面向實兵交戰訓練的時間統一技術研究 *

候夢清，華思亮，周九州，郝嘉

（1. 中國航空研究院，北京 100029；2. 北京工業大學，北京 100124）

0 引言

“實戰化訓練”已成為檢驗軍事訓練系統的黃金標準。實兵交戰訓練是以實兵實裝為基礎平臺，通過多平臺分布式實時仿真，模擬武器攻擊、命中毀傷過程的實戰化軍事訓練。實兵交戰訓練可在軍兵種范圍內開展，也可跨軍兵種跨域組織實施；參訓平臺涵蓋多軍兵種異構實裝平臺、模擬器以及虛擬兵力（live virtual constructive，LVC），各平臺時間基礎差異較大。為確保實兵交戰訓練分布式實時仿真系統中事件發生順序和數據交互與現實保持一致，時間管理變得尤為重要。

國內外開展眾多分布式仿真系統研究，如平臺級分布交互仿真（distributed interactive simulation，DIS）、聚合級仿 真協議（aggregate level simulation protocol，ALSP）、高層體系結構（high level architecture，HLA）和試驗與訓練使能體系結構（test and training enabling architecture，TENA）等，均具備時間管理功能，可保證仿真系統各成員之間事件發生順序一致［1］。但DIS，ALSP 以及HLA 等分布式仿真系統時間的管理暫不能滿足大量實裝平臺、模擬器、虛擬兵力之間實時數據共享需求；TENA 可提供實時時間管理服務，但美軍尚未公開標準［2］。此外，時間管理設計大多采用中心式時間管理方式實現各平臺時間統一控制，而實兵交戰訓練功能作為實裝參訓平臺眾多功能之一，需盡可能尊重實裝參訓平臺實際時間邏輯，完全采用中心式時間管理方式存在現實困難，因此亟須開展面向實兵交戰訓練的時間統一技術研究。

本文采用衛星時間作為時間統一標準，此外同步結合內同步方式，通過參訓平臺自主時間推進結合訓練系統中心式時間推進的時間管理模式完成實兵交戰訓練參訓平臺時間同步；在此基礎上考慮通信網絡傳輸時延補償，完成多源數據匯聚節點訓練信息時間對齊；并通過周期性時間一致性校驗進一步增加時間可靠性，從而形成實兵交戰訓練應用層時間統一技術方案，既可充分尊重實裝平臺實際時間邏輯避免大規模加改裝，又可實現模擬器、虛擬兵力及地面系統等時間統一，滿足實兵交戰全流程訓練時間需求。

1 實兵交戰訓練

1.1 主要組成

實兵交戰訓練可充分利用實兵實裝平臺及其傳感器、武器發控裝置等設備，結合實時仿真生成的虛擬武器、虛擬目標及其他作戰要素，通過數據實時組網傳輸，模擬構建真實交戰對抗過程，并對交戰結果實時裁決告知，實現情報、指揮、打擊、保障等環節OODA 閉環，保證實戰化訓練效果。主要依托于參訓平臺、通信網絡及地面系統等實現，如圖 1 所示。參訓平臺包含實裝平臺、模擬器及虛擬兵力，主要完成訓練數據采集處理及實時仿真等［3］；通信網絡主要完成參訓平臺通信組網及訓練信息傳輸；地面系統主要實現訓練場景想定規劃、訓練全流程實時顯示、訓練評估及回放分析等功能。

圖1 實兵交戰訓練主要組成Fig. 1 Main composition of live combat training

1.2 運行邏輯

實兵交戰訓練在規劃場景中開展對抗，各參訓平臺仿真運行邏輯中關鍵環節如下：

（1） 數據采集

實時采集參訓平臺狀態數據、傳感器數據、武器發控數據等，并標記數據采集時刻，數據主要來源于參訓平臺數據總線。

（2） 組網傳輸

完成訓練信息在參訓平臺之間（攻擊方與被攻擊方）組網傳輸，支撐交戰訓練裁決解算；同時在參訓平臺與地面系統間傳輸，支撐戰場態勢、武器攻擊過程等綜合顯示。

（3） 裁決解算

依據實時采集的本平臺數據以及通信網絡傳輸的其他平臺相關數據，完成參訓平臺武器彈道仿真、武器命中解算、武器毀傷解算等攻擊全過程仿真，并實時裁決對抗結果。解算過程可由攻擊方、被攻擊方或地面系統執行，不同階段解算方可根據實際情況選取，無需全流程保持一致［4］。

