高精度時延預補償光纖授時方法
2023-05-31 20:11:41 1
專利名稱：高精度時延預補償光纖授時方法
技術領域：
本發明涉及一種時間傳遞方法，尤其是利用單根光纖鏈路實現精密時間同步信號
(也稱秒脈衝)傳遞，即實現異地精確授時的方法，具體地說是一種高精度時延預補償光纖 授時方法。
背景技術：
世界上各個大國都在積極發展自己高性能時間與頻率系統，比較著名的主要是 天基授時體系，比如美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS，歐洲的伽利略系統以及我國正在 建設的北鬥系統等。我國目前向普通民眾和特殊用戶可以提供的授時服務包括短波授時 (BPM)、長波授時(BPL)、衛星授時、網際網路授時以及電視授時等服務。天基時頻網絡受開放 信道隨機波動以及端設備外置而精度有限，如普通GPS系統授時精度為IO納秒量級，GPS 載波相位法時間同步精度也只能達到納秒量級，進一步提升精度等級已十分困難。此外，天 基系統的穩定性和可靠性也存在隱患。相比較而言，光纖信道具有傳輸質量穩定可靠、相對 封閉、抗幹擾、傳輸特性變化緩慢、可有效管轄等優點。因此，在需要更高精度的時間傳遞場 合，利用信道更好的光纖進行更高精度的時間和頻率傳遞成為必然選擇。
美軍在70年代其天基系統成熟之前，為對其戰略飛彈實施精確導航定位，利用軍 用電纜網絡在短距離實施了高精度傳遞，授時精度在十納秒量級。美國的噴氣動力實驗室 (JPL)G. Lutes等人為美國國家航空和航天管理局(NASA)的深空探測網(DSN)研究基於光 纖的時間頻率傳輸系統，完成了多項發明專利，該時頻網絡的授時性能達到納秒量級，頻率 傳遞準確度優於10-14，並已在美國"海盜計劃"、"伽利略計劃"、"卡西尼計劃"、火星探測計 劃等重大航天工程及甚長基線幹涉測量(Very long baseline interferometry， VLBI)、相 幹陣列天線觀測中得到重要應用。 目前，我國信息產業部電信研究院和中國科學院國家授時中心為代表，利用El的 勤務比特(Sa)或一個空時隙傳送時間信息，其可行性也被實驗所證實。但在整個實驗過程 中也發現了一些問題。首先，實驗中主、從節點同步後，存在大約士5i!S的相位誤差。如 果在系統內加入高階數字極低通濾波器，會在很大程度上濾除包括指針調整帶來的各種抖 動，平滑相位偏差。其次，相位調整步長若採取動態算法，依據不同大小的相位偏差及時地 取最佳值，也可以在一定程度上降低同步後的相位抖動，可望將誤差降至百納秒級。
日本NTT公司的光網絡系統實驗室對使用SDH整體的VC_3傳遞時間信息進行了 研究。系統經過測試單程傳輸時延和傳輸時延隨時間的變化，認為基於VC-3時間傳遞，可 以在相鄰的兩個節點達到亞微秒的時間傳遞精度。該公司在使用STM-16的MSOH傳遞時間 頻率信號的實驗中，實驗表明系統可以無惡化地傳輸銫頻標，同時保證時間傳遞的精確度 在32ns以內。 美國的NIST(National Institute of Standards and Technology)也進行過類 似的實驗，他們同樣採用了雙向傳輸的方法，利用SONET未使用的字節傳輸標準的時間和 頻率信息，對傳輸過程中時延隨環境、溫度和承載時間頻率信號字節位置的變化情況進行
3了詳細的研究。系統只是處於實驗階段，他們在短距離範圍內(30m)獲得了極好的時間同 步精度(< 10ps)和頻率穩定度(日穩定度10-15)，但是他們的實驗鏈路很短，如果光纖鏈 路加長，雙向傳輸時延的不對稱將不能忽略，如果仍然像30m鏈路上的實驗一樣不考慮時 延不對稱性，將無法達到如此高的時間同步精確度。 日本NTT公司使用雙向的WDM傳輸技術實現了高精度的時間傳遞。系統使用零
色散點在1550nm附近的色散位移光纖，通過測試環路時延來估算時間信號單程傳輸時延。
W匿技術保證環路的往返鏈路使用同一根光纖，避免了往返鏈路的光纖在物理上不一樣長。
系統中認為時間信號單程傳輸時延完全等於環路時延的一半。當往返鏈路工作波長取在
1550nm附近，並且波長間隔為lnm時，能夠在100km範圍內實現亞納秒級的時間傳遞精度。
然而光纖對不同波長光信號的色散係數是不同的，不同的色散係數導致不同的群速度，不
