计算过程中，忽略了对流层散射信道的多径效应，且电波上任意处的气象数据不易获得。因此，为精确估计对流层散射信道延迟，提高时间同步精度，应考虑散射信道多径效应，从统计学角度出发。

相干带宽和信道参数之间的关系如图8所示。

图8　相干带宽和信道参数之间的关系

散射信道具有明显的多径效应，严重的多径效应能够造成信道频率选择性衰落，相干带宽能够有效地衡量多径效应[10-11]。当链路的带宽大于相干带宽时，信道会存在明显的频率选择性衰落，在这种情况下，传输系统要采用分集抗衰落接收方式，接收机采用自适应均衡器消除码间干扰并实现分集信号的最大比合并，对抗信道时变特性和多径效应所带来的传输损伤。

3　结束语

研究了利用对流层散射信道传递时间信号原理，推导了传递公式，分析了主要误差来源。并对其中的技术难点和解决方案进行了一定的分析，为选择分布式系统的时间同步实现途径和提高时间同步精度提供了参考。

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