CN110247722B - 一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法 - Google Patents

一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法，包括三种工作模式：1)MRT主站环回模式，2)SRTM模式和3)多元多频共视或差分共视“共同门限”比对比相模式。本发明的时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法可以应用于移动舰船/战车/其它移动物(包括单兵个体人/物)的自动精密“对时”实现精密时刻时间同步，使所有移动站/台的时间频率基准保持高度一致。

Description

一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法
技术领域
本发明属于时间同步技术领域，涉及一种授时测量方法，尤其是一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法。
背景技术
精密的统一时间频率基准参考信号的传递过程中，无论是光纤传递还是天空无线通信传递的损伤的原因都是传递过程中产生的各种随机干扰噪声引入的，因此在测时中，如果利用从站本身具有的比较稳定的时基老化性能(特别是主从同步纠偏后的有提升时基老化率效果同步后的性能)来对光纤传递过程中产生的寄生随机噪声引入的时延变化，(请注意，这些寄生随机噪声一般都是无用有害的)最好的方法是分割剥离滤除这些传递过程中的寄生随机噪声，在光纤支撑网网络中已经实现这项技术，利用24路/12路多元协同多频共视“共同门限”比对比相专利也可实现主站发播台与从站(先通过光纤支撑网网络平台“自动精密对时”) 建立与主站的时间同步高度一致后精准“测时”的性能。
1PPS+TOD的传递，是从站再生UTC原子时统一时间频率基准是一个重要环节，远距离传递1PPS+TOD并带少量数据信息业务的方法，传递损伤问题是关系时间间隔起始时刻误差即所谓“钟差”大小的关键。还有时间报文的准确无误码的传递技术要求；
我国建设相对独立的光纤统一时间频率基准支撑网网络基础设施建设的重大战略意义：
①安全可靠：依靠四通八达的光纤传输网络，并充分利用光纤的O 波段，建设相对独立的光纤统一时间频率基准支撑网网络平台，不再与信息通信业务争夺“黄金波段”作为统一时间频率基准参考信号传递， (以1550nm为中心的C波段)从此实现全光波资源的充分利用。相对独立、互不干扰，安全可靠和保密的特殊共性应用光纤支撑网网络平台融合于全国3000万公里的光纤光缆网网络之中，充分利用了光纤资源又充分利用全光波段，有益于降低运营成本。
②创新的高精度统一时间频率同步技术的要求是实现天、地、海一体化蜂窝星型带状多元协同多频共视/差分共视“共同门限”比对比相，所以24/12路多元多频共视“共同门限”专用集成“芯片”在完成“测时”时，大量测量数据的分析、识别、多数判决手段都是由专用“芯片”的特殊功能来实现。
③创新的“守时”概念，有线与无线的无缝透明接力变换(倒换) 的紧密结合的同步效果，依靠光纤支撑网网络平台对所有移动物体(舰船/卫星/战车等等)实现自动精密“对时”，当对时完成后转换为无线电波通道无缝透明接力“守时”。
④来自天基/地基/无线传输的也可用24/12路作统一时间频率基准参考信号的多元多频共视“共同门限”的比对比相器可实现和确保光纤支撑网网络平台是打不烂、炸不垮，无缝、透明、健壮接力传递並有很强自愈功能的系统。
⑤确保天、地、海一体化，PNT服务一体化，统一时间频率“云同步”供给再生UTC原子时时间频率基准输出系统。