同波長的光信號在往返鏈路上的傳輸時延是不可能完全相同的，當工作波長間隔加大時，
時間傳遞的精確度將由於這個傳輸時延不對稱性的存在而無法保證了。 目前見於文獻和報導的時間傳遞，無論是天基授時系統，還是光纖授時，均是在終
端站完成時延補償實現秒脈衝恢復。在終端站恢復秒脈衝需要成本較高的恆溫晶振保證
秒脈衝的短期穩定度，同時還需要較為複雜的馴鍾軟硬體來保證終端站與授時中心嚴格同頻。
發明內容
本發明的目的是針對現有的授時方法均是在終端站完成時延補償實現秒脈衝恢 復，成本高、穩定度差，系統複雜的問題，提出一種高精度時延預補償光纖授時方法。利用光 纖鏈路傳送時間基準，實現點到多點的高精度時間同步。
本發明的技術方案是 —種高精度時延預補償光纖授時方法，它包括以下步驟 (a).環回時延測量中心站向終端站發送秒脈衝定時信號，終端站從線路碼流中 恢復定時信號，同時將所接收的秒脈衝信號環回至中心站，中心站從環回信號中恢復定時 信號並採用內部時間間隔測量單元動態測量所恢復的定時信號與本地定時信號的時延Tm， 該時延Tm減去端設備雙向固定時延2 t c，得雙向傳播時延Tdp， Tdp = Tm_2 t c ;
(b).鏈路傳播時延計算在中心站計算光纖長度L、正向和反向傳播時延差S ，從 而求出中心站到終端站的單向傳播時延Tp， L表示為L = Tdp C/2n， S表示為S = DA0 ( A 「 A 2) L，
Tp表示為Tp二 (Tm_、) [C DA。(A「A2)/4n+l/2]; 其中、表示端設備單向時延值，與光纖鏈路無關，C是真空光速，、和、分別 表示正向和反向光的波長，DA。表示中心波長處色散係數，n表示光纖折射率；
(c).預補償時延計算單向傳播時延Tp加上端設備單向固定時延、得預補償時 延A T = Tp+ 、； (d).時延預補償在中心站進行時延預補償，即提前發送下一個定時信號，該提 前量為計算所得預補償時延AT，中心站將定時信號傳送到終端站，終端站恢復後的定時信 號與授時中心站的秒脈衝信號同步。
本發明的有益效果
4
本發明利用WDM單纖雙向傳輸技術和色散估計減小時間傳遞誤差，通過在中心站進行測量和時延預補償等方法降低終端站的成本，可以在較低成本下，實現高精度的時間傳遞。該方法具有基準統一、穩定性高，易於同時保證時間傳遞的長期穩定度和短期穩定度的優點。 本發明首次實現了在中心站完成時延預補償的方法。由於中心站擁有頻率和時間
基準，可以實現提前發送時間基準的方式，不必在終端站採用延時到下一秒恢復秒脈衝的
方式，從而在保證高精度時間傳遞的同時大大降低了終端站的成本和複雜度。 採用本發明的方法在實驗室環境對設備樣機進行了測試，基準時鐘(氫鍾)輸出
的定時信號和時鐘送入樣機的中心站設備，經125km光纖鏈路傳輸到終端站設備，恢復出
定時信號。連續工作24小時以上，期間光纖鏈路溫度變化2(TC以上。將恢復定時信號與原
定時信號進行對比測試獲得時間傳遞誤差，對測試數據進行統計得到測試結果時間傳遞
誤差峰峰值為1. 2ns，準確度即小時均值偏離優於250ps，穩定度即均方差優於120ps ;穩定
度高，準確性好。
圖1是本發明的原理圖。
圖2是本發明的設備指標測試框圖。 圖3是利用短光纖跳線每秒測試結果及分鐘平均值， 圖4是短光纖跳線時測試的小時平均值， 圖5是125km光纖時每秒測試結果及分鐘平均值， 圖6是125km光纖時測試的小時平均值。 圖1中AT為動態計算所得補償時延，協調世界時UTC時間以Tu表示；圖2中光纖鏈路長度可變，本文給出短光纖跳線和125km兩種對比情況，安捷倫53132A為時間間隔測量儀表；圖3和5中黑線表示每秒實測結果，白線表示分鐘平均值。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。 發送秒脈衝的端站稱為授時中心站，簡稱中心站；接收秒脈衝的端站稱為授時終端站，簡稱終端站。 安捷倫53132A :測量頻率、時間間隔、相位和對時間計數的頻率計數器。本發明中使用安捷倫測量儀檢測時間傳遞的準確度和穩定度。 如圖1所示，本發明的高精度時延預補償光纖授時方法，包括以下步驟
