CN109412692A - 一种分布式光纤授时系统及其sagnac效应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤授时系统及其sagnac效应补偿方法，包括以下步骤：根据收集的信息建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库；根据每个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由信息，调用光纤授时运控中心数据存储区的授时偏差数据库中的数据，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。本发明通过建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库，可对地球自转带来的sagnac效应所引入的光纤时间传递偏差进行较精确补偿，可提高光纤授时的精度。

Description

一种分布式光纤授时系统及其sagnac效应补偿方法

技术领域

本发明属于光纤时间授时同步技术领域，涉及分布式、远距离以及高精度光纤授时技术中的由于sagnac效应引入各个站点的授时偏差的修正技术领域，特别涉及一种分布式光纤授时系统及其sagnac效应补偿方法。

背景技术

随着科学技术的发展，在航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信以及深空探测等领域，都对授时精度提出了越来越高的要求。传统的授时方法如长波授时、卫星授时等，其授时精度基本只能达到纳秒量级，而光纤时间传递技术其授时精度可以优于一百皮秒。光纤时间传递技术具有授时精度高，设备价格低等优点，有着广阔的应用前景。

由于光纤都是沿着地球表面铺设的，而地球自转带来的sagnac效应使得往返于光纤内的双向光信号的传输时延产生偏差，如果不进行补偿就可能引入纳秒量级甚至更大的授时偏差，会严重影响光纤授时的精度。目前还有没有一种能够具体实施的分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式光纤授时系统及其sagnac效应补偿方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的补偿方法基于sagnac效应引入的偏差由光纤授时站点的地理位置以及站点间的光纤路由情况确定，通过建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库，各个光纤授时接收站点可以根据其与光纤授时发射站点的光纤路由情况进行自行补偿，可对地球自转带来的sagnac效应所引入的光纤时间传递偏差进行较精确补偿，可提高光纤授时的精度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，收集分布式光纤授时系统中各个光纤授时站点的地理位置信息以及各个光纤授时站点间的光纤路由信息，根据收集的信息建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库；

步骤2，将步骤1建立的授时偏差数据库导入光纤授时运控中心的数据存储区；

步骤3，光纤授时运控中心收集每个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由信息，根据每个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由信息，调用光纤授时运控中心数据存储区的授时偏差数据库中的数据，并将与当前实时光纤路由信息匹配的授时偏差数据ΔT下发给每个相应的光纤授时站点；

步骤4，各个光纤授时接收站点根据实时获得的授时偏差数据ΔT，对光纤授时接收站点的光纤时间传递接收设备内的时延控制单元的时延量进行调整，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。

进一步的，还包括步骤5；

步骤5，某个光纤授时站点的光纤路由信息发生变化时，重复步骤3和步骤4，实现光纤授时站点授时偏差的实时补偿修正。

进一步的，步骤1中，地理位置信息包括：光纤授时站点的经度、纬度和海拔高度；光纤路由信息包括：光纤链路的两个端点的经度、纬度和海拔高度；所述光纤链路的长度。

进一步的，步骤1中建立授时偏差数据库的方法具体包括：

步骤1.1，计算分布式光纤授时系统中每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx，计算公式为：

式中，L为光纤链路的铺设轨迹，R为此段光纤链路与地球中心的平均距离，Ω为地球的自转角速度，θ、为光纤链路上每个点的球坐标值，c为光在真空中的传播速度；

步骤1.2，将两个相邻光纤授时站点间的每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx进行累加，获得所述两个相邻光纤授时站点的sagnac效应引入的授时偏差ΔTn，计算公式为：

式中，ΔTxi表示两个相邻光纤授时站点间一段光纤链路的sagnac效应引入的授时偏差，j表示两个相邻光纤授时站点间的光纤链路的分段数；

步骤1.3，将ΔTn和与其相对应的所述两个相邻光纤授时站点的位置信息构成一个基本的数据单元；

步骤1.4，重复步骤1.2和步骤1.3，计算并获得分布式光纤授时系统中所有的基本的数据单元，通过全部的基本的数据单元组成光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库。

进一步的，步骤3中，当前实时的光纤路由信息是指：从光纤授时发射站点到预设光纤授时接收站点所经过的光纤授时站点的路径情况。

进一步的，步骤3中，与当前实时光纤路由情况信息匹配的授时偏差数据ΔT的计算公式为：

式中，ΔTni表示当前实时光纤路由中经过的相邻两个站点的sagnac效应引入的授时偏差，j表示当前实时光纤路由经过的光纤授时站点总数。

进一步的，步骤4具体为：

各个光纤授时接收站点根据实时获得的授时偏差数据ΔT计算出时延补偿量ΔTd，计算公式为：

ΔTd＝-ΔT；

对光纤授时接收站点的光纤时间传递接收设备内的时延控制单元的时延量进行ΔTd的调整，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。

