CN110808803A

CN110808803A - 一种高可靠性、高性能的基准参考时钟系统

Info

Publication number: CN110808803A
Application number: CN201910982963.9A
Authority: CN
Inventors: 施闯; 于佳亮; 宋伟; 程华; 于天泽
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-02-18

Abstract

本发明公开了一种高可靠、高性能的基准参考时钟系统，包括多种方式溯源时间频率信号，特别是不再以通常的GNSS单向授时为主，而是采用光纤授时、精密实时单点定位与载波相位、卫星共视、高性能PTP等技术融合，并通过接收实时性能改正数据，结合系统内部的精密调控时间信号装置及功能，实现多种方式溯源，不仅提高了授时系统可靠性，克服了卫星信号易受干扰的通病，而且使授时精度明显提升，由目前的30ns以上提高到亚纳秒级别，频率准确度达到E‑13以上。本发明的系统实现了高精度、高可靠性、低成本的新型PRTC和ePRTC设备系统，可以广泛运用于网络授时及同步网的源头部分。

Description

一种高可靠性、高性能的基准参考时钟系统

技术领域

本发明属于通信同步网领域，尤其涉及一种时间频率基准参考时钟系统。

背景技术

基准主时钟PRTC设备是指利用源自UTC的时间输入信号，提供一种或多种类型的时间和频率输出功能，并具有守时功能的设备，PRTC是独立型通信同步设备。增强型基准主时钟ePRTC在性能方面高于PRTC。典型的PRTC和ePRTC为网络或网络部分内的其他时钟提供时间、相位和频率同步的参考信号。特别地，PRTC和ePRTC还可以向所在的网络节点的电信主时钟(T-GM)提供参考信号。国内外有关基准参考时钟的技术标准较多，例如ITU-T G.811《基准参考时钟的定时特性》、ITU-T G.8272《基准参考时间的定时特性》、YD/T 2022-2009《时间同步设备技术要求》、YD/T 2375《高精度时间同步技术要求》、IEEE 1588-2008《网络测量和控制系统的精确时钟同步协议》等。

最常见的PRTC类型是使用来自GNSS系统的无线电信号分配时间的PRTC，即卫星单向授时。这种方式的优点是应用广泛，成本低。但是，GNSS系统的授时性能一般为数十纳秒，且该性能通常取决于卫星系统(包括其运控能力)。因此，一般授时设备供应商规范只能指明设备可能达到的能力，而不是设备在任何给定安装中实际提供的性能。

新近修订的我国通信行业技术标准《高精度时间同步技术要求》规定：PRTC正常情况下应接受卫星定位系统的时间同步和频率同步，并为各种通信设备提供时间同步和频率同步参考信号，授时精度为100ns(相对于UTC)。

对于面向5G及未来时间同步的更高性能需求，现有授时技术和设备难以提供有效的支持。5G网络支撑的多种新业务有高精度同步需求，包括高精度定位业务、高速移动业务覆盖、业务时延精确测量、各种垂直行业应用(如物联网，车联网，智能制造)等。典型的基站定位服务，主要基于到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)技术，时间同步精度与定位精度要求直接相关。例如，要满足3m的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为10ns；要满足m级的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为3ns。5G基站部署密度大，基于基站提供定位服务具有天然优势，特别是在卫星信号覆盖盲区，该优势更加凸显。随着高精度定位服务需求爆炸式增长，作为定位服务提供的重要手段，基于5G系统基站定位极具潜力，可与其它定位技术相结合，满足m级及以上的定位需求。

但是，目前业内已有的PRTC、ePRTC等设备主要以卫星单向授时为主，易受干扰，可靠性不高，授时精度只能达到数十纳秒级别。已有专利技术公开采用光纤授时技术的授时设备，但是技术方式较单一，可靠性不高。因此，现有此类技术标准及业内通常采用的技术和方法有改进或提升的空间。

发明内容

针对现有技术的不足，为了使基准主时钟设备工作更可靠、授时更精准，本发明提供了一种高可靠性、高性能的基准参考时钟系统，该系统采用多种高精度时频溯源技术组合，包括光纤授时、精密实时单点定位与载波相位、卫星共视和高精度PTP等技术融合，实现多种方式溯源，授时精度达到纳秒级，同时设备可靠性和可用性均大幅度提升。

本发明的技术方案具体如下：

一种高可靠性、高性能的基准参考时钟系统，包括：时间、频率信号接收单元、本地时钟单元、时间同步输出单元、频率同步输出单元、监测与控制单元和通信单元；

所述时间、频率信号接收单元将接收到信号传递给本地时钟单元；所述时间、频率信号接收单元包括光纤授时模块、实时精密单点定位授时模块、GNSS共视授时模块和高性能PTP授时模块；

所述本地时钟单元对接收到的信号进行平滑滤波、跟踪锁定、分频和信号整形放大处理；实时接收时钟性能修正数据，实现系统内部时频精密调控，最后分配给时间同步输出单元和频率同步输出单元；

所述时间同步输出单元和频率同步输出单元对时频信号进行符合相关标准的适配及转换，并最后输出时频信号；

所述监测与控制单元监测系统主要技术性能，管理和控制各单元运行；

所述通信单元实现与网络管理系统互通信息并接收时钟性能修正数据。

进一步的，所述基准参考时钟为增强型主时间设备ePRTC、基准主时间设备PRTC、祖时间设备T-GM或它们的组合。

进一步的，所述光纤授时模块溯源到高性能的时间频率基准(如UTC、北斗时等)。

进一步的，所述时间、频率信号接收单元对时频信号参考源进行优先级选择设置，以光纤授时模块输出信号为第一信号参考源，以实时精密单点定位授时模块输出信号为第二信号参考源，以GNSS共视授时模块输出信号为第三信号参考源，以高性能PTP授时模块输出信号为第四信号参考源。