⑥防欺骗防干扰滤除不需要无用的信息跟踪同步纯真有用的基准参考信号，是光纤传递和无线电波传递必须解决的核心问题。
当前时间频率基准建立的情况：
授时中心(NTSC)保持UTC(NTSC)负责BPL、BPC发播系统远行管理；
卫星导航中心(BSNC)保持UTC(BSNC)负责为BDT提供时间基准及北斗授时监测、GNSS时差监测等；
NIM保持UTC(NIM)负责建立国家秒基准；
无线电计量测试研究所(BIRM)保持UTC(BIRM)，承担各类时频参数计量检测，也需多元协同多频共视比对即需要多元多频共视比对比相器；
如果再考虑在我国其它地方再建立一个国家级时间基准，那么它们之间的互相比对光纤链路如何建设，如何互相无损伤的传递去比对比相，蜂窝星型带状多元协同多频差分共视(本地eHPRTC)共同门限比对比相都需要的。
全国光纤支撑网网络只有分等级的主从锁相同步，相邻(前、后、左、右或东、南、西、北)的同等级时钟的同等级比对比相，共4路的比对是需要的，其测量数据是加权校准的辅助参考资料，是辅助判别验证手段，但不能跟踪互同步，因为互同步将引入扰动漂移随机噪声。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高精度多元多频共视比相测量和授时方法。
一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法，包括以下三种工作模式(测量模式)：
1)MRT主站环回模式：以主站的1PPS建立的统一时间频率基准参考信号从主站OTx0→第一光纤EO OE＝Rx0直接选通第一光纤EO环回到主站单纤双向测量第一光纤的传输时延值，设定激光发收是匹配传递时：第一光纤的真实长度的时延此时此刻的实测值TL1的1/2，在从站Rxo 点落地定标建立此时此刻瞬间的1PPS原点；
2)SRTM模式：由从站时钟再生UTC原子时的统一时间频率基准参考信号返回主站，即利用主站的时钟源配置比从站时钟高一个等级以上的优势，主站时钟源能主动发现被同步的各个从站时钟的运行状态测量，具体包括以下：
①从站再生UTC原子时的1PPS起始时刻缓慢漂移累积时延变化的精准测量；
②测量相对频率偏差；
③分割、剥离、滤除光路由中时间频率基准在光纤传递过程中的各种寄生随机变化噪声的负面影响，验证两端的测试误差并可利用芯片的平滑移动均衡补偿功能使从站与主站对时到“PS”级，实现二次多频共视比对比相，确保从站再生UTC原子时时刻是纯真的时间基准的测量数据准确无误；
④测定返回1PPS+TOD时间报文的误码率；
3)多元多频共视或差分共视“共同门限”比对比相模式：
选用O波段等时光波对实现MRT和SRTM单纤双向用24路共视比对比相测量时延随机变化噪声分割剥离滤波无用的寄生随机噪声后并平滑移动补偿可实现在噪声淹没下，精准落地定标1PPS时刻。
进一步，以上工作模式3)中，采用蜂窝星型带状多元协同多频差分共视“共同门限”比对比相O波传逐级无缝接力透明的传递方法，具体包括以下步骤：
步骤一：10kHZ～1kHZ的高频FM(t)＝FS(t)数字式电流型鉴频鉴相比对频率同步；
步骤二：MRT主站环回精准测量出Tx→1270nm光波Rxo→1350nm单纤双向直接环回主站Rx光路由的此时此刻的真实时延值бTR(t)，在从站建立初始再生UTC原子时刻1PPS；
步骤三：双向自动精准“测时延”：分割剥离滤波光纤传递过程中无用的寄生随机变化噪声：△бDL(t)+△бDD(t)时延误差值并完成 10秒40000次的精准测量；
步骤四：双重比相：M→S和SRTM在分割剥离滤除无用的寄生随机变化噪声并平滑移动补偿后的共视“ps级”比对比相，这是主站纯真基准与从站纯真基准的相互比对比相；
步骤五：精密平滑微调；
