CN101795167A - 高精度时延预补偿光纤授时方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度时延预补偿光纤授时方法，首先终端站从所接收的线路码流中提取秒脉冲信号输出，同时将收到的线路码流环回到中心站；中心站从环回的线路码流中恢复秒脉冲信号，并测量发送秒脉冲与恢复秒脉冲的时间间隔，减去端设备双向时延得光纤链路双向传播时延；计算从中心站到终端站的单程时延，再加上端设备单向时延值得预补偿时延；该预补偿值作为下一个秒脉冲的预补偿时延，编码后发送下一个秒脉冲到终端站。本发明具有基准统一、稳定性高，易于同时保证时间传递的长期稳定度和短期稳定度的优点。

Description

高精度时延预补偿光纤授时方法

技术领域

本发明涉及一种时间传递方法，尤其是利用单根光纤链路实现精密时间同步信号(也称秒脉冲)传递，即实现异地精确授时的方法，具体地说是一种高精度时延预补偿光纤授时方法。

背景技术

世界上各个大国都在积极发展自己高性能时间与频率系统，比较著名的主要是天基授时体系，比如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略系统以及我国正在建设的北斗系统等。我国目前向普通民众和特殊用户可以提供的授时服务包括短波授时(BPM)、长波授时(BPL)、卫星授时、因特网授时以及电视授时等服务。天基时频网络受开放信道随机波动以及端设备外置而精度有限，如普通GPS系统授时精度为10纳秒量级，GPS载波相位法时间同步精度也只能达到纳秒量级，进一步提升精度等级已十分困难。此外，天基系统的稳定性和可靠性也存在隐患。相比较而言，光纤信道具有传输质量稳定可靠、相对封闭、抗干扰、传输特性变化缓慢、可有效管辖等优点。因此，在需要更高精度的时间传递场合，利用信道更好的光纤进行更高精度的时间和频率传递成为必然选择。

美军在70年代其天基系统成熟之前，为对其战略导弹实施精确导航定位，利用军用电缆网络在短距离实施了高精度传递，授时精度在十纳秒量级。美国的喷气动力实验室(JPL)G.Lutes等人为美国国家航空和航天管理局(NASA)的深空探测网(DSN)研究基于光纤的时间频率传输系统，完成了多项发明专利，该时频网络的授时性能达到纳秒量级，频率传递准确度优于10-14，并已在美国“海盗计划”、“伽利略计划”、“卡西尼计划”、火星探测计划等重大航天工程及甚长基线干涉测量(Very long baseline interferometry，VLBI)、相干阵列天线观测中得到重要应用。

目前，我国信息产业部电信研究院和中国科学院国家授时中心为代表，利用E1的勤务比特(Sa)或一个空时隙传送时间信息，其可行性也被实验所证实。但在整个实验过程中也发现了一些问题。首先，实验中主、从节点同步后，存在大约±5μs的相位误差。如果在系统内加入高阶数字极低通滤波器，会在很大程度上滤除包括指针调整带来的各种抖动，平滑相位偏差。其次，相位调整步长若采取动态算法，依据不同大小的相位偏差及时地取最佳值，也可以在一定程度上降低同步后的相位抖动，可望将误差降至百纳秒级。

日本NTT公司的光网络系统实验室对使用SDH整体的VC-3传递时间信息进行了研究。系统经过测试单程传输时延和传输时延随时间的变化，认为基于VC-3时间传递，可以在相邻的两个节点达到亚微秒的时间传递精度。该公司在使用STM-16的MSOH传递时间频率信号的实验中，实验表明系统可以无恶化地传输铯频标，同时保证时间传递的精确度在32ns以内。

美国的NIST(National Institute of Standards and Technology)也进行过类似的实验，他们同样采用了双向传输的方法，利用SONET未使用的字节传输标准的时间和频率信息，对传输过程中时延随环境、温度和承载时间频率信号字节位置的变化情况进行了详细的研究。系统只是处于实验阶段，他们在短距离范围内(30m)获得了极好的时间同步精度(＜10ps)和频率稳定度(日稳定度10-15)，但是他们的实验链路很短，如果光纤链路加长，双向传输时延的不对称将不能忽略，如果仍然像30m链路上的实验一样不考虑时延不对称性，将无法达到如此高的时间同步精确度。

