專利名稱：高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)間傳遞方法，尤其是利用單根光纖鏈路實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間同步信號(hào)
(也稱秒脈沖)傳遞，即實(shí)現(xiàn)異地精確授時(shí)的方法，具體地說是一種高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖 授時(shí)方法。
背景技術(shù)：
世界上各個(gè)大國(guó)都在積極發(fā)展自己高性能時(shí)間與頻率系統(tǒng)，比較著名的主要是 天基授時(shí)體系，比如美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS，歐洲的伽利略系統(tǒng)以及我國(guó)正在 建設(shè)的北斗系統(tǒng)等。我國(guó)目前向普通民眾和特殊用戶可以提供的授時(shí)服務(wù)包括短波授時(shí) (BPM)、長(zhǎng)波授時(shí)(BPL)、衛(wèi)星授時(shí)、因特網(wǎng)授時(shí)以及電視授時(shí)等服務(wù)。天基時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)受開放 信道隨機(jī)波動(dòng)以及端設(shè)備外置而精度有限，如普通GPS系統(tǒng)授時(shí)精度為IO納秒量級(jí)，GPS 載波相位法時(shí)間同步精度也只能達(dá)到納秒量級(jí)，進(jìn)一步提升精度等級(jí)已十分困難。此外，天 基系統(tǒng)的穩(wěn)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(zhì)量穩(wěn)定可靠、相對(duì) 封閉、抗干擾、傳輸特性變化緩慢、可有效管轄等優(yōu)點(diǎn)。因此，在需要更高精度的時(shí)間傳遞場(chǎng) 合，利用信道更好的光纖進(jìn)行更高精度的時(shí)間和頻率傳遞成為必然選擇。
美軍在70年代其天基系統(tǒng)成熟之前，為對(duì)其戰(zhàn)略導(dǎo)彈實(shí)施精確導(dǎo)航定位，利用軍 用電纜網(wǎng)絡(luò)在短距離實(shí)施了高精度傳遞，授時(shí)精度在十納秒量級(jí)。美國(guó)的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室 (JPL)G. Lutes等人為美國(guó)國(guó)家航空和航天管理局(NASA)的深空探測(cè)網(wǎng)(DSN)研究基于光 纖的時(shí)間頻率傳輸系統(tǒng)，完成了多項(xiàng)發(fā)明專利，該時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)性能達(dá)到納秒量級(jí)，頻率 傳遞準(zhǔn)確度優(yōu)于10-14，并已在美國(guó)"海盜計(jì)劃"、"伽利略計(jì)劃"、"卡西尼計(jì)劃"、火星探測(cè)計(jì) 劃等重大航天工程及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(Very long baseline interferometry， VLBI)、相 干陣列天線觀測(cè)中得到重要應(yīng)用。 目前，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心為代表，利用El的 勤務(wù)比特(Sa)或一個(gè)空時(shí)隙傳送時(shí)間信息，其可行性也被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程 中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。首先，實(shí)驗(yàn)中主、從節(jié)點(diǎn)同步后，存在大約士5i!S的相位誤差。如 果在系統(tǒng)內(nèi)加入高階數(shù)字極低通濾波器，會(huì)在很大程度上濾除包括指針調(diào)整帶來的各種抖 動(dòng)，平滑相位偏差。其次，相位調(diào)整步長(zhǎng)若采取動(dòng)態(tài)算法，依據(jù)不同大小的相位偏差及時(shí)地 取最佳值，也可以在一定程度上降低同步后的相位抖動(dòng)，可望將誤差降至百納秒級(jí)。
日本NTT公司的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)使用SDH整體的VC_3傳遞時(shí)間信息進(jìn)行了 研究。系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試單程傳輸時(shí)延和傳輸時(shí)延隨時(shí)間的變化，認(rèn)為基于VC-3時(shí)間傳遞，可 以在相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)到亞微秒的時(shí)間傳遞精度。該公司在使用STM-16的MSOH傳遞時(shí)間 頻率信號(hào)的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)可以無惡化地傳輸銫頻標(biāo)，同時(shí)保證時(shí)間傳遞的精確度 在32ns以內(nèi)。 美國(guó)的NIST(National Institute of Standards and Technology)也進(jìn)行過類 似的實(shí)驗(yàn)，他們同樣采用了雙向傳輸?shù)姆椒?，利用SONET未使用的字節(jié)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間和 頻率信息，對(duì)傳輸過程中時(shí)延隨環(huán)境、溫度和承載時(shí)間頻率信號(hào)字節(jié)位置的變化情況進(jìn)行
