CN103916204B - 一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法。与现有时间同步技术相比较，本发明利用单纤传递的方式通过双向比对实现超精密时间频率的传递，且提出的云同步方法，可以构建单纤传递超精密时间频率基准的四级云同步网络来支撑地基授时，形成基于地面光纤网络的高精度地基授时系统，从而构成与天基授时系统互为备用、相互支撑的高精度授时系统，在任何地点、任何时间为我国国防军事网络提供超精密授时服务，为民用通信网络和各种专用通信网络提供极其精准的再生UTC原子时超精密时间频率基准。

Description

一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法

技术领域

本发明涉及超精密时间频率同步系统和光纤通信技术领域，尤其涉及一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法。

背景技术

卫星导航定位和授时系统是最关键的国家基础设施之一。目前世界上几个大国都在积极发展自己的高精度时间和频率统一系统，例如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO、中国的北斗卫星导航系统，但是，这些都是基于卫星导航系统的天基授时系统。由于天基授时系统存在着容易受外界干扰、受天气影响大、只能覆盖露天场所等缺陷，近年来我国非常重视研究基于地面光纤网络的地基授时系统。地基授时系统可以构成与天基授时系统互为备用、相互支撑的高精度授时系统，为我国的军用和民用系统提供授时、导航和定位服务。2003年中国科学院国家授时中心在国内率先提出了利用光纤传递高精度时间的设想并开展了相关的研究工作。2006年国网电力科学研究院与华东电网公司联合开展了《利用SDH光通信网络传递高精度标准时间项目》的研究工作，重点研究SDH光通信网络传递高精度时间的关键技术。目前国内对于光纤时间传递的研究主要利用SDH传送网进行传输，它的精度一般只能达到百纳秒（ns）级。SDH光传输设备在传递时间频率基准上存在较多的缺陷：例如目前现网中应用的光通信传输终端机设备本身时延值较大，且Ta发≠Tb发、Ta收≠Tb收；由于SDH光传输设备内没有对时间同步精度提出具体要求，使每台设备的传输实际时延值误差变化较大且无监测校正补偿手段，同时还存在光纤链路不对称误差。由于SDH光传输设备的网元时钟单元只按照G.813规范要求设计，其再现性没有要求，故其误差达几十微秒～100微秒，用来传递超精密时间频率基准是不可能的。当使用架空光缆实现区间长距离通信时，假设以200km架空光缆来估算光纤时延的年波动和老化漂移，光纤时延的温度变化系数为40ps／km.℃，从严冬-15℃～盛夏+45℃，计算结果是：40ps／km.℃×200km×60℃＝480.000ns。如果再考虑到光纤的老化，按3ps／km.℃计算得到光纤的老化漂移为36.000ns，这种极其缓慢变化的漂移累积会对高精度时间频率同步带来严重的负面影响并造成恶性循环。

由于光纤的时延漂移累积随着设备级联次数n的增加而不断累积，光纤的时延漂移累积与设备级联次数n的平方根成正比，级联次数有限导致传输距离受限。现有的光同步数字传输网SDH授时网络中各个授时点的时间精度不相同，随着时间同步网定时链路级联次数的增加，链路上各个授时点的时间精度越来越差，不能进行长距离光纤高精度时间传递。目前国内外利用光纤网络来传递高精度时间频率基准的技术手段离实用化还有一定的差距，一些关键的技术问题尚未解决，尤其是现有技术不能消除光纤传输时延随着时间、温度、光纤老化等极其缓慢的变化而产生极其缓慢的时延漂移和漂移累积给时间频率同步带来不良影响。随着传递距离的增加，漂移将不断累积，这将限制基准定时链路上设备的级联次数，从而使定时传递距离受到限制。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决基准定时链路上设备的级联次数受限导致定时传递距离受限的问题，消除因光纤老化和温度变化引起的漂移随着传递距离增加而不断累积，进而提出了一种适用于光纤网络高精度授时系统的云同步方法，针对现有时间同步技术的缺陷，利用单纤传递的方式通过双向比对实现超精密时间频率的传递。采用本发明提出的云同步方法，可以构建单纤传递超精密时间频率基准的四级云同步网络来支撑地基授时，形成基于地面光纤网络的高精度地基授时系统，从而构成与天基授时系统互为备用、相互支撑的高精度授时系统，在任何地点、任何时间为我国国防军事网络提供超精密授时服务，为民用通信网络和各种专用通信网络提供极其精准的再生UTC原子时超精密时间频率基准。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，方法如下：