日本NTT公司使用双向的WDM传输技术实现了高精度的时间传递。系统使用零色散点在1550nm附近的色散位移光纤，通过测试环路时延来估算时间信号单程传输时延。WDM技术保证环路的往返链路使用同一根光纤，避免了往返链路的光纤在物理上不一样长。系统中认为时间信号单程传输时延完全等于环路时延的一半。当往返链路工作波长取在1550nm附近，并且波长间隔为1nm时，能够在100km范围内实现亚纳秒级的时间传递精度。然而光纤对不同波长光信号的色散系数是不同的，不同的色散系数导致不同的群速度，不同波长的光信号在往返链路上的传输时延是不可能完全相同的，当工作波长间隔加大时，时间传递的精确度将由于这个传输时延不对称性的存在而无法保证了。

目前见于文献和报导的时间传递，无论是天基授时系统，还是光纤授时，均是在终端站完成时延补偿实现秒脉冲恢复。在终端站恢复秒脉冲需要成本较高的恒温晶振保证秒脉冲的短期稳定度，同时还需要较为复杂的驯钟软硬件来保证终端站与授时中心严格同频。

发明内容

本发明的目的是针对现有的授时方法均是在终端站完成时延补偿实现秒脉冲恢复，成本高、稳定度差，系统复杂的问题，提出一种高精度时延预补偿光纤授时方法。利用光纤链路传送时间基准，实现点到多点的高精度时间同步。

本发明的技术方案是：

一种高精度时延预补偿光纤授时方法，它包括以下步骤：

(a).环回时延测量：中心站向终端站发送秒脉冲定时信号，终端站从线路码流中恢复定时信号，同时将所接收的秒脉冲信号环回至中心站，中心站从环回信号中恢复定时信号并采用内部时间间隔测量单元动态测量所恢复的定时信号与本地定时信号的时延T_m，该时延T_m减去端设备双向固定时延2τ_c，得双向传播时延T_dp，T_dp＝T_m-2τ_c；

(b).链路传播时延计算：在中心站计算光纤长度L、正向和反向传播时延差δ，从而求出中心站到终端站的单向传播时延T_p，

L表示为：L＝T_dp·C/2n，δ表示为：δ＝D_λ0(λ₁-λ₂)L，

T_p表示为：T_p＝(T_m-τ_c)[C·D_λ0(λ₁-λ₂)/4n+1/2]；

其中：τ_c表示端设备单向时延值，与光纤链路无关，C是真空光速，λ₁和λ₂分别表示正向和反向光的波长，D_λ0表示中心波长处色散系数，n表示光纤折射率；

(c).预补偿时延计算：单向传播时延T_p加上端设备单向固定时延τ_c得预补偿时延ΔT＝T_p+τ_c；

(d).时延预补偿：在中心站进行时延预补偿，即提前发送下一个定时信号，该提前量为计算所得预补偿时延ΔT，中心站将定时信号传送到终端站，终端站恢复后的定时信号与授时中心站的秒脉冲信号同步。

本发明的有益效果：

本发明利用WDM单纤双向传输技术和色散估计减小时间传递误差，通过在中心站进行测量和时延预补偿等方法降低终端站的成本，可以在较低成本下，实现高精度的时间传递。该方法具有基准统一、稳定性高，易于同时保证时间传递的长期稳定度和短期稳定度的优点。

本发明首次实现了在中心站完成时延预补偿的方法。由于中心站拥有频率和时间基准，可以实现提前发送时间基准的方式，不必在终端站采用延时到下一秒恢复秒脉冲的方式，从而在保证高精度时间传递的同时大大降低了终端站的成本和复杂度。

采用本发明的方法在实验室环境对设备样机进行了测试，基准时钟(氢钟)输出的定时信号和时钟送入样机的中心站设备，经125km光纤链路传输到终端站设备，恢复出定时信号。连续工作24小时以上，期间光纤链路温度变化20℃以上。将恢复定时信号与原定时信号进行对比测试获得时间传递误差，对测试数据进行统计得到测试结果：时间传递误差峰峰值为1.2ns，准确度即小时均值偏离优于250ps，稳定度即均方差优于120ps；稳定度高，准确性好。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的设备指标测试框图。