3了詳細(xì)的研究。系統(tǒng)只是處于實(shí)驗(yàn)階段，他們?cè)诙叹嚯x范圍內(nèi)(30m)獲得了極好的時(shí)間同 步精度(< 10ps)和頻率穩(wěn)定度(日穩(wěn)定度10-15)，但是他們的實(shí)驗(yàn)鏈路很短，如果光纖鏈 路加長(zhǎng)，雙向傳輸時(shí)延的不對(duì)稱將不能忽略，如果仍然像30m鏈路上的實(shí)驗(yàn)一樣不考慮時(shí) 延不對(duì)稱性，將無法達(dá)到如此高的時(shí)間同步精確度。 日本NTT公司使用雙向的WDM傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間傳遞。系統(tǒng)使用零
色散點(diǎn)在1550nm附近的色散位移光纖，通過測(cè)試環(huán)路時(shí)延來估算時(shí)間信號(hào)單程傳輸時(shí)延。
W匿技術(shù)保證環(huán)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(zhǎng)。
系統(tǒng)中認(rèn)為時(shí)間信號(hào)單程傳輸時(shí)延完全等于環(huán)路時(shí)延的一半。當(dāng)往返鏈路工作波長(zhǎng)取在
1550nm附近，并且波長(zhǎng)間隔為lnm時(shí)，能夠在100km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞納秒級(jí)的時(shí)間傳遞精度。
然而光纖對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的色散系數(shù)是不同的，不同的色散系數(shù)導(dǎo)致不同的群速度，不
同波長(zhǎng)的光信號(hào)在往返鏈路上的傳輸時(shí)延是不可能完全相同的，當(dāng)工作波長(zhǎng)間隔加大時(shí)，
時(shí)間傳遞的精確度將由于這個(gè)傳輸時(shí)延不對(duì)稱性的存在而無法保證了。 目前見于文獻(xiàn)和報(bào)導(dǎo)的時(shí)間傳遞，無論是天基授時(shí)系統(tǒng)，還是光纖授時(shí)，均是在終
端站完成時(shí)延補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)秒脈沖恢復(fù)。在終端站恢復(fù)秒脈沖需要成本較高的恒溫晶振保證
秒脈沖的短期穩(wěn)定度，同時(shí)還需要較為復(fù)雜的馴鐘軟硬件來保證終端站與授時(shí)中心嚴(yán)格同頻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的授時(shí)方法均是在終端站完成時(shí)延補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)秒脈沖恢 復(fù)，成本高、穩(wěn)定度差，系統(tǒng)復(fù)雜的問題，提出一種高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法。利用光 纖鏈路傳送時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的高精度時(shí)間同步。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 —種高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法，它包括以下步驟 (a).環(huán)回時(shí)延測(cè)量中心站向終端站發(fā)送秒脈沖定時(shí)信號(hào)，終端站從線路碼流中 恢復(fù)定時(shí)信號(hào)，同時(shí)將所接收的秒脈沖信號(hào)環(huán)回至中心站，中心站從環(huán)回信號(hào)中恢復(fù)定時(shí) 信號(hào)并采用內(nèi)部時(shí)間間隔測(cè)量單元?jiǎng)討B(tài)測(cè)量所恢復(fù)的定時(shí)信號(hào)與本地定時(shí)信號(hào)的時(shí)延Tm， 該時(shí)延Tm減去端設(shè)備雙向固定時(shí)延2 t c，得雙向傳播時(shí)延Tdp， Tdp = Tm_2 t c ;
(b).鏈路傳播時(shí)延計(jì)算在中心站計(jì)算光纖長(zhǎng)度L、正向和反向傳播時(shí)延差S ，從 而求出中心站到終端站的單向傳播時(shí)延Tp， L表示為L(zhǎng) = 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(shè)備單向時(shí)延值，與光纖鏈路無關(guān)，C是真空光速，、和、分別 表示正向和反向光的波長(zhǎng)，DA。表示中心波長(zhǎng)處色散系數(shù)，n表示光纖折射率；