（4） 綜合顯示

在地面系統中實時顯示參訓平臺位置、速度、姿態等狀態信息，顯示武器模擬攻擊過程和命中毀傷結果，以及電磁環境等綜合態勢信息。

典型流程如圖2 所示。

圖2 實兵交戰訓練典型流程Fig. 2 Typical process of live combat training

T0時刻：攻擊方發射武器，并啟動武器彈道仿真解算；

T1時刻：攻擊方穩定截獲目標，結合被攻擊方時空位置信息啟動武器命中解算；

T2時刻：武器仿真彈道截止。如命中被攻擊方，則將命中結果發送至被攻擊方，由被攻擊方進行武器毀傷解算，形成武器毀傷效果；如未命中，毀傷結果解算流程不啟動。

1.3 時間基礎

為保證實兵交戰訓練過程中事件發生順序和交互關系與實際保持一致，各參訓平臺及地面系統仿真邏輯時間均需與實際時間同步。目前，實裝參訓平臺跨代異構，在訓練過程中廣域分布，基于衛星信號可用范圍廣、所受干擾小、授時精度高、實時性好等優勢［5］，可基于衛星授時結合平臺守時開展時間同步。

授時能力方面，多數參訓平臺具備衛星授時能力，但仍存在部分老舊平臺、模擬器、虛擬兵力平臺及地面系統需結合授時設備完成衛星授時。此外衛星授時能力受信號接收情況影響，參訓平臺高機動情況下因天線遮蔽，衛星授時也可能中斷。守時能力方面，參訓平臺及地面系統多通過晶振計數中斷實現自守時，實際晶振頻率會隨時間緩慢漂移，引入時間累積誤差。因此，可基于衛星時間開展實兵交戰訓練時間統一，但仍需重點關注不具備衛星授時能力的平臺及狀況。

實兵交戰訓練過程中，實裝平臺訓練信息傳輸多采用專用數據鏈或衛星通信鏈路，傳輸時延為百毫秒至秒級［6］，該時間段內參訓平臺存在位置變化，尤其對于飛機、導彈等高速運動平臺，對武器解算裁決準確性影響較大。因此實兵交戰訓練時間統一應在確保參訓平臺時間同步的基礎上，充分考慮通信網絡傳輸時延影響，在信息處理層面完成訓練信息時間對齊。

2 時間統一技術基礎

2.1 衛星授時

衛星授時用戶可通過加裝衛星接收機接收授時信號：一種是同步秒脈沖（pulse per second，PPS）；另一種是與1PPS 脈沖前沿對應的國際標準時間和日期（時、分、秒和日、月、年），即1PPS 的時間標記［7-8］。

目前主流衛星授時技術主要包括3 類：通信衛星授時、衛星導航系統授時、國際權度局（bureau international des poids et measures，BIPM）體系高精度授時，具體授時技術與精度如表1 所示。實兵實裝平臺多采用衛星導航系統授時，精度基本達到納秒級甚至更精確［9］，遠小于實兵交戰訓練通信網絡R32E 傳輸時延。

表1 衛星授時技術與精度Table 1 Satellite timing technology and accuracy

2.2 網絡時間同步

現行網絡時間同步主要基于“時間服務器+網絡時間同步協議”的方式，時間服務器可通過衛星授時獲取標準時鐘，也可以采用完全獨立于其他時間系統的時間標準；網絡時間協議是以標準定義方式通過網絡傳輸提供時間服務，主要包括NTP（network time protocol） 與 PTP（precision timing protocol） 2 種［10］。

NTP 是由RFC 1305 定義的網絡時間同步協議，用于分布式時間服務器和客戶端之間進行時間同步，主要通過時間傳遞報文往返所標記的時戳，計算本地時鐘相對于參考源時鐘的偏移量，從而修正本地時鐘，其授時精度在局域網內可達0.1 ms。PTP 是由IEEE 1588 定義的網絡時間同步協議，其各節點設備按照一定主從關系（master-slave）進行時間同步，主時鐘周期性發布時間同步協議及時間信息，從時鐘接收主時鐘發來的時間信息，據此計算出主從線路時間差，并利用該時間差調整本地時間，與主設備時間保持一致，其授時精度在局域網可達亞微秒級［11］。

采用NTP 網絡時間同步手段即可實現實兵交戰訓練相關模擬器、虛擬兵力及地面系統標準時間同步。

3 實兵交戰訓練時間統一技術

3.1 參訓平臺時間同步

3.1.1 外同步

時間外同步是指參訓平臺周期性地接收外部時間源信息，直接以外部時間源為基準調整本地時間；外部時間源選取衛星時間，滿足實兵交戰訓練參訓平臺高機動廣域分布情況下的時間同步需求。