图3是利用短光纤跳线每秒测试结果及分钟平均值，

图4是短光纤跳线时测试的小时平均值，

图5是125km光纤时每秒测试结果及分钟平均值，

图6是125km光纤时测试的小时平均值。

图1中ΔT为动态计算所得补偿时延，协调世界时UTC时间以Tu表示；图2中光纤链路长度可变，本文给出短光纤跳线和125km两种对比情况，安捷伦53132A为时间间隔测量仪表；图3和5中黑线表示每秒实测结果，白线表示分钟平均值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

发送秒脉冲的端站称为授时中心站，简称中心站；接收秒脉冲的端站称为授时终端站，简称终端站。

安捷伦53132A：测量频率、时间间隔、相位和对时间计数的频率计数器。本发明中使用安捷伦测量仪检测时间传递的准确度和稳定度。

如图1所示，本发明的高精度时延预补偿光纤授时方法，包括以下步骤：

(a).中心站系统加电，编码后发送秒脉冲。

(b).终端站从所接收的线路码流中提取秒脉冲信号输出，同时将收到的线路码流环回到中心站。

(c).中心站从环回的线路码流中恢复秒脉冲信号，并利用设备内时间间隔测量单元(型号可为TDC-GP1)，测量发送秒脉冲与恢复秒脉冲的时间间隔，减去端设备双向时延得光纤链路双向传播时延。

(d).利用双向传播时延和光纤的色散系数计算从中心站到终端站的单程时延，再加上端设备单向时延值得预补偿时延。

对实际应用光纤的色散特性进行实际测量，以实际测量的色散系数值进行色散补偿可以实现更高的精度。

(e).计算所得预补偿值作为新的预补偿时延值，利用此新的预补偿时延作为下一个秒脉冲的预补偿时延，编码后发送下一个秒脉冲到终端站。

(f).回到步骤(b)，如此反复。

本发明的高精度时延预补偿光纤授时方法实现原理如图1所示，图中预补偿时延ΔT的测量和计算是关键，ΔT包括光纤链路单向传播时延、中心站和终端站的端设备单向时延。实际应用中，中心站和终端站在异地，但为了测量将中心站和终端站均放在本地并人为地增加光纤链路的温度变化，如图2所示。

按照上述原理和测试方案，我们对短跳线、25km、50km、100km和125km光纤链路进行了测试，并在125km时人为改变光纤温度变化20℃以上使光纤单程时延变化量在几十ns，测得授时精度优于250ps稳定度优于120ps。

图3和图4是在3米短光纤跳线条件测试情况，测试时间7.7小时，测试结果：峰峰值1.1ns，均方差119.7ps。分钟平均后的峰峰值为345ps，均方差为54.1ps。小时平均值最大偏差小于60ps。

图5和图6为125km光纤链路测试情况，测试时间24.9小时，测试结果：峰峰值1.1ns，均方差115.8ps；分钟平均后的结果峰峰值323.3ps，均方差50.6ps。小时平均值最大偏差小于220ps。

以上数据表明在光纤链路125km以内，时间传递准确度优于250ps，稳定度优于120ps。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种高精度时延预补偿光纤授时方法，其特征是它包括以下步骤：(a).环回时延测量：中心站向终端站发送秒脉冲定时信号，终端站从线路码流中恢复定时信号，同时将所接收的秒脉冲信号环回至中心站，中心站从环回信号中恢复定时信号并采用内部时间间隔测量单元动态测量所恢复的定时信号与本地定时信号的时延T_m，该时延T_m减去端设备双向固定时延2τ_c，得双向传播时延T_dp，T_dp＝T_m-2τ_c；

(b).链路传播时延计算：在中心站计算光纤长度L、正向和反向传播时延差δ，从而求出中心站到终端站的单向传播时延T_p，

L表示为：L＝T_dp·C/2n，δ表示为：δ＝D_λ0(λ₁-λ₂)L，

T_p表示为：T_p＝(T_m-τ_c)[C·D_λ0(λ₁-λ₂)/4n+1/2]；

其中：τ_c表示端设备单向时延值，与光纤链路无关，C是真空光速，λ₁和λ₂分别表示正向和反向光的波长，D_λ0表示中心波长处色散系数，n表示光纤折射率；

(c).预补偿时延计算：单向传播时延T_p加上端设备单向固定时延τ_c得预补偿时延ΔT＝T_p+τ_c；

(d).时延预补偿：在中心站进行时延预补偿，即提前发送下一个定时信号，该提前量为计算所得预补偿时延ΔT，中心站将定时信号传送到终端站，终端站恢复后的定时信号与授时中心站的秒脉冲信号同步。

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