最大限度地提高系統(tǒng)和同步信號的可用性。

提供對抗干擾、干擾和欺騙的對策。

確保系統(tǒng)的可擴展性。

提供故障轉移機制、網絡安全和計時錯誤檢測功能。

允許使用網絡配置和監(jiān)控工具。

提供與基于以太網接口的 COTS 設備的互操作性。

在廣域網中提供亞ns同步性能。

語境

C5ISR（指揮、控制、通信、計算機、網絡、情報、監(jiān)視和偵察）系統(tǒng)允許集成存儲的實時信息，以確保戰(zhàn)場上的準確態(tài)勢感知并獲得技術優(yōu)勢。

 

該系統(tǒng)系統(tǒng) (SoS) 將包括一組傳感器（雷達）、武器以及指揮和控制中心，它們通過可靠的低延遲網絡交換同步數(shù)據(jù)。

 

雷達、武器以及指揮和控制中心之間的這種通信的目標是找到敵人、修復它、跟蹤它、交戰(zhàn)并評估它。為了在分布式系統(tǒng)中以有效的方式實現(xiàn)這一點并盡可能獲得最佳性能，設備的正確時間和頻率同步變得至關重要。

 

為了理解這種同步的關鍵點，有必要了解系統(tǒng)的主要元素——雷達。

 

軍用雷達主要用于空中交通管制（ATC）、空中和地面監(jiān)視、導彈預警探測和海上導航。通常，雷達分為陸基、機載、天基和海軍。

 

由于技術的發(fā)展（更高效的發(fā)射器、相控陣天線、改進的相位/頻率性能等），可以通過高速部署網絡并融合來自多個來源（一次 1000 條軌道）的空中態(tài)勢感知信息許多節(jié)點之間交換的數(shù)據(jù)。

 

 

考慮使用發(fā)射器、天線和接收器的簡化方案（圖 2），在擊中目標后將發(fā)射、接收和處理高能級信號。

 

由此，可以通過測量三件事來實時獲得目標的位置和速度：

 

從發(fā)送瞬間到接收瞬間確定范圍的時間延遲：3 ns ~ 1 m。

反射信號中的頻率（或多普勒）偏移以確定徑向速度。

跟蹤天線的指向角（方位角和仰角）移動以最大化從目標接收的信號。

 

此簡化方案的更詳細視圖（圖 3）擴展了發(fā)射器和接收器。在發(fā)射器中產生信號后（圖像右側），需要對射頻信號進行上變頻并放大功率。同樣，在接收器（圖像左側）中，有必要仔細放大（低噪聲）接收到的微弱信號并將其下變頻到基帶。兩個轉換過程都由本地振蕩器控制，由于目標的速度，其頻率在短期內必須非常穩(wěn)定，并且相位噪聲非常低，因為它會在上變頻和下變頻中與發(fā)送和接收的信號混合。信號越穩(wěn)定，目標的反射信號就越能從噪聲中提取出來（提高對更小和更慢目標的檢測范圍）。

 

作為信號處理的一部分，連續(xù)采集被標記用于信號相關性，并且根據(jù)雷達的類型，用于干涉測量。長時間周期內定時同步的可靠性和短時間周期內非常低的抖動對于在本地執(zhí)行這些功能和跨系統(tǒng)關聯(lián)這些功能至關重要。

 

為簡化說明，以單基地雷達為例。然而，真正的挑戰(zhàn)出現(xiàn)在系統(tǒng)是分布式的（雙基地和多基地雷達）時。該分布是 C5ISR 系統(tǒng)的關鍵。

 

在下一節(jié)中，我們將描述 IEEE-1588-2019 高精度 (HA) 協(xié)議如何用于此類具有非常苛刻的時間和頻率要求的分布式應用程序。我們還將詳細介紹如何在相控陣天線的同步中使用它，所有這些都使用以太網接口。

 

近日，新的IEEE-1588-2019 HA協(xié)議標準已經發(fā)布。這個新版本包括對廣域網 (WAN) 利用率、網絡安全機制、高精度 (HA) 配置文件的擴展，用于以優(yōu)于 1 ns 的時間傳輸精度分配時間，以及具有非常低的抖動和相位噪聲的頻率。如標準中所述，此配置文件強烈基于白兔 (WR) 協(xié)議。它在數(shù)千公里和多跳的距離上的可擴展性和準確性，如何在多跳中保持其準確性，以及使用現(xiàn)有光電信網絡集成該技術的能力已經得到證明。此外，Orolia 的 IEEE-1588-2019 HA 實施提供了基于網絡的故障轉移、可追溯性監(jiān)控以及與多個時間協(xié)議的互操作性。

 

White Rabbit (WR) 技術的上述特性使其成為滿足與雷達應用相關的時間和頻率分布方面最苛刻要求的非常合適的替代方案，同時具有使用以太網數(shù)據(jù)網絡的所有好處.