一种分布式光纤授时系统，具有sagnac效应补偿的功能，所述sagnac效应补偿基于权利要求1至7中任一项所述的sagnac效应补偿方法，所述分布式光纤授时系统包括：光纤授时运控中心、光纤授时路由网络、光纤授时发射站点、光纤授时接收站点和数据网络；光纤授时运控中心通过数据网络分别与各个光纤授时发射站点以及各个光纤授时接收站点进行数据通信；各个光纤授时发射站点与各个光纤授时接收站点之间通过光纤授时路由网络相连通，用于实现光纤授时；所述光纤授时运控中心的数据存储区储存有授时偏差数据库。

进一步的，光纤授时系统站点间的路由方式为，能够满足每个光纤授时接收站点可以通过至少两个路由接收到光纤授时发射站点的授时信号。

进一步的，光纤授时系统站点间的路由方式为双向环形连接、星形连接、树形连接、链形连接和复合连接中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明由光纤授时运控中心事先获取地理位置信息以及各个站点间的光纤路由信息，计算sagnac效应引入的授时偏差并建立数据库，可准确快速地获得各个光纤授时接收站点实时的sagnac效应引入的授时偏差数据；尤其是在光纤路由发生变化时，光纤授时运控中心可根据各个站点的实时光纤路由使用情况，从数据库中快速准确地调用并下发匹配的数据，各个光纤授时站点应用下发的匹配数据自行补偿sagnac效应引入的授时偏差，避免了由于光纤路由切换时对sagnac效应引入授时偏差补偿的滞后。光纤授时运控中心采用数据库的方式对sagnac效应引入的授时偏差进行调用和计算，具有准确、快速地优点，且数据库后期扩充方便。地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差在ns量级，本发明可以快速有效地对其补偿，从而使光纤时间传递的精度可以优于100ps。

附图说明

图1是本发明的一种分布式光纤授时系统的整体结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，具体步骤包括：

步骤1，收集各个光纤授时站点的地理位置信息以及各个光纤授时站点间的光纤路由信息，根据上述收集的信息建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库。

步骤1中，地理位置信息包括：光纤授时站点的经度、纬度和海拔高度；光纤路由信息包括：每一段光纤链路的长度以及该段光纤链路的两个端点的经度、纬度和海拔高度。

根据收集的信息建立数据库的具体方法为：(1)计算每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx，计算公式为：

式中，L为光纤链路的铺设轨迹，R为此段光纤链路与地球中心的平均距离，Ω为地球的自转角速度，θ、为光纤链路上每个点的球坐标值，c为光在真空中的传播速度值。

(2)将任意两个相邻光纤授时站点间的每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx进行累加，即可计算任意两个相邻光纤授时站点的sagnac效应引入的授时偏差ΔTn，计算公式为：

式中，ΔTxi表示两个相邻光纤授时站点间具体某一段光纤链路的sagnac效应引入的授时偏差，j表示两个相邻光纤授时站点间的光纤链路的分段数。

(3)ΔTn和与其相对应两个相邻光纤授时站点位置信息形成一个基本的数据单元，分布式光纤授时系统中所有的基本的数据单元就组成了光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库。

步骤2，将步骤1建立的授时偏差数据库导入光纤授时运控中心的数据存储区。

步骤3，光纤授时运控中心根据各个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由情况，调用光纤授时运控中心数据存储区授时偏差数据库中的数据，将与当前实时光纤路由情况匹配的授时偏差数据ΔT下发给相应的光纤授时站点。

步骤2和步骤3中，当前实时路由是指：从光纤授时发射站点到某个光纤授时接收站点所经过的光纤授时站点的路径。

与当前实时光纤路由情况匹配的授时偏差数据ΔT的计算方法：

式中，ΔTni表示当前实时光纤路由中经过的相邻两个站点的sagnac效应引入的授时偏差，j表示当前实时光纤路由经过的光纤授时站点数。

步骤4，各个光纤授时接收站点根据实时获得的授时偏差数据ΔT，计算出时延补偿量ΔTd，计算公式为：

ΔTd＝-ΔT

并对光纤授时接收站点的光纤时间传递接收设备内的时延控制单元的时延量进行ΔTd的调整，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。

步骤5，当某个光纤授时站点的光纤路由情况发生变化时，重复步骤3和步骤4，实现实时补偿修正。

本发明的原理分析：

地球自转带来的sagnac效应引入的偏差由光纤授时站点的经纬度等位置信息决定，只要光纤授时设备放置的地点的位置信息确定，这个偏差值就是固定的，是可以进行高精度补偿的。分布式光纤授时系统为了保证系统的可靠性，站点间的光纤路由往往都会有备份，当某个光纤路由出现故障时就会切换到其他路由，此时该站点的sagnac效应引入的偏差值也就改变；补偿数据也必须适应性调整，才能继续保证授时精度。

