自适应Kalman滤波的战术数据链自主时间同步算法*
顾仁财，刘 飞
（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）
摘 要： 分析了战术数据链自主时间同步机制及各类误差源特性，给出了降低时间同步误差源影响的设计途径。针对复杂物理环境下时钟漂移模型难以准确建立的问题，设计了一种基于自适应Kalman滤波的自主时间同步算法，提高了不利条件下数据链的时间同步性能，实验结果证明了所采用方法的有效性。
关键词： 战术数据链，时间同步，RTT，自适应滤波
0 引言
信息化条件下的一体化联合作战成为现代战争的主要形式，在复杂电磁环境下为各作战平台提供可靠统一的高精度时间和空间信息是实施一体化联合作战的重要基础与前提［1］。基于卫星导航授时是实现各作战单元时间同步的一种重要手段，然而，卫星导航由于信号发射功率低，在战时的可用性难以保证；短波、长波等无线电广播授时，作用范围广，但授时精度不高［2］。以Link16为代表的战术数据链是一种大容量、保密、抗干扰、时分多址的战术信息分发系统，可以将各参战单元连成一个统一的通信网络，以加快情报传递、统一指挥和协同作战，在近几次局部战争中得到了广泛应用，被称为“作战效能倍增器”［3］。由于战术数据链一般具有很强的抗干扰、抗毁、保密性能，因此，基于数据链而实现的自主时间同步功能具有相同的抗干扰、抗毁能力，时间同步精度可达到10 ns～100 ns量级，可有效弥补卫导、长波授时的不足［4］。
战术数据链自主时间同步问题涉及端机、网络、消息标准、数据处理等多个方面内容，具有一定的复杂性，受到了不少科研人员的关注［5-7］。本文除了系统地分析了战术数据链自主时间同步各类误差来源，给出了降低时间同步误差源影响的设计途径，还特别针对在复杂物理环境下高精度时间同步问题，提出了相应的解决方法。
在遥远的南方，冲上夏威夷群岛上数量最多的原木来自太平洋西北部，来自菲律宾、马来西亚和日本的热带森林的木材也能一路抵达这里，但夏威夷人更多选择的是来自4 000多公里以外的花旗松和沿海红杉树，并融入了他们的文化习俗和各种传统仪式中，他们用来自温带沿海雨林中的木材建造了象征财富、威望和权力的大型双人独木舟。
1 自主时间同步机制
战术数据链自主时间同步主要通过双向往返校时（RTT）方式实现，可无需知道待同步成员和已同步成员的精确位置，避免无线信号在大气传播中的延迟误差，RTT原理如下：
待同步成员（询问端）在其时隙起点处向已同步成员（应答端）发送RTT询问消息；已同步成员测量该消息信号到达时间TOAi，并在固定时刻通过RTT应答消息将TOAi数值发送给待同步成员；待同步成员测量RTT应答消息的信号到达时间TOAr，计算其与已同步成员的时间偏差ε，如图1所示。图中，TOAi为应答端机测出的询问消息到达时间；TOAr为询问端机测出的应答消息到达时间；Td为RTT应答消息的发送时刻；Tp=RTT消息的传播时间；ε为两个用户之间的时间偏移。
由于 ε+Tp=TOAi，Td+Tp=ε+TOAr，因此，可得 ε=（TOAi-TOAr+Td）/2。
自主时间同步精度是多种误差源的综合函数。表1列出了这些误差源，分析了它们的特点及对自主时间同步性能的影响，并给出了降低这些误差源影响的设计途径。
图1 RTT原理
2 时间同步算法
3）滤波更新
“施用鄂中仟金方土壤改良了，马铃薯增产了，抗病能力强了。”“用鄂中生物高分子玉米抗逆性好，洪灾不倒伏。”“冬枣用了鄂中仟金方不用打药、品质好、绿色生态。”“酸性土壤如何调成中性土壤？”近日，这些短小精悍、信息简练，时长在1-3分钟的鄂中生态科教短视频如雨后春笋般地破土而出，传播在广袤农村。它让农化知识简易易懂、冲击力强，更具娱乐性；它让农化知识短视频营销离种植大户越来越近，农化知识看得见！张北县鄂中经销商许彦诊说：“决定农资营销成败的下一个风口也许就是农化知识短视频营销，鄂中生态科教短视频让种植户有了作物全程施肥套餐、技术服务解决方案，手机已成为种植户手里的生产资料‘百事通’。”
