雷达NTP/PTP时间同步服务器高精度授时

C5ISR（指挥、控制、通信、计算机、网络、情报、监视和侦察）系统允许集成存储和实时信息，以确保战场上的准确态势感知。

 

该系统系统（SoS）将包括一组传感器（雷达）、武器以及指挥和控制中心，它们通过可靠的低延迟网络交换同步的及时数据。

 

用户挑战

为雷达的本地振荡器和上/下转换器提供非常稳定且相位噪声低的频率信号。

为事件触发和时间戳提供非常准确的低抖动定时信号。

为相控阵天线的辐射元件生成适当的同步信号。

最大限度地提高系统和同步信号的可用性。

提供对抗干扰、干扰和欺骗的对策。

确保系统的可扩展性。

提供故障转移机制、网络安全和计时错误检测功能。

允许使用网络配置和监控工具。

提供与基于以太网接口的 COTS 设备的互操作性。

在广域网中提供亚ns同步性能。

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C5ISR（指挥、控制、通信、计算机、网络、情报、监视和侦察）系统允许集成存储的实时信息，以确保战场上的准确态势感知并获得技术优势。

 

该系统系统 (SoS) 将包括一组传感器（雷达）、武器以及指挥和控制中心，它们通过可靠的低延迟网络交换同步数据。

 

雷达、武器以及指挥和控制中心之间的这种通信的目标是找到敌人、修复它、跟踪它、交战并评估它。为了在分布式系统中以有效的方式实现这一点并尽可能获得最佳性能，设备的正确时间和频率同步变得至关重要。

 

为了理解这种同步的关键点，有必要了解系统的主要元素——雷达。

 

军用雷达主要用于空中交通管制（ATC）、空中和地面监视、导弹预警探测和海上导航。通常，雷达分为陆基、机载、天基和海军。

 

由于技术的发展（更高效的发射器、相控阵天线、改进的相位/频率性能等），可以通过高速部署网络并融合来自多个来源（一次 1000 条轨道）的空中态势感知信息许多节点之间交换的数据。

 

 

考虑使用发射器、天线和接收器的简化方案（图 2），在击中目标后将发射、接收和处理高能级信号。

 

由此，可以通过测量三件事来实时获得目标的位置和速度：

 

从发送瞬间到接收瞬间确定范围的时间延迟：3 ns ~ 1 m。

反射信号中的频率（或多普勒）偏移以确定径向速度。

跟踪天线的指向角（方位角和仰角）移动以最大化从目标接收的信号。

 

此简化方案的更详细视图（图 3）扩展了发射器和接收器。在发射器中产生信号后（图像右侧），需要对射频信号进行上变频并放大功率。同样，在接收器（图像左侧）中，有必要仔细放大（低噪声）接收到的微弱信号并将其下变频到基带。两个转换过程都由本地振荡器控制，由于目标的速度，其频率在短期内必须非常稳定，并且相位噪声非常低，因为它会在上变频和下变频中与发送和接收的信号混合。信号越稳定，目标的反射信号就越能从噪声中提取出来（提高对更小和更慢目标的检测范围）。

 

作为信号处理的一部分，连续采集被标记用于信号相关性，并且根据雷达的类型，用于干涉测量。长时间周期内定时同步的可靠性和短时间周期内非常低的抖动对于在本地执行这些功能和跨系统关联这些功能至关重要。

 

为简化说明，以单基地雷达为例。然而，真正的挑战出现在系统是分布式的（双基地和多基地雷达）时。该分布是 C5ISR 系统的关键。

 

在下一节中，我们将描述 IEEE-1588-2019 高精度 (HA) 协议如何用于此类具有非常苛刻的时间和频率要求的分布式应用程序。我们还将详细介绍如何在相控阵天线的同步中使用它，所有这些都使用以太网接口。

 