本发明是一种由光纤授时运控中心根据当前光纤路由自动计算地球自转sagnac效应引入的授时偏差，然后下发给各个站点，最终各个站点自行补偿的分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法；在各个授时站点的光纤路由信息情况发生变化时，由光纤授时运控中心实时调整发出匹配的补偿数据，避免了由于光纤路由切换时对sagnac效应引入授时偏差补偿的滞后。光纤授时运控中心采用数据库的方式对sagnac效应引入的授时偏差进行调用和计算，具有准确、快速地优点，且数据库后期扩充方便。地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差在ns量级，本发明可以快速有效地对其补偿，从而使光纤授时的精度可以优于100ps。

请参阅图1，本发明的一种分布式光纤授时系统，具有sagnac效应补偿的功能，包括：光纤授时运控中心、光纤授时路由网络、光纤授时发射站点、光纤授时接收站点和数据网络。光纤授时运控中心通过数据网络与各个光纤授时发射站点以及各个光纤授时接收站点进行数据通信。各个光纤授时发射站点与各个光纤授时接收站点之间通过光纤授时路由网络相连，实现光纤授时功能。光纤授时系统站点间的路由为双向环形连接方式。

实施例1

请参阅图1：本实施例中，假定光纤授时系统站点间的路由为双向环形连接方式，光纤授时运控中心通过数据网络与各个授时站点建立数据连接。光纤授时系统站点间的路由方式可以是任意的，只要满足每个光纤授时接收站点可以通过至少两个路由接收到光纤授时发射站点的授时信号就可以，包括双向环形连接、星形连接、树形连接、链形连接和复合连接等。本发明的实施例的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，收集各个光纤授时站点的地理位置信息以及各个光纤授时站点间的光纤路由信息，根据上述收集的信息建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库。

步骤1中，地理位置信息包括：光纤授时站点的经度、纬度和海拔高度；光纤路由信息包括：每一段光纤链路的长度以及该段光纤链路的两个端点的经度、纬度和海拔高度。

根据收集的信息建立数据库的具体方法为：(1)计算双向环网内的每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx，计算公式为：

式中，L为光纤链路的铺设轨迹，R为此段光纤链路与地球中心的平均距离，Ω为地球的自转角速度，θ、为光纤链路上每个点的球坐标值，c为光在真空中的传播速度值。

(3)将任意两个相邻光纤授时站点间的每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx进行累加，即可计算任意两个相邻光纤授时站点的sagnac效应引入的授时偏差ΔTn，计算公式为：

式中，ΔTxi表示两个相邻光纤授时站点间具体某一段光纤链路的sagnac效应引入的授时偏差，j表示两个相邻光纤授时站点间的光纤链路的分段数。

(3)ΔTn和与其相对应两个相邻光纤授时站点位置信息形成一个基本的数据单元，分布式光纤授时系统中所有的基本的数据单元就组成了光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库。以本实施例为例，建立的数据库包含顺时针方向和逆时针两个方向的数据。

步骤2，将步骤1建立的授时偏差数据库导入光纤授时运控中心的数据存储区。

步骤3，光纤授时运控中心根据各个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由情况，调用光纤授时运控中心数据存储区授时偏差数据库中的数据，将与当前实时光纤路由情况匹配的授时偏差数据ΔT下发给相应的光纤授时站点。

步骤2和步骤3中，当前实时路由是指：从光纤授时发射站点到某个光纤授时接收站点所经过的光纤授时站点的路径。以接收站点2为例，假设此时光纤授时路由的方向为逆时针方向，接收站点2的授时信号的光纤路由为发射站点经过接收站点1后到达接收站点2。

与当前实时光纤路由情况匹配的授时偏差数据ΔT的计算方法：

式中，ΔTni表示当前实时光纤路由中经过的相邻两个站点的sagnac效应引入的授时偏差，j表示当前实时光纤路由经过的光纤授时站点数。此时接收站点2的授时偏差数据ΔT，为发射站点到接收站点1的授时偏差与接收站点1到接收站点2的授时偏差的累加值。

步骤4，各个光纤授时接收站点根据实时获得的授时偏差数据ΔT，计算出时延补偿量ΔTd，计算公式为：

ΔTd＝-ΔT

并对光纤授时接收站点的光纤时间传递接收设备内的时延控制单元的时延量进行ΔTd的调整，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。