外同步過程分為外部時間源授時及精確時間同步兩階段。外部時間源授時階段主要依靠衛星接收機完成，可得到與標準衛星時間同步的秒脈沖信號及其時間標記［12］。鑒于實兵交戰參訓平臺機動性及武器仿真步長要求，仍需進一步完成精確時間同步。此時可將衛星授時得到的秒脈沖信號作為高精度時間基準，通過FPGA（field programmable gate array）毫秒計數邏輯判斷或者將整秒切分輸出1 kHz 脈沖信號，實現毫秒級精確時間同步，并使用衛星授時秒脈沖周期校準，以減少毫秒同步帶來的積累誤差。

3.1.2 內同步

時間內同步是指選擇某一參訓平臺、地面系統或者專用時間基準設備作為內同步時基站，時基站采用衛星時間作為時鐘源進行時間內同步。時基站可在網絡參數消息中周期發布時間基準信息，其他參訓平臺接收到系統時間基準信息后，根據本平臺位置及時基站位置信息，補償傳播時延后調整本地時鐘，實現參訓平臺時間同步。

根據參訓成員與時基站之間相對位置信息進行相對距離計算，考慮地球曲率影響，參訓成員緯經高位置信息（lati，long，heig）向直角坐標系位置（x，y，z）轉換方法如下：

式中：RN為考慮地球曲率影響下參訓成員位置在地球表面投影點與地心的距離；Re為地球長軸半徑，即Re= 6 378 137 m；e為第一偏心率，e= 0.081 819 221。

3.1.3 內外同步結合運行流程

為保證實兵交戰訓練全流程時間基準穩定可靠，避免授時設備加改裝工作及平臺高機動帶來的外同步中斷，并實現模擬器、虛擬兵力平臺時間同步，選擇內外同步結合方式增強時間基準可靠性，流程如圖3 所示。參訓平臺及地面系統完成初始化后以當前時間進入自守時。地面系統通過NTP 服務器完成衛星授時，當參訓平臺入網后，地面系統可通過網絡參數周期發布系統內同步時間基準。各參訓平臺在滿足衛星授時條件時，優先進入衛星授時外同步流程；對于不具備衛星授時能力的平臺或衛星信號遮蔽時，解析網絡參數中的時間基準信息，補償傳播時延完成內同步。參訓平臺時間同步過程中，周期進行平臺時間校核，若連續3 個周期無法完成時間同步，則提示參訓平臺故障。

圖3 實兵交戰訓練平臺時間同步Fig. 3 Process of platform time synchronization

3.2 訓練信息時間對齊

3.2.1 訓練信息時間對齊方法

以參訓平臺時間同步為基礎，數據采集、通信組網及裁決解算環節相關訓練信息均標記參訓平臺當前時間。由于參訓平臺時間同步精度遠小于網絡傳輸時延，因此訓練信息解算時間對齊僅考慮網絡傳輸時延。時間對齊基準可基于實際訓練需求選取，可選取為關鍵事件發生時刻，也可選取相關訓練信息匯集至本平臺的當前時刻，但各平臺需選取統一的時間對齊基準原則，并以相同處理方式完成。

訓練信息時間對齊基準若選取關鍵事件發生時刻，相關訓練信息需向前對齊，即需在多源信息解算處理平臺進行信息緩存，緩存時長至少為最大網絡傳輸時延，以確保關鍵事件發生時刻本平臺相關訓練信息可用。訓練信息向前對齊更適用于通信傳輸時延不大、對裁決解算實時性要求較為寬松的實兵交戰訓練場景。

訓練信息時間對齊基準若選取當前時刻，相關訓練信息需向后對齊，即需在本解算平臺對收到的其他參訓平臺相關訓練信息進行外推，完成當前時刻其他參訓平臺訓練狀態預測。目前外推算法相對成熟，如DR（dead-recording）外推算法等［13］。訓練信息向后對齊更適用于對解算裁決實時性要求較高，同時參訓平臺運動規律性強機動較少的實兵交戰訓練場景。

3.2.2 訓練信息時間對齊流程

訓練信息時間對齊流程如圖4 所示。實兵交戰訓練過程中，多源數據解算處理平臺周期采集本平臺訓練信息，并通過網絡接收其他參訓平臺訓練信息，根據系統設計指定的向前對齊或向后對齊要求，完成訓練信息時間對齊，支持實兵交戰訓練裁決解算。地面系統通過對所有參訓平臺訓練信息絕對時間與當前時刻差值和最大網絡時延進行對比，校核檢驗訓練系統時間統一情況，并完成訓練過程融合顯示。

圖4 實兵交戰訓練信息時間對齊Fig. 4 Process of information time alignment

3.3 時間一致性校驗

鑒于實兵交戰訓練為多平臺分布式解算，全系統時間一致性由各參訓平臺及地面系統分別維護，周期性開展時間一致性校驗可及時發現參訓平臺時間故障，避免實兵交戰訓練場次無效。