近日，新的IEEE-1588-2019 HA协议标准已经发布。这个新版本包括对广域网 (WAN) 利用率、网络安全机制、高精度 (HA) 配置文件的扩展，用于以优于 1 ns 的时间传输精度分配时间，以及具有非常低的抖动和相位噪声的频率。如标准中所述，此配置文件强烈基于白兔 (WR) 协议。它在数千公里和多跳的距离上的可扩展性和准确性，如何在多跳中保持其准确性，以及使用现有光电信网络集成该技术的能力已经得到证明。此外，Orolia 的 IEEE-1588-2019 HA 实施提供了基于网络的故障转移、可追溯性监控以及与多个时间协议的互操作性。

 

White Rabbit (WR) 技术的上述特性使其成为满足与雷达应用相关的时间和频率分布方面最苛刻要求的非常合适的替代方案，同时具有使用以太网数据网络的所有好处.

 

White Rabbit (WR) 允许在整个网络中分配频率，从而为网络上多个雷达的所有发射器和接收器元件提供相同的时钟参考，确保非常低的抖动和相位噪声频率信号，因此不必仅仅依靠在本地振荡器上。

 

同时，白兔 (WR) 允许以非常高的精度将时间传输到进行采集和信号处理的分布式位置，从而确保同一雷达系统内所有元件的准确相位信息。

 

如何实现白兔 (WR) 网络以向分布式雷达系统提供必要的时间和频率信号并分发到这些系统的发射和接收元件的一般参考拓扑。

 

 

白兔 (WR) 技术最相关的雷达应用之一是相控阵系统（图 5）。在这种情况下，大量辐射元件相互连接，并且必须以高精度同步，以便对分布在每个点的频率和相位进行数字编程。

 

在光纤上使用白兔 (WR) 对于提供所需的性能并促进同步解决方案在现有雷达基础设施中的集成至关重要。图 6 显示了用于相控阵元件的频率和相位分布的示例同步网络拓扑。

 

 

从图中可以看出，基于两层 WR-Z16 设备的白兔 (WR) 网络用于从时间服务器检索外部参考并将其分发到网络的不同子系统，可以分布在很广的区域。

 

每个子系统由一个基于白兔的节点矩阵组成，这些节点可以向相控阵天线的不同元件提供 1PPS 和 10MHz 信号。这些基于 WR 的节点可以根据集成要求以不同方式实现，包括：独立 WR 盒、定制 WR 板或 HATI（高精度时序 IP）：可集成到客户第三方 FPGA 中的 WR IP 内核使节点 WR 兼容。

 

下表说明了基于白兔的方案在包含高跳数的场景下的性能。此示例显示了 10 个节点的菊花链配置中从白兔子系统分发的 1PPS 信号的时间精度和抖动，以及第 10 个节点的时间误差直方图。

 

节点 准确度 (ps) 峰值2峰值 (ps) 抖动 (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

 

 

这些结果显示菊花链第十个节点的时间精度低于 500 ps。抖动随着每一跳而增加，峰峰值时间误差也随之增加，但对于链的最后一个节点，其抖动仍然低于 100 ps，因此沿路径很好地保持了信号的稳定性。

 

在低抖动频率分布能力方面，下图显示了菊花链所有节点的相位噪声比较。

 

可以看出，系统的所有节点在 10 Hz 时都呈现出优于 -90 dBc/Hz 的相位噪声。

 

菊花链的每一跳引入的抖动衰减也是可见的，与提供最佳性能（从 1Hz 到 100kHz 集成为 1.1 ps 的 RMS 抖动）的设备（GM）一起使用并增加抖动直到最后一个节点提供最差（3.8ps）。

 

 

 

结论

C5ISR 系统本质上是分布式的，并且根据系统系统自身的性质，可以将其分析为传感器网络。网络上最重要的传感器之一是雷达，其非常苛刻的时间和频率同步要求使得基于白兔协议的新 IEEE-1588-2019 高精度标准非常理想。

 

该协议将允许在发射器和接收器中存在的上变频器和下变频器中具有低相位噪声的数字可编程频率以及对信号处理块、触发器、时间戳和相控阵天线具有非常低抖动的时间。

 

最后，北斗邦泰增加了其设备的优势，包括网络安全机制、弹性（故障转移算法、保持等）和监控，这将允许用户始终拥有一个在他们完全控制下的强大系统。