其中，Xk为k时刻系统特征的状态向量，Zk为观测向量，Ak-1为状态由k-1时刻到k时刻的转移矩阵，Hk从为观测矩阵，wk为k时刻系统输入随机噪声向量，vk为观测噪声向量。
表1 自主时间同步误差源
Kalman滤波方程为：
1）初始条件
时间同步状态方程和测量方程为：
2）一步预测
受网络资源的限制，RTT消息发送不可能过于频繁（典型为12 s一次），在两次RTT间隔时间内时钟漂移可达数十至数百纳秒（如果时钟频率准确度为10-8，则12 s内时间漂移120 ns）。因此，需要利用Kalman滤波算法对时钟漂移规律进行跟踪、滤波，并利用Kalman滤波器的预测值对时钟进行实时修正（如每100 ms修正一次），以节省网络资源。同时，Kalman滤波器能够有效降低时差测量值中随机误差，提高时间同步精度。
滤波初始化是时间同步滤波器启动的第一步，理论上只需两次或三次时差测量就可以完成滤波器初始化，然而当时钟相对稳定、RTT间隔时间较短、时差测量分辨率不高时，利用前两次或三次的时差测量数据对滤波器进行初始化时，可能会导致初始估计结果出现严重偏差，进而导致滤波器失效。因此，为了保证Kalman滤波器能够稳定工作、快速收敛，通常需要利用多次（如10次）时差测量数据对滤波器初始状态和协方差阵进行估计。此外，考虑到实际环境中时差测量可能存在奇异值，因此，在滤波更新之前，需要对时差测量值进行奇异值判定，如果测量值与预测值偏差过大则拒绝将该测量值送入滤波器，以防止滤波器发散，确保Kalman滤波器估计精度。
作战飞机时常会做一些大跨度、快速机动飞行，会造成时钟工作环境（温度、压力、振动）急剧变化，进而使得时钟漂移规律变得极其复杂，传统的一阶马尔科夫模型或一阶线性模型难以适应这些变化［8］。基于此，本文采用交互式多模型的Kalman滤波算法（IMM-KF），利用多个时钟漂移模型来自适应匹配时钟实际的漂移规律，并根据接收设备报送的信噪比信息动态调整RTT滤波算法中测量噪声参数，提高RTT滤波器在复杂物理环境下的估计精度。
今年以来，全区林业工作以实施“绿满河口·美丽家园”造林行动为契机，突出抓好一系列生态造林建设，与生态旅游相结合，深度挖掘资源优势，同时，着力推进林业产业发展，实现生态绿色建设、绿色富民产业“绿色双增长”。
3）计算模型概率：j=1，2
4）输出k时刻混合估计和估计协方差阵：
(3)拓展实践平台。作为应用型技术学校，培养的是全面发展、具有较强专业技能的一专多能人才。思想政治理论课不仅对青年大学生世界观、人生观和价值观的形成起着重要作用，需要青年大学生进企业、走农村、访社区、入社会去了解这些问题的实质，做出他们自己的调研和结论。一是开展德育实践活动月，组织和参加多种多样的具有教育意义的文体活动，在党和国家的重大节日和纪念日里，开展主题教育活动,增强学生的爱国主义和集体主义，推进和谐的校园文化建设。二是创立思政大讲堂。邀请专业教师进行讲解创新创业共同分享对创新创业的认识。
1）根据k-1时刻滤波器j的状态估计
、协方差阵
和模型概率
，计算与模型j匹配的滤波器的混合初始条件
和
；
在大学英语教学改革的浪潮下，大学英语后续课程已经成为众多高校的课程建设目标，尤其是重点大学。大学英语后续课程是大学英语基础阶段（一、二年级）的延伸和拓展，是学校根据学生需求和社会需求给四级后的学生开设的各类大学英语应用提高阶段的课程[3]。为了顺应时代发展，符合学生个性化发展，满足学生自我需求，地方本科院校对大学英语后续课程进行需求分析是必然之路。本文将从实证角度出发，基于学生需求探讨本科院校大学英语后续课程建设的必要性，从而为后续课程建设提供参考依据。
2）将
和
作为k时刻第j个模型的输入，得到相应的滤波输出为
；
近年来，我国高校的法学本科毕业生的就业情况不容乐观，独立学院的国贸毕业生就业行情亦面临困境。复合创新人才培养应运而生，由于其以掌握多种技能的复合型人才为培养目标，更能适应社会对人才培养的现实需求，为高校人才培养提供了新的思路。基于“一带一路”倡议视野，借助国家倡议推进和战略投入，开展国际贸易法律复合人才培养，是相关学科专业人才培养创新的重要突破。强化法律英语教学是推进国际贸易法律复合人才培养改革，不断拓展培养思路，提高培养质量的重要创新。因此，实施国际贸易法律复合人才法律英语教学已然成为高校复合创新人才培养与就业的必然选择。