實兵交戰訓練時間一致性校驗可分為平臺級及信息級。平臺級時間一致性校驗主要由參訓平臺自主判斷，若參訓平臺連續3 個周期收不到外部時間源或內同步時基站的時間信息，即判定本平臺失步。信息級時間一致性校驗可由訓練全流程信息匯聚節點即地面系統周期執行，主要通過對當前時刻所有訓練信息標記的絕對時間進行比對，以最大通信時延為偏差標準，進行時間統一性判斷。對訓練信息超出偏差標準的參訓平臺重點關注，如該平臺連續3 個周期訓練信息均超出時間偏差標準，可判定該平臺失步。校驗流程如圖3，4 所示。

參訓平臺失步可停止訓練數據發送，并以顯性化方式提示時間故障；若存在多參訓平臺同時失步，可考慮提示網絡通信問題。

4 典型場景應用分析

結合某場次海空聯合訓練場景，參訓平臺主要包含戰斗機、預警機、無人機、艦船等平臺及相應模擬器等類型。其中預警機、無人機主要負責偵察情報獲取，戰斗機、艦船及相應模擬器之間形成空空、空海交戰關系，地面系統主要參與交戰訓練實時裁決與訓練過程綜合顯示。訓練信息通過專用數據鏈、衛星通信鏈及地面有線網絡完成交互傳輸，如圖 5 所示。各實裝平臺時鐘均與標準衛星時間同步，模擬器及地面系統時鐘為本地時鐘。

圖5 典型?？章摵嫌柧殘鼍癋ig. 5 Typical joint air-sea training

4.1 時間統一效果分析

以?？章摵嫌柧毜湫蛥⒂柶脚_時間情況為例，每500 ms 對典型平臺時間情況進行采用記錄，時間完成統一前如圖 6 所示，各參訓平臺之間最大時間差為1 s 426 ms；時間完成統一后如圖 7 所示，各參訓平臺之間最大時間差為2 ms，實現毫秒級時間統一。

圖 6 時間統一前典型參訓平臺時間情況Fig. 6 Time of typical platforms before time unification

圖 7 時間統一后典型參訓平臺時間情況Fig. 7 Time of typical platforms after time unification

4.2 時間統一影響分析

4.2.1 參訓平臺時間同步影響分析

以空空交戰環節為例，實裝飛機與飛機模擬器形成空空交戰態勢，模擬器B 時鐘相較于實裝飛機A 超前3.01 s，典型參訓平臺信息如表2所示。

表 2 空空交戰典型參訓平臺信息Table 2 Typical training platform information for air-toair engagement

參訓平臺時間未同步情況下，03：010 時刻，實裝飛機A 以實際時刻為基準計算雙機間距為42 610.87 m，模擬器B 以邏輯時刻為基準計算雙機間距為43 496.08 m，兩者相差884.79 m，雙機對戰場態勢感知情況差異較大。通過內外同步方式結合完成參訓平臺時間同步，飛機模擬器B 邏輯時刻與實際時刻一致，雙機對戰場態勢感知一致。參訓平臺時間同步主要影響態勢感知、目標探測、武器發射等環節，甚至直接影響訓練正常開展。

4.2.2 訓練信息時間對齊影響分析

以海空交戰環節為例，艦船發射某艦空導彈對目標飛機攻擊，由地面系統執行命中解算，艦空導彈信息網絡傳輸時延為1 s，飛機信息網絡傳輸時延為2 s，典型訓練信息如表3 所示。

表3 ?？战粦鸬湫蛥⒂柶脚_信息Table 3 Typical training platform information for air-tosea engagement

未考慮通信網絡時延情況下，以地面系統相同接收時刻計算彈目距離，即04：397 至06：397 時刻，彈目距離由598.44 m 縮小至82.22 m 又逐漸增大至456.82 m，艦空導彈未命中目標飛機。通過訓練信息向前對齊補償通信網絡傳輸時延后，則以相同發送時刻計算彈目距離，即03：397 至04：397 時刻彈目距離由458.49 m 縮小為0 m，艦空導彈命中目標飛機。訓練時間對齊將直接改變訓練信息融合處理結果，尤其是影響武器攻擊效果繼而影響戰況。

5 結束語

實兵交戰訓練時間統一技術主要從參訓平臺時間同步與訓練信息時間對齊2 個層面進行設計，通過內外同步結合方式實現高可靠參訓平臺時間同步，在此基礎上補償通信網絡傳輸時延實現訓練信息時間對齊，并結合時間一致性校驗進一步增強時間統一魯棒性。實兵交戰訓練時間統一是跨平臺信息分發、處理與應用的重要保障，更是信息化實戰化訓練形成體系對抗能力的前提。實兵交戰訓練相關系統建設過程中，應結合實際訓練需求，將時間統一技術納入系統設計要求，夯實時間統一基礎，實現實戰化訓練水平的快速提升。