(a).中心站系統加電，編碼後發送秒脈衝。 (b).終端站從所接收的線路碼流中提取秒脈衝信號輸出，同時將收到的線路碼流環回到中心站。 (c).中心站從環回的線路碼流中恢復秒脈衝信號，並利用設備內時間間隔測量單元(型號可為TDC-GP1)，測量發送秒脈衝與恢復秒脈衝的時間間隔，減去端設備雙向時延得光纖鏈路雙向傳播時延。
(d).利用雙向傳播時延和光纖的色散係數計算從中心站到終端站的單程時延，再加上端設備單向時延值得預補償時延。 對實際應用光纖的色散特性進行實際測量，以實際測量的色散係數值進行色散補償可以實現更高的精度。
(e).計算所得預補償值作為新的預補償時延值，利用此新的預補償時延作為下一
個秒脈衝的預補償時延，編碼後發送下一個秒脈衝到終端站。
(f).回到步驟(b)，如此反覆。 本發明的高精度時延預補償光纖授時方法實現原理如圖1所示，圖中預補償時延AT的測量和計算是關鍵，AT包括光纖鏈路單向傳播時延、中心站和終端站的端設備單向時延。實際應用中，中心站和終端站在異地，但為了測量將中心站和終端站均放在本地並人為地增加光纖鏈路的溫度變化，如圖2所示。 按照上述原理和測試方案，我們對短跳線、25km、50km、 100km和125km光纖鏈路進行了測試，並在125km時人為改變光纖溫度變化20°C以上使光纖單程時延變化量在幾十ns，測得授時精度優於250ps穩定度優於120ps。 圖3和圖4是在3米短光纖跳線條件測試情況，測試時間7. 7小時，測試結果峰峰值1. lns，均方差119. 7ps。分鐘平均後的峰峰值為345ps，均方差為54. lps。小時平均值最大偏差小於60ps。 圖5和圖6為125km光纖鏈路測試情況，測試時間24. 9小時，測試結果峰峰值1. lns，均方差115. 8ps ;分鐘平均後的結果峰峰值323. 3ps，均方差50. 6ps。小時平均值最大偏差小於220ps。 以上數據表明在光纖鏈路125km以內，時間傳遞準確度優於250ps，穩定度優於120ps。 本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
一種高精度時延預補償光纖授時方法，其特徵是它包括以下步驟(a).環回時延測量中心站向終端站發送秒脈衝定時信號，終端站從線路碼流中恢復定時信號，同時將所接收的秒脈衝信號環回至中心站，中心站從環回信號中恢復定時信號並採用內部時間間隔測量單元動態測量所恢復的定時信號與本地定時信號的時延Tm，該時延Tm減去端設備雙向固定時延2τc，得雙向傳播時延Tdp，Tdp＝Tm-2τc；(b).鏈路傳播時延計算在中心站計算光纖長度L、正向和反向傳播時延差δ，從而求出中心站到終端站的單向傳播時延Tp，L表示為L＝Tdp·C/2n，δ表示為δ＝Dλ0(λ1-λ2)L，Tp表示為Tp＝(Tm-τc)[C·Dλ0(λ1-λ2)/4n+1/2]；其中τc表示端設備單向時延值，與光纖鏈路無關，C是真空光速，λ1和λ2分別表示正向和反向光的波長，Dλ0表示中心波長處色散係數，n表示光纖折射率；(c).預補償時延計算單向傳播時延Tp加上端設備單向固定時延τc得預補償時延ΔT＝Tp+τc；(d).時延預補償在中心站進行時延預補償，即提前發送下一個定時信號，該提前量為計算所得預補償時延ΔT，中心站將定時信號傳送到終端站，終端站恢復後的定時信號與授時中心站的秒脈衝信號同步。
全文摘要
一種高精度時延預補償光纖授時方法，首先終端站從所接收的線路碼流中提取秒脈衝信號輸出，同時將收到的線路碼流環回到中心站；中心站從環回的線路碼流中恢復秒脈衝信號，並測量發送秒脈衝與恢復秒脈衝的時間間隔，減去端設備雙向時延得光纖鏈路雙向傳播時延；計算從中心站到終端站的單程時延，再加上端設備單向時延值得預補償時延；該預補償值作為下一個秒脈衝的預補償時延，編碼後發送下一個秒脈衝到終端站。本發明具有基準統一、穩定性高，易於同時保證時間傳遞的長期穩定度和短期穩定度的優點。
文檔編號H04B10/12GK101795167SQ201010101609
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月27日 優先權日2010年1月27日
發明者丁曉玉, 盧麟, 吳傳信, 朱勇, 王榮, 陳亦望 申請人:中國人民解放軍理工大學