进一步的，所述时间同步输出单元和频率同步输出单元将分配的信号转换为高精度的1PPS、1PPS+TOD、PTP、NTP、10Mhz、2Mhz和E1标准信号，并达到纳秒级以上的时间偏差精度和E-13以上的频率同步精度。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

1.本发明的基准参考时钟系统可靠性显著提高，可以彻底解决卫星信号不稳定、易受干扰等问题。

2.本发明的基准参考时钟系统授时性能大幅度提升，由传统方式的时间偏差30～50ns(相对于UTC)，可以提高到纳秒级别甚至更高。

3.本发明的基准参考时钟系统安全性提高。该系统由于采用多种方式溯源，系统安全性和可靠性更高。

4.本发明的基准参考时钟系统降低了系统成本。可以不设或少设铯钟。

附图说明

图1为本发明的基准参考时钟系统的示意图。

图2为本发明的基准参考时钟系统工作流程示意图。

图3为本发明的基准参考时钟系统的光纤授时模块原理图。

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，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

本发明提供了一种高可靠性、高性能的基准参考时钟系统，具体包括：时间、频率信号接收单元、本地时钟单元、时间同步输出单元、频率同步输出单元、监测与控制单元和通信单元。

时间、频率信号接收单元包括光纤授时模块(外置或嵌入在系统内部)，用于接收地面时间频率信号，实现百皮秒级别的授时精度和优于E-13级别以上的频率同步精度。高精度的光纤时间传递设备，可以将时间信号从甲端通过光纤精确地传递到乙端，甚至在数千km的实际光纤链路上，可以实现时间同步偏差优于100ps。在此基础上可以实现两地或者多地间的时间传递。

甲端设备将10MHz频率信号、1PPS信号、时码信息、比对结果数据等信息进行编码，并通过激光器发送到远程端设备。远程乙端设备将其保持的1PPS信号、时码信息进行编号，通过激光器发送给本地端设备。本地端设备内部的时间间隔测量器，比对来自远程端的1PPS信号与参考1PPS信号，得到时差值Δt_s。远程端设备利用收到的信号，解码出时码信息、1PPS信号、来自本地端的比对数据。远程端设备内部用时间间隔测量器比对来自本地端设备的1PPS信号与远程端保持的1PPS信号,得到时差值Δt_r。远程端设备根据双向时间比对的结果，根据简化后的公式

Δt＝(Δt_s-Δt_r)/2

计算出控制程控延迟器的延迟调整量Δt，此时有

Δt_s＝Δt_r

从而实现远程端设备输出的1PPS信号与输入到本地端的参考1PPS信号实时同步或溯源。

此外，本发明的系统采用了不同于目前常用的GNSS授时方式，通过高性能的光纤传送实现时间和频率溯源到UTC或其他高性能时频基准源。

本发明的时间、频率信号接收单元包括光纤授时模块、实时精密单点定位模块、GNSS共视模块和高性能PTP模块，上述不同模块接收不同的信号源，并进行优先级选择，例如，以地面光纤授时及溯源为第一信号源，第二信号源为实时精密单点定位接收机，GNSS共视为第三信号源，高性能PTP为第四信号源。

PRTC和ePRTC主要依靠地面信号提供可追溯到时间标准(例如，协调世界时(UTC(K)))的参考信号，不再采用最常见的从全球导航卫星系统(GNSS)获得授时。为了实现这一目的，在基准主时钟设备(或系统)内，须设置高性能的地面时频信号接收单元，如采用光纤信号接收单元，与源自地面时频基准站的光纤信号发送单元对接，实现基准主时钟新方式的溯源及授时。

基准主时钟接收到时间信号后，经本地时钟单元处理，包括平滑滤波、跟踪锁定、分频、信号整形放大后，分配到时间和频率输出单元，转换为标准的1PPS、1PPS+TOD、PTP、NTP、2048kHz、2048kbit/s或10MHz接口等信号，也可以为用户定制专门信号。在输入信号全部失效时，系统可以依靠本地时钟继续工作。

电源、监测与控制单元和通信单元参与或保证系统运行。

以上仅为本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高可靠性、高性能的基准参考时钟系统，其特征在于，包括：

时间、频率信号接收单元、本地时钟单元、时间同步输出单元、频率同步输出单元、监测与控制单元和通信单元；

所述通信单元实现与网络管理系统的互通信息并接收时钟性能修正数据。

2.根据权利要求1所述的系统，所述基准参考时钟为增强型主时间设备ePRTC、基准主时间设备PRTC、祖时间设备T-GM或它们的组合。

3.根据权利要求1所述的系统，所述授时模块溯源到UTC或北斗时。

4.根据权利要求1所述的系统，所述时间、频率信号接收单元对时频信号参考源进行优先级选择设置，以光纤授时模块输出信号为第一信号参考源，以实时精密单点定位授时模块输出信号为第二信号参考源，以GNSS共视授时模块输出信号为第三信号参考源，以高性能PTP授时模块输出信号为第四信号参考源。

5.根据权利要求1所述的系统，所述时间同步输出单元和频率同步输出单元将分配的信号转换为高精度的1PPS、1PPS+TOD、PTP、NTP、10Mhz、2Mhz和E1标准信号，并到达纳秒级以上的时间偏差精度和E-13以上的频率同步精度。