（1）在线监测云同步网中光中继器的双向比对时间频率基准的传递时延，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定和均衡补偿网络进行修正；

根据有关资料介绍，光纤的漂移系数Kf为40ps～50ps／km.℃，激光器的温度漂移系数Kl为3ps／km.℃。在高精度时间同步和长距离传递时间基准时这些漂移都是必须要考虑的因素。1250km光纤的漂移累积为50ns～62.5ns／℃，老化为3.75ns／℃（深埋1.5米的地下光缆的温度变化很小，浅埋的次之，架空光缆温度日波动最大。若架空光缆100km，日波动±20℃，则漂移波动±80ns。月波动、年波动则更大）。100km有数个激光器由于老化因素时延漂移随时间的平方变化。两端的光传输设备（包括电接口复用设备）的时延和老化漂移累积变化值都需要剥离分割开来。光纤的极其缓慢的时延漂移和漂移累积，通过采用光纤时延在线监测技术、光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，可以标准化、标称化地逐段将光纤时延变化牢牢地控制在≤1ns～5ns的范围内；

光缆传输光中继距离如果是75km～100km或更长，沿着“0级”无缝骨干网络直达路由，逐级将光缆中的光纤时延变化进行在线监测，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定均衡补偿网络逐级进行补偿和修正，可以将光纤的极其缓慢的变化和影响精准地控制在≤1ns的范围之内；

主站→从站的时间同步就是主从两个栅格节点的再生UTC原子时1PPS上升沿时刻对齐，计量它的偏差值即为时间间隔偏差（TID—Time Interval Deviation）。当实现主站的1PPS减去从站的1PPS≤1ns时，就达到了超精密的时间同步。云同步方法就是利用单纤波分复用和光纤在线监测等多项专利技术，将主站→从站的光缆内的每根光纤的实际时延值精准地测出，其精度可达≤0.1ns，然后根据实际使用的这根光纤的长度选定标称值和与此对应的Txk码及虚拟距离，用二元比对（频率相位比对和时间相位比对）的环路来完成。由于采用硬件电路实现的时延恒定，既可以完全避免软件运行时间不确定的问题，又可以成功剥离和分割光纤时延漂移变化对时间同步的负面影响，提高了云同步网络栅格节点的性能；

利用光纤实现双向比对检测和返回校验监测技术，完成对光纤传输时延的精准测量，以主站1PPS上升沿为Txk码帧头起始点可实现光纤时延的精准的周期性自动在线监测，剥离和分割光纤时延变化帯来的时间漂移累积的负面影响，光纤时延变化自动锁定恒定和均衡补偿修正。采用三点归一算法，二元锁相技术检测验证从站云同步1PPS的精确度（时间间隔度量尺度≤1ns）；

沿着干线网直达路由的光中继段逐级在线监测光纤时延并加装可程控零衰耗光纤时延补偿网络。每段标准化、标称化恒定锁相补偿后，最后延伸到1250公里→4000公里的Txk码总长度的直达路由，通过双向比对测量将逐级传递的恒定锁相均衡补偿后的漂移累积以及最后一级光中继段光纤的时延漂移同时恒定锁相均衡补偿，并建立与国家授时中心1PPS相对偏差≤1ns的超精密时间频率基准。如果光中继距离是500公里，也按上述方法分段补偿，只是Txk码是400bit／s（时间间隔是2.5毫秒）。“一级”、“二级”、“三级”网络也按此方法处理，只是光缆距离是25公里、50公里、100公里、200公里、500公里。对应的Txk码和标称化恒定时延值如下表所示，

Txk码与标准时间间隔、光纤长度的时延对应关系

2kHz

1kHz

0.5kHz

0.25kHz

200Hz

160Hz

100Hz

20Hz

0.5ms

1ms

2ms

4ms

20ms

12.5ms

10ms

50ms

100km

200km

400km

800km

1000km

1250km

2000km

10000km

由于时间同步传输总时延是由光纤的时延、设备的处理时延、输入输出接口时延组成，因此需要采用标准化自适应扩展输出接口，控制各类时间接口的误差≤1ns，在云同步网络中称为时间零ns偏差输入输出传递连接技术。电接口和光接口时延均衡将主站→从站50～1000km、1000～5000km范围内各自分段进行补偿，就能够确保主从站之间的双向传输通道的传输时延值几乎相等；