其中，
为模型j的似然函数，
。
IMM-KF算法步骤包括以下4步：
滤波器状态变量为
，Δt为时钟偏差。IMM-KF模型集中的两个模型分别为一阶马尔科夫过程和匀加速模型，其状态转移矩阵分别为：
为相关时间，T为两次滤波间隔时间。
如果滤波器估计/预测的时间偏差为
ˆ，则校正的时间为
（下取整，Tu为时钟最小修正单位）。每完成一次校时后，滤波器状态变量中的时间偏差重置为
，其他状态和误差协方差矩阵保持不变，转入下一次滤波迭代。
3 实验结果与分析
为了验证时间同步算法的性能，在温度、压强、振动相对恒定的实验室环境下采集待同步数据链终端的时差测量数据（每秒采集一次，共采集15 min），如图2所示。在数据采集过程中，待同步终端只进行时差测量，不对时钟偏差进行修正，以获得时钟的漂移曲线。从图2中可以看出，在稳定环境下，时钟漂移曲线近乎为线性的。
图2 时差原始测量值与滤波跟踪结果
对采集的原始时差测量数据进行多项式拟合与Kalman滤波处理，可以得到原始测量误差曲线（蓝色实线）和滤波误差曲线（红色虚线），如图3所示。可以看出，Kalman滤波器能够有效降低原始时差测量误差，提高时间同步精度。
图3 RTT滤波误差曲线（滤波周期T=1 s）
定义滤波增益=原始测量误差/Kalman滤波估计误差，则表2显示了不同RTT周期下的滤波增益。从表中可以看出，RTT周期对滤波器的估计精度有较大的影响，RTT越频繁，滤波器估计精度越高，当RTT周期为12 s时，滤波器几乎无法降低测量误差。
表2 不同RTT滤波周期下的滤波增益
战斗机高速、高机动、大跨度飞行时，会造成时钟所处环境剧烈变化，为了验证IMM-KF滤波算法的性能，通过计算机模拟时钟在复杂环境的漂移轨迹，如图4所示。
在全面的组织框架及完善制度的基础上，以总务处为代表的医院后勤团队发挥着能源管理组织和实施的功能。总务处下设办公室、维修中心、动力科、电力科等科室，同时搭建能源管理平台（运行机制见下页图示），针对能源管理专题开展工作和研究。能源管理平台的建立，促使能源管理工作与医院各部门的联动更加密切，充分发挥了医院能源管理这支队伍的能力和作用。该平台负责人袁星向记者介绍，平台自运行以来，以不同能源主题的项目为切入点，推动医院节能工作更加持续有效地开展。
图4 时钟漂移曲线与测量值
图5给出了自适应Kalman滤波算法的误差曲线和一阶马尔科夫模型Kalman滤波算法的误差曲线，从图中可以看出，自适应Kalman滤波算法的估计精度要高于一阶马尔科夫模型滤波算法。
黑龙江是中俄界河，2013年汛期，俄方境内结雅河、布列亚河等支流也发生大洪水，增加了下游防洪压力。水利部通过外交渠道，积极协调俄方通报水情汛情，尽可能减小结雅水库、布列亚水库下泄流量。俄方给予积极回应与配合，大大减轻了黑龙江干流防洪压力。
图5 两种算方法的误差曲线（滤波周期T=1 s）
4 结论
战术数据链是赢得信息化战争的关键，时空统一精度是影响战术数据链作战效能发挥的重要因素。本文研究了战术数据链基于往返校时（RTT）的自主时间同步机制，系统地分析了时间同步各类误差来源及其特性，给出了降低时间同步误差源影响的设计途径。针对作战飞机高速机动时时钟所处环境复杂多变而造成钟漂移模型难以准确建立的问题，提出了一种基于自适应Kalman滤波的时间同步算法，通过计算机仿真证明了所采用方法的有效性。
参考文献：
［1］Wilson and Clay.Network centric warfare：background and oversight issues for congress［R］.Congressional Research Service Reports for Congress，2005.
［2］李跃，邱致和.导航与定位－信息化战争的北斗星［M］.2版.北京：国防工业出版社，2008.
［3］梅文华，蔡善法.JTIDS/Link16数据链［M］.北京：国防工业出版社，2007.