(c).預(yù)補(bǔ)償時(shí)延計(jì)算單向傳播時(shí)延Tp加上端設(shè)備單向固定時(shí)延、得預(yù)補(bǔ)償時(shí) 延A T = Tp+ 、； (d).時(shí)延預(yù)補(bǔ)償在中心站進(jìn)行時(shí)延預(yù)補(bǔ)償，即提前發(fā)送下一個(gè)定時(shí)信號(hào)，該提 前量為計(jì)算所得預(yù)補(bǔ)償時(shí)延AT，中心站將定時(shí)信號(hào)傳送到終端站，終端站恢復(fù)后的定時(shí)信 號(hào)與授時(shí)中心站的秒脈沖信號(hào)同步。
本發(fā)明的有益效果
4
本發(fā)明利用WDM單纖雙向傳輸技術(shù)和色散估計(jì)減小時(shí)間傳遞誤差，通過在中心站進(jìn)行測(cè)量和時(shí)延預(yù)補(bǔ)償?shù)确椒ń档徒K端站的成本，可以在較低成本下，實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間傳遞。該方法具有基準(zhǔn)統(tǒng)一、穩(wěn)定性高，易于同時(shí)保證時(shí)間傳遞的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了在中心站完成時(shí)延預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒?。由于中心站擁有頻率和時(shí)間
基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)提前發(fā)送時(shí)間基準(zhǔn)的方式，不必在終端站采用延時(shí)到下一秒恢復(fù)秒脈沖的
方式，從而在保證高精度時(shí)間傳遞的同時(shí)大大降低了終端站的成本和復(fù)雜度。 采用本發(fā)明的方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，基準(zhǔn)時(shí)鐘(氫鐘)輸出
的定時(shí)信號(hào)和時(shí)鐘送入樣機(jī)的中心站設(shè)備，經(jīng)125km光纖鏈路傳輸?shù)浇K端站設(shè)備，恢復(fù)出
定時(shí)信號(hào)。連續(xù)工作24小時(shí)以上，期間光纖鏈路溫度變化2(TC以上。將恢復(fù)定時(shí)信號(hào)與原
定時(shí)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試獲得時(shí)間傳遞誤差，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到測(cè)試結(jié)果時(shí)間傳遞
誤差峰峰值為1. 2ns，準(zhǔn)確度即小時(shí)均值偏離優(yōu)于250ps，穩(wěn)定度即均方差優(yōu)于120ps ;穩(wěn)定
度高，準(zhǔn)確性好。


圖1是本發(fā)明的原理圖。
圖2是本發(fā)明的設(shè)備指標(biāo)測(cè)試框圖。 圖3是利用短光纖跳線每秒測(cè)試結(jié)果及分鐘平均值， 圖4是短光纖跳線時(shí)測(cè)試的小時(shí)平均值， 圖5是125km光纖時(shí)每秒測(cè)試結(jié)果及分鐘平均值， 圖6是125km光纖時(shí)測(cè)試的小時(shí)平均值。 圖1中AT為動(dòng)態(tài)計(jì)算所得補(bǔ)償時(shí)延，協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC時(shí)間以Tu表示；圖2中光纖鏈路長(zhǎng)度可變，本文給出短光纖跳線和125km兩種對(duì)比情況，安捷倫53132A為時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x表；圖3和5中黑線表示每秒實(shí)測(cè)結(jié)果，白線表示分鐘平均值。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 發(fā)送秒脈沖的端站稱為授時(shí)中心站，簡(jiǎn)稱中心站；接收秒脈沖的端站稱為授時(shí)終端站，簡(jiǎn)稱終端站。 安捷倫53132A :測(cè)量頻率、時(shí)間間隔、相位和對(duì)時(shí)間計(jì)數(shù)的頻率計(jì)數(shù)器。本發(fā)明中使用安捷倫測(cè)量?jī)x檢測(cè)時(shí)間傳遞的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。 如圖1所示，本發(fā)明的高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法，包括以下步驟
(a).中心站系統(tǒng)加電，編碼后發(fā)送秒脈沖。 (b).終端站從所接收的線路碼流中提取秒脈沖信號(hào)輸出，同時(shí)將收到的線路碼流環(huán)回到中心站。 (c).中心站從環(huán)回的線路碼流中恢復(fù)秒脈沖信號(hào)，并利用設(shè)備內(nèi)時(shí)間間隔測(cè)量單元(型號(hào)可為TDC-GP1)，測(cè)量發(fā)送秒脈沖與恢復(fù)秒脈沖的時(shí)間間隔，減去端設(shè)備雙向時(shí)延得光纖鏈路雙向傳播時(shí)延。
(d).利用雙向傳播時(shí)延和光纖的色散系數(shù)計(jì)算從中心站到終端站的單程時(shí)延，再加上端設(shè)備單向時(shí)延值得預(yù)補(bǔ)償時(shí)延。 對(duì)實(shí)際應(yīng)用光纖的色散特性進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，以實(shí)際測(cè)量的色散系數(shù)值進(jìn)行色散補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)更高的精度。