（2）在具有铯原子钟的时间频率输出接口端嵌入双向比对单元，实现“零距离”松耦合锁相同步，并进行返回校验；

采用零距离“松耦合”鉴频鉴相过零检测锁相技术，使双向比对单元输出的Txk码的时间和频率基准与铯原子钟的完全一致，误差≤0.5ns。各类时间基准输出接口都是自适应零时延的标称化、标准化的输出接口线（指五类线缆接口线），确保输出的1PPS的精度；

采用“0级”返回校验的方法：最高级别的返回校验是使主站能通过双向数据链路一清二楚地知道它所同步的从站时钟的主要功能和性能以及同步效果，并且知晓传输通道的稳定性和不确定度。主站（高等级别时钟）能准确无误地知道被它同步的所有从站的从时钟同步状态和单纤传递时间频率的相对不稳定性或不确定度，能精准无误地判断每个从站的再生UTC原子时的时间报文有无误码、错秒（跳秒或丢秒）。因此，返回校验可以验证分布在全国地基授时系统“0级”和“一级”栅格节点的原子钟的控制系统的超限情况和长期全天候自动溯源的效果；

配合光纤传输网络将Txk码透明地传递到各个从站栅格节点，选用SC切割的恒温压控晶振作零距离“松耦合”锁相振荡器以及具有低相位噪声输出分配系统；

双向比对单元与陕西天文台时间频率基准零距离同步就可以得到：

与全国授时中心相对频率偏差≤±5E-16～±1E-15；

与全国授时中心相对相位偏差≤±1ns／天；

与全国授时中心时间间隔偏差≤1ns；

如果陕西国家授时中心能自动溯源获得更高等级（2亿年以上不差1秒的基准）的同步，则全国统一的时间频率基准也会相应提高；

（3）采用低噪声输出系统，确保时钟短期内10～10000s的抖动噪声和时间的间隔抖动优于0.5ns；

低相位噪声输出系统是实现高稳定高可靠的超精密频率同步的要素之一，是实现精确比相测量和隔离数字电路噪声干扰，减小负载效应的影响的重要措施，也是数模整合确保时钟的低相位噪声输出长期性能稳定的重要方法。要求低相位噪声输出系统的反向隔离衰耗≤125dB，具体技术指标如下表：

射频同步（10MHz）频率输出接口技术指标

（4）采用至少六进六出的网络构建可用度达99.99996﹪的超精密时间频率基准；

采用铯原子钟再生UTC超精密时间频率云同步技术，利用我国的四通八达的光纤通信网络（包括单纤传输波分复用设备），由至少六进六出主备参考（各三条直达路由）构成可用度达99.99996﹪的无缝网络，来保障我国的铯原子钟再生UTC超精密时间频率基准统一同步跟踪1500万年差1秒的更高级别原子钟的特高精度时间频率基准；

六进六出是指栅格节点有六路（主用主站和备用主站各三条路由）高一级（≥10倍）时间频率基准参考信号进入该栅格节点。该栅格节点成功自动溯源并稳定锁相跟踪高等级的铯原子钟后，再生出UTC原子时时间频率基准参考信号，传递输出给自己所属区域内的从站栅格节点；

一般情况下，从站栅格节点只与它相对应的主站（包括备用主站）实现双向比对和返回校验，使主站能够清楚地知道它所同步的下属所有从站栅格节点的同步状态、传输通道的稳定情况和不确定性。即每个主站只管理所属的下级从站，这种严格的等级关系也是是避免自环错锁的方法；

逐级自动溯源六进六出的云同步网是获得优异的守时性能的根本保障。由一个普通恒温SC切割的低相位噪声的晶体钟（VCXO）正常运行时就可以具有与铯原子时钟一样的功能和性能；

（5）通过地面光纤网络“一级”栅格节点参与空中北斗近百台原子钟大比对、大校验，实现地面和空中的铯原子钟统一跟踪全国授时中心的高精度原子钟，使所有原子时钟的钟差≤1ns；