步骤5，当某个光纤授时站点的光纤路由情况发生变化时，重复步骤3和步骤4，实现实时补偿修正。以接收站点2为例，当光纤授时路由改为顺时针方向时，其授时偏差数据ΔT为将发射站点经过接收站点n接收站点n-1直到接收站点3然后到达接收站点2的n-1个站点的授时偏差进行累加。

这样就实现了分布式光纤授时系统的sagnac效应引入的授时偏差的补偿，提高了光纤授时系统的授时精度。

Claims (10)

1.一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，收集分布式光纤授时系统中各个光纤授时站点的地理位置信息以及各个光纤授时站点间的光纤路由信息，根据收集的信息建立各个光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库；

步骤2，将步骤1建立的授时偏差数据库导入光纤授时运控中心的数据存储区；

步骤3，光纤授时运控中心收集每个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由信息，根据每个光纤授时接收站点当前实时的光纤路由信息，调用光纤授时运控中心数据存储区的授时偏差数据库中的数据，并将与当前实时光纤路由信息匹配的授时偏差数据ΔT下发给每个相应的光纤授时站点；

步骤4，各个光纤授时接收站点根据实时获得的授时偏差数据ΔT，对光纤授时接收站点的光纤时间传递接收设备内的时延控制单元的时延量进行调整，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，还包括步骤5；

步骤5，某个光纤授时站点的光纤路由信息发生变化时，重复步骤3和步骤4，实现光纤授时站点授时偏差的实时补偿修正。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，步骤1中，地理位置信息包括：光纤授时站点的经度、纬度和海拔高度；光纤路由信息包括：光纤链路的两个端点的经度、纬度和海拔高度；所述光纤链路的长度。

4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，步骤1中建立授时偏差数据库的方法具体包括：

步骤1.1，计算分布式光纤授时系统中每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx，计算公式为：

式中，L为光纤链路的铺设轨迹，R为此段光纤链路与地球中心的平均距离，Ω为地球的自转角速度，θ、为光纤链路上每个点的球坐标值，c为光在真空中的传播速度；

步骤1.2，将两个相邻光纤授时站点间的每一段光纤链路由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差ΔTx进行累加，获得所述两个相邻光纤授时站点的sagnac效应引入的授时偏差ΔTn，计算公式为：

式中，ΔTxi表示两个相邻光纤授时站点间一段光纤链路的sagnac效应引入的授时偏差，j表示两个相邻光纤授时站点间的光纤链路的分段数；

步骤1.3，将ΔTn和与其相对应的所述两个相邻光纤授时站点的位置信息构成一个基本的数据单元；

步骤1.4，重复步骤1.2和步骤1.3，计算并获得分布式光纤授时系统中所有的基本的数据单元，通过全部的基本的数据单元组成光纤授时站点之间由于地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差数据库。

5.根据权利要求1所述的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，步骤3中，当前实时的光纤路由信息是指：从光纤授时发射站点到预设光纤授时接收站点所经过的光纤授时站点的路径情况。

6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，步骤3中，与当前实时光纤路由情况信息匹配的授时偏差数据ΔT的计算公式为：

式中，ΔTni表示当前实时光纤路由中经过的相邻两个站点的sagnac效应引入的授时偏差，j表示当前实时光纤路由经过的光纤授时站点总数。

7.根据权利要求1所述的一种分布式光纤授时系统的sagnac效应补偿方法，其特征在于，步骤4具体为：

各个光纤授时接收站点根据实时获得的授时偏差数据ΔT计算出时延补偿量ΔTd，计算公式为：

ΔTd＝-ΔT；

对光纤授时接收站点的光纤时间传递接收设备内的时延控制单元的时延量进行ΔTd的调整，实现地球自转带来的sagnac效应引入的授时偏差的补偿修正。

8.一种分布式光纤授时系统，其特征在于，具有sagnac效应补偿的功能，所述sagnac效应补偿基于权利要求1至7中任一项所述的sagnac效应补偿方法，所述分布式光纤授时系统包括：光纤授时运控中心、光纤授时路由网络、光纤授时发射站点、光纤授时接收站点和数据网络；

光纤授时运控中心通过数据网络分别与各个光纤授时发射站点以及各个光纤授时接收站点进行数据通信；

各个光纤授时发射站点与各个光纤授时接收站点之间通过光纤授时路由网络相连通，用于实现光纤授时；

所述光纤授时运控中心的数据存储区储存有授时偏差数据库。

9.根据权利要求8所述的一种分布式光纤授时系统，其特征在于，光纤授时系统站点间的路由方式为，能够满足每个光纤授时接收站点可以通过至少两个路由接收到光纤授时发射站点的授时信号。

10.根据权利要求8所述的一种分布式光纤授时系统，其特征在于，光纤授时系统站点间的路由方式为双向环形连接、星形连接、树形连接、链形连接和复合连接中的一种。