步骤六：SRTM松耦合锁相方法：采用倒向松耦合精准测时技术与MRT 双重超精密测量光纤支撑网网络的光纤时延随机变化方法。
本发明的时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法可以应用于移动舰船/战车/其它移动物(包括单兵个体人/物)的自动精密“对时”实现精密时刻时间同步，使所有移动站/台的时间频率基准保持高度一致。
附图说明
图1为利用光纤支撑网网络建立自动精密“对时”在无缝倒换为无线“守时”示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
多通路24/12路星型带状多元协同多频差分共视共同门限比对比相“芯片”研制开发的目的：
建立一个统一的“ps级”时间频率基准光纤支撑网网络平台精准比相测量是时间频率基准精确测量的一种最重要最主要的手段；本发明芯片的一个特殊功能是解决这个技术难题的关键第一项技术：它是精准的测量出传递过程中产生的多项随机变化的寄生噪声的测量方法，本发明专利就是设计了一种高速(与1PPS比较)100PPS～10000PPS 24路/12路比对比相器，主站(例如eHPRTC)优于1E-16/天稳定度和准确度的时间频率基准(它的时基老化率3亿年不差1秒,8.64ps/天)当它的某个方向的蜂窝星型带状传递设备的零距离松耦合(或叫凈化单元)时钟使到光调制的电口端Txo时间频率基准(例如1PPS+TOD的1PPS秒脉冲上升沿)和FM(t)的同步分频的周期(即选择相应的时间间隔)的光路由的三种共视“共同门限”比对比相工作模式完成精密测出时延值的随机变化，一共有三种精密测量模式：
第一种工作模式：
MRT主站环回模式：以主站的1PPS建立的统一时间频率基准参考信号从O(主站)Tx0→EO(光纤1)OE＝Rx0直接选通EO(光纤1)，
环回到主站单纤双向测量光纤1的传输时延值，设定激光发收是匹配传递时：光纤1的真实长度的时延此时此刻的实测值(TL1)的1/2，在从站Rxo点落地定标建立此时此刻瞬间的1PPS原点，此原点的精准度取决于：
①时间间隔度量尺度的度量精度(例如100ps时间间隔度量尺度理想情况下可获得±200ps的时间同步精度)；
②主站时间频率基准参考信号的稳定度和准确度；设定eHPRTC 优于：1E-16/天；
③光纤支撑网网络平台各中继段传递过程中，分割、剥离、滤除光纤传递过程中寄生随机噪声的程度；
④PS级二次共视“共同门限”比对比相的实现方法。
第二种工作模式：
SRTM模式：用专用“芯片”完成由从站时钟再生UTC原子时的统一时间频率基准参考信号返回主站的“测时”方法(Slaver－Round Trip －Master)：
充分利用主站的时钟源配置比从站时钟高一个等级以上(即稳定度和准确度都高10倍)的优势，主站时钟源能自动的主动发现被它同步的各个从站时钟的运行状态测量：
①从站再生UTC原子时的1PPS起始时刻缓慢漂移累积时延变化的精准测量；
②测量相对频率偏差；
③分割、剥离、滤除光路由中时间频率基准在光纤传递过程中的各种寄生随机变化噪声的负面影响，验证两端的测试误差并可利用平滑移动均衡补偿功能使从站与主站对时到“PS”级，实现二次多频共视比对比相，确保从站再生UTC原子时时刻是纯真的时间基准的测量数据准确无误。
其中平滑移动均衡补偿功能可以用硬件电路裝置来实现也可由软件控制处理方法来实现，所谓平滑移动均衝补偿，是时间同步技术中时刻相位误差的比相固定值(恒定相位差值)不充许用调整控制时钟锁相方法来实现而必须平行移动(相位超前或滯后)的相位补偿的方法完成故简称“平滑均衝补偿”。PBO相位匹配均衝补偿则是三波共视共同门限、比相或多波(多元/多路)共视共同门限比对比相的特有相位误差的补偿方法。两者的共同点都是固定相位误差补偿，PBO相位匹配均衡补偿则是先测量随机变化漂移累积误差再由共同门限关闭计数测量的相位匹配均衝补偿同步的方法。