省、市、自治区中心（包括备用中心）配置有铯原子钟的“一级”从站栅格节点，通过参与“空中北斗”之间的近百台铯原子钟的大比对，将空中北斗导航卫星的每台铯原子钟的钟差精准地校正到≤1ns。只有这样相互验证，并利用相互之间宽度为150km～300km长度为1000km～5000km的带状云同步网络，实现云同步式的相互比对校验检测。但它们一般只进行验证判别而不修正，只按主从关系同步锁相，就能实现地面和空中的铯原子钟统一跟踪1500万年差1秒的全国授时中心（包括几个备用中心和空中北斗的地面控制中心），使所有原子时钟的钟差≤1ns。

（6）其云同步方法就是利用时间、频率和时延（也是空间或光纤长度）三者的辩证关系，将原子时钟和各等级高稳定低相位噪声输出的恒温晶体时钟捆绑在一起，按照高增益鉴频鉴相“过零”检测锁相技术要求，逐级自动溯源使最低等级的时钟都能够达到：

与铯原子时钟的相对频率偏差（FD）≤±1E-14／天～±5E-14／天；

与铯原子时钟的相对相位偏差（PD）≤±1ns／天～±5ns／天；

与铯原子时钟的相对时间间隔偏差（TID）≤1ns，

然后形成以铯原子时钟为中心的再生UTC原子时超精密时间频率云同步网。

各种等级的原子时钟也必须从更高等级的原子时钟溯源减少漂移累积，方能维持超精密的时间频率基准。超精密时间频率基准是指比现有的光数字同步传输网（SDH）的时间频率基准高100倍的时间频率基准。受控双恒温槽晶体振荡器（VCXO）可同步跟踪的主时钟是30万年差1秒的工业级铯原子钟时。利用云同步方法也可以使时间频率同步精度达到：

与主时钟相对频率偏差≤±5E-14／天～±1E-15／天；

与主时钟相对相位偏差≤±5ns／天～±1ns／天；

与主时钟相对时间间隔偏差≤1ns；

云同步方法具有以下功能和特点：

（1）四级无缝网络。严格按照四个等级（高等级原子时钟→普通工业级铯原子时钟→铷原子时钟→DCXO→VCXO1→VCXO2）逐级自动溯源于全国授时中心（包括若干个备用中心）。采用云同步方法来完成无缝的高精度频率同步，使1500年不差1秒的超高稳定的时间频率基准损伤较小地传递到它所同步的每个栅格节点。

（2）云同步方法在实际工程设计中，对主站→从站的真实的光缆距离长度、虚拟光纤时延值设定、相对频率偏差、相对时间间隔偏离进行严格的、合理的参数选择，根据光纤长度选择和控制Txk码。组网原则采用单纤传递的专用网络和六进六出的网格构架。

（3）建立在从站的低等级时钟必须具有鉴频鉴相“过零”检测性能，在稳态跟踪技术的基础上获得的超精密频率同步技术，即具有理想二阶环的一切性能和功能的锁相技术，才能保障传递时间频率源的精确度和稳定度。

（4）为了保障精准测量，主从时钟的输出系统是低相位噪声输出系统（特别是射频同步低相位噪声输出系统）。

（5）剥离光纤长度随温度波动、老化引入的时延变化值（包括考虑光终端设备、电终端设备的不一致性和老化引入的时延变化值）对时间频率同步的负面影响。

（6）时间频率融合的智能化OAM系统。该系统可以实现从站高精度频率同步精度的自动检测，剥离2000km直埋光缆传输路由的传输时延漂移、老化引入的漂移累积，保障主站→从站的虚拟光纤时延值为某一个恒定值。通过双向比对和按级别主站→从站返回主站校验，检测云同步区域的直属下级从站的频率、时间、虚拟时延值是否劣化，并验证传输通道的不确定性（有无故障或不稳定现象），同时还具有直属下级从站设备的边际性能告警上报功能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）可以为全国任何地点的光同步、量子通信、混沌通信和未来光网络提供比现有同步网络至少高100倍的时间频率基准。

（2）自动溯源。高精度地基授时系统的任何栅格节点均可获得再生UTC原子时时间频率基准，通过在线周期性自动监测、自适应锁定和均衡补偿修正，可以使全国成千上万个地基授时系统栅格节点均可等同于铯原子钟（跟踪锁相同步于1500万年差1秒）.