［4］ Enhanced Link-16/GPS/INS navigation robusttactical navigation resource for the military［R］.ION GPS.2000.
［5］花江.基于差分GPS的战术数据链高精度时间同步［J］.电讯技术，2016，56（4）：389-393.
［6］郭强.协同数据链的高精度时间同步设计［J］.航空电子技术，2016，47（1）：6-10.
［7］石教华.战术数据链互操作性实现方法和条件［J］.火力与指挥控制，2015，40（8）：136-139.
［8］刘赞，陈西宏，薛伦生.双基地雷达系统时间同步方案研究［J］.火力与指挥控制，2016，41（1）：139-142.
［9］庄晓燕，王厚军.基于卡尔曼滤波的网络精确时钟同步研究［J］.测控技术，2013，32（9）：107-110.
Autonomous Time Synchronization Method in Tactical Data Link Based on Adaptive Kalman Filter
GU Ren-cai，LIU Fei
（20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xi’an 710068，China）
Abstract： This paper analyzes the mechanism of autonomous time synchronization and the characteristics of various error sources in data link.The design way to reduce the influence of time synchronization error source is given.For clock drift model is difficult to establish under complex physical environment，an adaptive time synchronization filter algorithm is designed，which improves the time synchronization characteristics under adverse conditions，and experimental results demonstrate the effectiveness of the method used in this paper.
Key words： tactical data link，time synchronization，RTT，adaptive filter
中图分类号： TN966.4
文献标识码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1002-0640.2019.02.016
引用格式： 顾仁财，刘飞.自适应Kalman滤波的战术数据链自主时间同步算法［J］.火力与指挥控制，2019，44（2）：76-79.
文章编号： 1002-0640（2019）02-0076-04
收稿日期： 2018-02-11
修回日期： 2018-04-07
*基金项目： 军队“十三五”装备预先研究基金资助项目（41418030201）
作者简介： 顾仁财（1985- ），男，江西上饶人，硕士，工程师。研究方向：数据链时空统一、态势融合技术。
Citation format： GU R C，LIU F.Autonomous time synchronization method in tactical data link based on adaptive kalman filter［J］.Fire Control&Command Control，2019，44（2）：76-79.
标签：战术数据链论文; 时间同步论文; RTT论文; 自适应滤波论文; 中国电子科技集团公司第二十研究所论文;