④测定返回1PPS+TOD时间报文的误码率。
第三种工作模式，或者说在前两项工作模式完成后再来实现的工作模式，即多元多频共视(或差分共视)“共同门限”比对比相模式，或叫无缝接力透明传递模式：
理想状态下选用O波段等时光波对(例如1270nm与1350nm)实现 MRT和SRTM单纤双向用20路专用“芯片”共视比对比相测量时延随机变化噪声分割剥离滤波无用的寄生随机噪声后并平滑移动补偿可实现在噪声淹没下，精准落地定标1PPS时刻。
三种模式的综合集成应用：是确保“PS级”的测时精度的测时“锁时”和“守时”的方法：
依靠三种模式综合应用完成了：
①硬件光路由固有的时延恒定的实现；
②依靠多元多频共视比对性能将传输光通道传递过程中的各种寄生随机变化噪声引入的时延误差全部去除；
③这种同步技术确保光纤支撑网网络平台内的同等级节点保持高度一致的时间基准。
进一步，本发明的锁相同步是“守时”监测控制手段之一，松耦合锁相则要按Martin失锁门限准来定义、压缩、滤除寄生噪声，并在光中继电口上长期维持控制修正补偿，使各种误差变化牢牢控制在某个限定值范围内，使时间时刻的缓慢漂移累积≤±5ns→≤±1ns→≤±500ps →≤±200ps→≤±50ps演进“守时”方能实现。
授时：地基光纤授时，是传递损伤(也可称传输损伤)而无线电波称为发播授时有多径效应和反射及各种电磁脉冲干扰。
从站接收来至主站时钟源的时间频率基准参考信号愈纯真愈好，从站时钟返回主站的统一时间频率基准参考信号也愈真实愈好。
本发明可以应用于移动舰船/战车/其它移动物(包括单兵个体人/ 物)的自动精密“对时”实现精密时刻时间同步，使所有移动站/台的时间频率基准保持高度一致：如图1所示：如果全国所有的发播台通过统一时间频率基准光纤支撑网网络平台架构构建成一个统一时间频率基准网，那么时间同步的精度各地的时间基准都高度一致，如图1所示A站点的起始时刻与B站的起始时刻当前我们可实现的时间同步精度≤± 5ns、≤±0.5ns，不久将可能达到≤±50ps。
根据移动舰船/战车等的级别，分别标准配置的授时时频同步设备中的时钟为：ePRTC、PRTC、LPTC、RTC，通过光纤支撑网网络平台可分别得到：
松耦合主从同步稳态跟踪在硬件电口(光路由定义的可监测可见可利精密示波器探测共视比对比相)精准测量和时钟源等级与时间传递中多项随机噪声的测量方法紧密配合的智能软件处理方法：
第一步骤：根据Martin准测和时钟等级决定其松耦合鉴频鉴相“过零”检测，快捕时长短由从站时钟等级决定也就是根据时钟源的等级，例如，双恒温槽低相位噪声VCXO晶体振荡器的时基老化率3E-10，增强型可达1E-10～8E-11因此，由它跟踪同步HPRTC/PRTC(铯钟)从站VCXO 采用数字式电流型比对比相时，从开机快捕鉴频鉴相“过零”检测锁相同步按Martin“失锁门限”准则设定为±10ns/天，一般可监测24小时即可。
进一步，以上HPRTC跟踪同步HPRTC；PRTC跟踪同步eHPRTC/HPRTC； LPRTC跟踪同步eHPRTC/HPRTC/PRTC；eRTC跟踪同步 eHPRTC/HPRTC/PRTC；RTC跟踪同步HPRTC/PRTC。并且这五种主从同步的数字式阻尼压缩滤除值是不同的。
第二步骤：第一稳态跟踪良性循环数字阻尼系数压缩设定检测目标： Martin“失锁门限”准则设定为±1ns也就是使M→S锁相同步检测压缩并稳定在±1ns内，这里是由M-S和S-RT-M多次检测锁相检测的主从纯真同步的实际测量结果，其即可靠又可信，是实现稳定智能控制的核心。