(e).計(jì)算所得預(yù)補(bǔ)償值作為新的預(yù)補(bǔ)償時(shí)延值，利用此新的預(yù)補(bǔ)償時(shí)延作為下一
個(gè)秒脈沖的預(yù)補(bǔ)償時(shí)延，編碼后發(fā)送下一個(gè)秒脈沖到終端站。
(f).回到步驟(b)，如此反復(fù)。 本發(fā)明的高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，圖中預(yù)補(bǔ)償時(shí)延AT的測(cè)量和計(jì)算是關(guān)鍵，AT包括光纖鏈路單向傳播時(shí)延、中心站和終端站的端設(shè)備單向時(shí)延。實(shí)際應(yīng)用中，中心站和終端站在異地，但為了測(cè)量將中心站和終端站均放在本地并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(cè)試方案，我們對(duì)短跳線、25km、50km、 100km和125km光纖鏈路進(jìn)行了測(cè)試，并在125km時(shí)人為改變光纖溫度變化20°C以上使光纖單程時(shí)延變化量在幾十ns，測(cè)得授時(shí)精度優(yōu)于250ps穩(wěn)定度優(yōu)于120ps。 圖3和圖4是在3米短光纖跳線條件測(cè)試情況，測(cè)試時(shí)間7. 7小時(shí)，測(cè)試結(jié)果峰峰值1. lns，均方差119. 7ps。分鐘平均后的峰峰值為345ps，均方差為54. lps。小時(shí)平均值最大偏差小于60ps。 圖5和圖6為125km光纖鏈路測(cè)試情況，測(cè)試時(shí)間24. 9小時(shí)，測(cè)試結(jié)果峰峰值1. lns，均方差115. 8ps ;分鐘平均后的結(jié)果峰峰值323. 3ps，均方差50. 6ps。小時(shí)平均值最大偏差小于220ps。 以上數(shù)據(jù)表明在光纖鏈路125km以內(nèi)，時(shí)間傳遞準(zhǔn)確度優(yōu)于250ps，穩(wěn)定度優(yōu)于120ps。 本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法，其特征是它包括以下步驟(a).環(huán)回時(shí)延測(cè)量中心站向終端站發(fā)送秒脈沖定時(shí)信號(hào)，終端站從線路碼流中恢復(fù)定時(shí)信號(hào)，同時(shí)將所接收的秒脈沖信號(hào)環(huán)回至中心站，中心站從環(huán)回信號(hào)中恢復(fù)定時(shí)信號(hào)并采用內(nèi)部時(shí)間間隔測(cè)量單元?jiǎng)討B(tài)測(cè)量所恢復(fù)的定時(shí)信號(hào)與本地定時(shí)信號(hào)的時(shí)延Tm，該時(shí)延Tm減去端設(shè)備雙向固定時(shí)延2τc，得雙向傳播時(shí)延Tdp，Tdp＝Tm-2τc；(b).鏈路傳播時(shí)延計(jì)算在中心站計(jì)算光纖長(zhǎng)度L、正向和反向傳播時(shí)延差δ，從而求出中心站到終端站的單向傳播時(shí)延Tp，L表示為L(zhǎng)＝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(shè)備單向時(shí)延值，與光纖鏈路無關(guān)，C是真空光速，λ1和λ2分別表示正向和反向光的波長(zhǎng)，Dλ0表示中心波長(zhǎng)處色散系數(shù)，n表示光纖折射率；(c).預(yù)補(bǔ)償時(shí)延計(jì)算單向傳播時(shí)延Tp加上端設(shè)備單向固定時(shí)延τc得預(yù)補(bǔ)償時(shí)延ΔT＝Tp+τc；(d).時(shí)延預(yù)補(bǔ)償在中心站進(jìn)行時(shí)延預(yù)補(bǔ)償，即提前發(fā)送下一個(gè)定時(shí)信號(hào)，該提前量為計(jì)算所得預(yù)補(bǔ)償時(shí)延ΔT，中心站將定時(shí)信號(hào)傳送到終端站，終端站恢復(fù)后的定時(shí)信號(hào)與授時(shí)中心站的秒脈沖信號(hào)同步。
全文摘要
一種高精度時(shí)延預(yù)補(bǔ)償光纖授時(shí)方法，首先終端站從所接收的線路碼流中提取秒脈沖信號(hào)輸出，同時(shí)將收到的線路碼流環(huán)回到中心站；中心站從環(huán)回的線路碼流中恢復(fù)秒脈沖信號(hào)，并測(cè)量發(fā)送秒脈沖與恢復(fù)秒脈沖的時(shí)間間隔，減去端設(shè)備雙向時(shí)延得光纖鏈路雙向傳播時(shí)延；計(jì)算從中心站到終端站的單程時(shí)延，再加上端設(shè)備單向時(shí)延值得預(yù)補(bǔ)償時(shí)延；該預(yù)補(bǔ)償值作為下一個(gè)秒脈沖的預(yù)補(bǔ)償時(shí)延，編碼后發(fā)送下一個(gè)秒脈沖到終端站。本發(fā)明具有基準(zhǔn)統(tǒng)一、穩(wěn)定性高，易于同時(shí)保證時(shí)間傳遞的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04B10/12GK101795167SQ201010101609
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者丁曉玉, 盧麟, 吳傳信, 朱勇, 王榮, 陳亦望 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)