 

White Rabbit (WR) 允許在整個網絡中分配頻率，從而為網絡上多個雷達的所有發(fā)射器和接收器元件提供相同的時鐘參考，確保非常低的抖動和相位噪聲頻率信號，因此不必僅僅依靠在本地振蕩器上。

 

同時，白兔 (WR) 允許以非常高的精度將時間傳輸?shù)竭M行采集和信號處理的分布式位置，從而確保同一雷達系統(tǒng)內所有元件的準確相位信息。

 

如何實現(xiàn)白兔 (WR) 網絡以向分布式雷達系統(tǒng)提供必要的時間和頻率信號并分發(fā)到這些系統(tǒng)的發(fā)射和接收元件的一般參考拓撲。

 

 

白兔 (WR) 技術最相關的雷達應用之一是相控陣系統(tǒng)（圖 5）。在這種情況下，大量輻射元件相互連接，并且必須以高精度同步，以便對分布在每個點的頻率和相位進行數(shù)字編程。

 

在光纖上使用白兔 (WR) 對于提供所需的性能并促進同步解決方案在現(xiàn)有雷達基礎設施中的集成至關重要。圖 6 顯示了用于相控陣元件的頻率和相位分布的示例同步網絡拓撲。

 

 

從圖中可以看出，基于兩層 WR-Z16 設備的白兔 (WR) 網絡用于從時間服務器檢索外部參考并將其分發(fā)到網絡的不同子系統(tǒng)，可以分布在很廣的區(qū)域。

 

每個子系統(tǒng)由一個基于白兔的節(jié)點矩陣組成，這些節(jié)點可以向相控陣天線的不同元件提供 1PPS 和 10MHz 信號。這些基于 WR 的節(jié)點可以根據(jù)集成要求以不同方式實現(xiàn)，包括：獨立 WR 盒、定制 WR 板或 HATI（高精度時序 IP）：可集成到客戶第三方 FPGA 中的 WR IP 內核使節(jié)點 WR 兼容。

 

下表說明了基于白兔的方案在包含高跳數(shù)的場景下的性能。此示例顯示了 10 個節(jié)點的菊花鏈配置中從白兔子系統(tǒng)分發(fā)的 1PPS 信號的時間精度和抖動，以及第 10 個節(jié)點的時間誤差直方圖。

 

節(jié)點 準確度 (ps) 峰值2峰值 (ps) 抖動 (ps)

1 25.5 114 12.9

2 76 156 15.7

3 131.5 140 14.3

4 142.6 166 19.2

5 183.2 217 23.3

6 224.8 218 25.5

7 351.6 278 33.3

8 359.2 376 43.1

9 376.8 559 61.5

10 401.3 682 82.5

 

 

這些結果顯示菊花鏈第十個節(jié)點的時間精度低于 500 ps。抖動隨著每一跳而增加，峰峰值時間誤差也隨之增加，但對于鏈的最后一個節(jié)點，其抖動仍然低于 100 ps，因此沿路徑很好地保持了信號的穩(wěn)定性。

 

在低抖動頻率分布能力方面，下圖顯示了菊花鏈所有節(jié)點的相位噪聲比較。

 

可以看出，系統(tǒng)的所有節(jié)點在 10 Hz 時都呈現(xiàn)出優(yōu)于 -90 dBc/Hz 的相位噪聲。

 

菊花鏈的每一跳引入的抖動衰減也是可見的，與提供最佳性能（從 1Hz 到 100kHz 集成為 1.1 ps 的 RMS 抖動）的設備（GM）一起使用并增加抖動直到最后一個節(jié)點提供最差（3.8ps）。

 

 

 

結論

C5ISR 系統(tǒng)本質上是分布式的，并且根據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)自身的性質，可以將其分析為傳感器網絡。網絡上最重要的傳感器之一是雷達，其非?？量痰臅r間和頻率同步要求使得基于白兔協(xié)議的新 IEEE-1588-2019 高精度標準非常理想。

 

該協(xié)議將允許在發(fā)射器和接收器中存在的上變頻器和下變頻器中具有低相位噪聲的數(shù)字可編程頻率以及對信號處理塊、觸發(fā)器、時間戳和相控陣天線具有非常低抖動的時間。

 

最后，北斗邦泰增加了其設備的優(yōu)勢，包括網絡安全機制、彈性（故障轉移算法、保持等）和監(jiān)控，這將允許用戶始終擁有一個在他們完全控制下的強大系統(tǒng)。