（3）云同步网络可以使分布在我国高精度地基授时系统中的栅格节点的铯原子钟的钟差（与国家授时原子钟组比对）至少达到：

相对频率偏差≤±5E-15／天

相对相位偏差≤±1ns／天

相对时间间隔偏差≤1ns

（4）通过方园150km～300km范围内建立以铯原子时钟为中心的环型树型网络状的再生UTC原子时超精密云同步网络。通过宽度为150km～300km长度为600km～2000km～5000km的带状云同步网络建立全国四级无缝高精度地基授时系统。

（5）可以构成与天基授时系统（例如GPS/GLONASS/GALILEO/北斗卫星导航系统）互为备用、相互支撑的地基授时系统。

（6）云同步网络将地基授时系统的成千上万个栅格节点构成了一个无缝的、成本低廉的、抗干扰能力强（如强电磁脉冲扫荡）、抗毁性高的、自愈功能强的超精密地基授时系统。

附图说明

图1是本发明所述的西安→太原→石家庄→北京宽度150km～300km长度1250km～2000km带状云同步网络示意图；

图2是本发明所述的主站220K秒频率稳定度测试结果图；

图3是本发明所述的从站220K秒频率稳定度测试结果I图；

图4是本发明所述的从站220K秒频率稳定度测试结果Ⅱ图；

图5是本发明所述的2000km传输六进六出高精度地基授时系统的带状云同步网络示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

采用云同步方法实现西安→太原→石家庒→北京的基于光纤网络的带状云同步网，如图1。图1中：Master001是指全国授时中心（西安陕西天文台）的栅格节点；Master002是全国授时中心北京中心栅格节点。它们两者之间的距离是1200公里左右。两中心之间都是按如图1方式的单纤承载网络，是宽度150km～300km长度1200km的带状的全国“0级”西安→北京的骨干云同步网络。

光缆传输光中继距离75公里～100公里或更长（200公里）的距离，沿着“0级”无缝云同步骨干网络的直达路由，逐级将光缆中的光纤时延变化进行在线监测，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定和均衡补偿网络进行修正，将光纤的极其缓慢的漂移变化和影响精准地控制在≤1ns的范围之内。

假设陕西天文台拥有1500万年差1秒的优质高等级铯原子钟，北京拥有三台铯原子钟和两台氢原子钟的Master002中心站。陕西天文台采用多种措施与UTC比对实现≤20ns／年的水平，向全国各地发播和通过光纤传递1PPS时间基准和TOD时间报文。下面仅以陕西天文台→北京1200公里为例。西安、太原、石家庄和北京的再生UTC原子时超精密时间频率云同步网联接起来，这个带状云同步网有三个通道的专用单纤路由将每100km（虚拟时延值为500μs）逐级选用适宜的单纤光中继（ORn）标准化、标称化恒定为500μs时延值。采用本实施例的方法，地基授时系统的其它区域也采用此方法建立区域云同步网和区域间的带状云同步网。例如：西安→延安→呼和浩特→张家口→北京和西安→郑州→新乡→荷泽→北京的两条带状云同步网络路由也可以建成。由这些区域云同步网和带状云同步网络即可组成全国无缝四级高精度地基授时系统骨干网络。

在陕西天文台的时间频率输出接口端嵌入双向比对单元实现“零距离”松耦合锁相同步，再以西安市区内XX（具有铯原子时钟）栅格节点，或陕西天文台（临潼）的两台普通铯原子时钟组成近距离向上同步于1500年不差1秒的最高等级时间频率基准，向下与周围近距离的铷原子时钟栅格节点→DCXO栅格节点→VCXO1栅格节点传递，形成以西安方园150km～300km范围的以铯原子时钟为中心的再生UTC原子时超精密时间频率云同步网。实验室仿真测量结果如下如图2、图3、图4所示：