第三步骤：第二稳态跟踪良性循环数字式阻尼系数压缩的设定检测目标：Martin“失锁门限”准则设定为±100ps。
第四步骤：第三稳态跟踪良性循环数字式阻尼系数压缩的设定检测目标：Martin“失锁门限”准则设定为±31ps(也可以设定其他值)。
以上与全国统一时间频率基准比对相对时间间隔误差设定为：≤± 31ps、≤±100ps、≤±500ps、≤±1ns、≤±5ns、≤±10ns六个级别。
本发明将国家授时中心的1E-16(“守时”性能相当于3亿年不差一秒)超高精度时间频率基准，用来建设成全国统一时间频率光纤支撑网网络这个基础又基础设施具有深远的战略意义。

Claims (2)

1.一种时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法，其特征在于，包括以下三种工作模式：
1)MRT主站环回模式：以主站的1PPS建立的统一时间频率基准参考信号从主站O Tx0至第一光纤EO OE＝Rx0直接选通第一光纤EO环回到主站单纤双向测量第一光纤的传输时延值，设定激光发收是匹配传递时：第一光纤的真实长度的时延此时此刻的实测值TL1的1/2，在从站Rxo点落地定标建立此时此刻瞬间的1PPS原点；
2)SRTM模式：由从站时钟再生UTC原子时的统一时间频率基准参考信号返回主站，即利用主站的时钟源配置比从站时钟高一个等级以上的优势，主站时钟源能主动发现被同步的各个从站时钟的运行状态测量，具体包括：
①从站再生UTC原子时的1PPS起始时刻缓慢漂移累积时延变化的精准测量；
②测量相对频率偏差；
③分割、剥离、滤除光路由中时间频率基准在光纤传递过程中的各种寄生随机变化噪声的负面影响，验证两端的测试误差并利用平滑移动均衡补偿使从站与主站对时到“ps”级，实现二次多频共视比对比相，确保从站再生UTC原子时时刻是纯真的时间基准的测量数据；
所述平滑移动均衡补偿是时间同步技术中时刻相位误差的比相固定值不允许用调整控制时钟锁相方法来实现而必须平行移动的相位补偿的方法；所述平滑移动均衡补偿采用硬件电路裝置来实现或由软件控制处理方法来实现；④测定返回1PPS+TOD时间报文的误码率；
3)多元多频共视或差分共视“共同门限”比对比相模式：选用O波段等时光波对实现MRT和SRTM单纤双向用24路共视比对比相测量时延随机变化噪声分割剥离滤波无用的寄生随机噪声后并平滑移动补偿实现在噪声淹没下，精准落地定标1PPS时刻；
工作模式3)中，采用蜂窝星型带状多元协同多频差分共视“共同门限”比对比相O波传逐级无缝接力透明的传递方法，包括以下步骤：
步骤一：高频FM(t)＝FS(t)数字式电流型鉴频鉴相比对频率同步；高频FM(t)为10kHZ～1kHZ；
步骤二：MRT主站环回精准测量出Tx→光波Rxo→单纤双向直接环回主站Rx光路由的此时此刻的真实时延值бTR(t)，在从站建立初始再生UTC原子时刻1PPS；
步骤三：双向自动精准“测时延”：分割剥离滤波光纤传递过程中无用的寄生随机变化噪声：△бDL(t)+△бDD(t)时延误差值并完成10秒40000次的精准测量；
步骤四：双重比相：M→S和SRTM在分割剥离滤除无用的寄生随机变化噪声并平滑移动补偿后的共视“ps级”比对比相，这是主站纯真基准与从站纯真基准的相互比对比相；
步骤五：精密平滑微调；
步骤六：SRTM松耦合锁相方法：采用倒向松耦合精准测时技术与MRT双重超精密测量光纤支撑网网络的光纤时延随机变化方法。
2.根据权利要求1所述的时间传递中的多项随机变化寄生噪声的测量方法，其特征在于，步骤二中，光波Rxo为1270nm，单纤双向直接环回主站Rx光路由为1350nm。
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