与铯原子时钟相对频率偏差优于（FD）：≤±5E-14；

与铯原子时钟相对相位偏差优于（PD）：≤±8ns；

与铯原子时钟相对时间间隔偏差优于（TID）：≤±8ns；

采用零距离“松耦合”鉴频鉴相过零检测锁相技术，使双向比对单元输出的Txk码的时间和频率基准与陕西天文台的完全同步，误差≤0.5ns。各类时间基准输出接口都是自适应零时延的标称化的输出接口线（指五类线缆接口线），确保输出的1PPS的精度。“0级”返回校验功能：最高级别的返回校验是使主站能通过双向数据链路一清二楚地知道它所同步的从站时钟的主要功能和性能以及同步效果，还了解到传输通道的稳定性和不确定度。采用光纤传输网络将Txk码透明传递到各个从站栅格节点，选用SC切割的恒温压控晶振作零距离“松耦合”锁相振荡器并且具有低相位噪声输出分配系统。Txk码双向比对数据验证使统一和控制相对时间精度≤1ns。利用“李沙育比对原理”和双向比对数据链路，使国家授时中心可以十分清楚地知道“0级”同步网各从站时钟返回校验的相对频率偏差和相对不稳定性或不确定性，确保高精度地基授时系统稳定可靠地运行。

除了陕西天文台（或西安）→北京带状云同步网络直达路由外，还有两条带状云同步网络备用直达路由:

（1）西安→郑州→新乡→菏泽（京九铁路）→北京；

（2）西安→延安→呼和浩特→张家口→北京；

当主路由出现意外中断的情况后，可选用（1）或（2）两条备用路由来实现，还可从另一个（国家战略备用中心）的三条直达路由来实现“六进”。这是提高可用度、确保网络稳定可靠的有效措施。2000km传输六进六出高精度地基授时系统的带状云同步网络示意图，如图5所示，采用铯原子钟特高精度时间频率基准云同步的逐级（每站75km～500km）级联传递和2000km的直达路由双向比对和返回校验相结合，以及自动锁定和均衡补偿来控制2000km的光纤时延值的漂移。光纤的漂移：40ps／km.1.0℃×2000km×20℃＝1600000ps＝1600ns；激光器的漂移：3ps／km.1.0℃×2000km×20℃＝120000ps＝120ns。

上述漂移并不包括光传输终端设备的时延变化值、老化值和漂移累积。由于我们选用的Txk码是To.1k码，即100PS（10ms）—100Hz—标准化频率（虚拟2000km＝10ms光纤时延距离），通过频率、时间间隔、时延值恒定为10ms的三点归一算法，就能实现高精度单纤时延在线监测，检测出光纤的漂移。根据光纤时延变化值的漂移累积值大小、正斜率或负斜率，在光路中采用零衰耗程控自动锁定或均衡锁定，将2000km的光纤时延值10.000000ms锁定在≤1ns内变化。这样就成功地剥离和分割了极其缓慢变化的光纤时延对超精密时间频率同步的负面影响，建立起与陕西天文台时间基准相对偏差≤1ns的再生UTC原子时时间基准，使高等级铯原子钟再生UTC超精密的时间频率以最小的损伤传递到云同步网络的各个栅格节点。

宽150km～300km长1250km～2000km的带状云同步网络的三条直达路由（一条主用两条备用）的实际光缆长度并不一样（每个光中继段长短也不同），但虚拟光纤时延标准值可以设计成统一为某一恒定值。例如＞1600km和＜2000km的光纤长度的光缆都可将虚拟光纤时延值设计恒定为10.000000ms，是真实值2000km＋41.808272km，这41.808272km可以平均分配给每个光中继段。

每个从站时钟只返回它所跟踪锁相的主时钟进行双向比对校验并接收主站校验结果信息，并将接收（单向接收空中北斗）的信息进行比对测量，测量数据传递给北斗导航系统监控中心分析处理，数百台铯（氢）原子钟比对校验结果能准确使空中导航卫星上的铯原子钟组的钟差≤1ns。

严格的“0级”和“一级”主→从、从→主，返回双向比对校验秩序，即“0级”的云同步网络骨干网只与“0级”的栅格节点专网专线双向比对校验。“一级”的云同步网络骨干网只与该区域内的省市自治区中心（包括备用中心）实现返回双向比对校验。

以上对本发明所提供的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于：方法如下，

(1)在线监测云同步网中光中继器的双向比对时间频率基准的传递时延，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定和均衡补偿网络进行修正；步骤(1)中，采用光纤时延在线监测技术、光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，可以标准化、标称化地逐段将光纤时延变化牢牢地控制在≤1ns～5ns的范围内，达到在线监测传递时延的目的；再利用光纤实现双向比对检测和返回校验监测技术，完成对光纤传输时延的精准测量，以主站1PPS上升沿为Txk码帧头起始点可实现光纤时延的精准的周期性自动在线监测，剥离和分割光纤时延变化帯来的时间漂移累积的负面影响，光纤时延变化自动锁定恒定和均衡补偿修正，采用三点归一算法，二元锁相技术检测验证从站云同步1PPS的精确度，时间间隔度量尺度≤1ns；主站→从站的时间同步就是主从两个栅格节点的再生UTC原子时1PPS上升沿时刻对齐，计量它的偏差值即为时间间隔偏差，当实现主站的1PPS减去从站的1PPS≤1ns时，就达到了超精密的时间同步；步骤(1)中，由于时间同步传输总时延是由光纤的时延、设备的处理时延、输入输出接口时延组成，因此需要采用标准化自适应扩展输出接口，控制各类时间接口的误差≤1ns，在云同步网络中称为时间零ns偏差输入输出传递连接技术，电接口和光接口时延均衡将主站→从站50～1000km、1000～5000km范围内各自分段进行补偿，就能够确保主从站之间的双向传输通道的传输时延值几乎相等；

(2)在具有铯原子钟的时间频率输出接口端嵌入双向比对单元，实现“零距离”松耦合锁相同步，并进行返回校验；步骤(2)所述“零距离”松耦合锁相同步，采用“零距离”松耦合鉴频鉴相过零检测锁相技术，使双向比对单元输出的Txk码的时间和频率基准与铯原子钟的完全一致，误差≤0.5ns，各类时间基准输出接口都是自适应零时延的标称化、标准化的输出接口线，确保输出的1PPS的精度；

(3)采用低噪声输出系统，确保时钟短期内10～10000s的抖动噪声和时间的间隔抖动优于0.5ns；

(4)采用至少六进六出的网络构建可用度达99.99996﹪的超精密时间频率基准；

(5)通过地面光纤网络“一级”栅格节点参与空中北斗近百台原子钟大比对、大校验，实现地面和空中的铯原子钟统一跟踪全国授时中心的高精度原子钟，使所有原子时钟的钟差≤1ns

(6)其云同步方法就是利用时间、频率和时延三者的辩证关系，将原子时钟和各等级高稳定低相位噪声输出的恒温晶体时钟捆绑在一起，按照高增益鉴频鉴相“过零”检测锁相技术要求，逐级自动溯源使最低等级的时钟都能够达到：

与铯原子时钟的相对频率偏差(FD)≤±1E-14/天～±5E-14/天；

与铯原子时钟的相对相位偏差(PD)≤±1ns/天～±5ns/天；

与铯原子时钟的相对时间间隔偏差(TID)≤1ns；

然后形成以铯原子时钟为中心的再生UTC原子时超精密时间频率云同步网。

2.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于：沿着干线网直达路由的光中继段逐级在线监测光纤时延并加装可程控零衰耗光纤时延补偿网络，每段标准化、标称化恒定锁相补偿后，最后延伸到1250公里→4000公里的Txk码总长度的直达路由，通过双向比对测量将逐级传递的恒定锁相均衡补偿后的漂移累积，以及最后一级光中继段光纤的时延漂移同时恒定锁相均衡补偿，并建立与国家授时中心1PPS相对偏差≤1ns的超精密时间频率基准；若光中继距离是500公里，也按上述方法分段补偿，只是Txk码为400bit/s，时间间隔为2.5毫秒。

3.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于：光缆传输光中继距离如果是75km～100km或更长，沿着“0级”无缝骨干网络直达路由，逐级将光缆中的光纤时延变化进行在线监测，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定均衡补偿网络逐级进行补偿和修正，可以将光纤的极其缓慢的变化和影响精准地控制在≤1ns的范围之内。

4.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于：步骤(2)所述返回校验，采用“0级”返回校验的方法，最高级别的返回校验是使主站能通过双向数据链路一清二楚地知道它所同步的从站时钟的主要功能和性能以及同步效果，并且知晓传输通道的稳定性和不确定度，主站的高等级别时钟能准确无误地知道被它同步的所有从站的从时钟同步状态和单纤传递时间频率的相对不稳定性或不确定度，能精准无误地判断每个从站的再生UTC原子时的时间报文有无误码、错秒、跳秒或丢秒。