基于光纤双向时间比对的溯源系统设计与实现

谢 勇，赵大勇，袁 媛，杨 军

（1.中国人民解放军 93216 部队，北京 100085；
2.北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

可用于精密原子时标远程溯源的技术手段主要有卫星共视时间比对技术、卫星双向时间比对技术和光纤双向时间比对技术3 种。

各守时机构均构建了基于卫星共视时间比对的溯源系统，复现参考端标准时间，卫星共视时间比对技术较卫星双向时间比对技术性能较差，无法作为高精度溯源手段。

卫星双向时间比对通过租用GEO 卫星的微波频率转发器信道在两地间建立双向时间比对传输链路，费用较高。

光纤双向时间比对技术［1－3］利用光纤进行时间比对极大的节约了成本，且比对性能得到大幅提升，不仅高于卫星共视时间比对，也高于卫星双向时间比对，采用该技术搭建溯源系统能够有效的复现远端标准时间。

本文设计和实现了基于光纤双向时间比对技术的远程溯源系统，采用原子频标驾驭算法对光纤双向时间比对的结果进行处理，并对本地时间源进行驯服，从而实现了时间偏差优于1 ns 以及日频率稳定度优于5E－15 的溯源指标。

同时为了提高系统的可靠性与稳定性，研究主备路时间同步技术，搭建主备路同步验证平台，实现主备路时差优于0.3 ns。

光纤双向时间比对溯源系统包括原子钟分系统、时差测量分系统、驾驭控制分系统和监控分系统，远程标准时间位于A 地，本地原子时标位于B地，在A、B 两地实验室分别部署一台光纤双向时间比对设备，通过两地间的光纤链路实现高精度双向时间比对。

光纤双向时间比对溯源系统的工作原理图如图1 所示。

图1 光纤双向时间比对溯源系统组成与工作原理图Fig.1 Composition and theory of traceability system based on optical fiber two⁃way time comparison

B 地原子钟分系统包括氢铯原子钟、相位微跃计、无损切换器、秒信号分配器和频率信号分配器组成，用于产生本地标准时间，并输出10 MHz、1PPS时频基准信号。

相位微跃计为频率调整装置，实现B地主路原子时标向A 地溯源。

为保证标准时间产生的稳定性，设备均采用双机热备的工作方式。

时差测量分系统包括2 台多通道比相仪、2 台多通道时间间隔测量仪和1 套光纤双向时间比对设备，主要用于系统内时间频率信号测量和时间比对。

多通道比相仪和多通道时间间隔测量仪还可以对10 MHz 信号、1PPS 信号的异常情况进行监测，包括跳频、跳相和无数据等情形。

驾驭控制分系统包括服务器、数据采集软件和综合处理软件，主要完成各类原始数据的计算处理、驾驭控制。

数据采集软件实时获取设备工作状态信息和测量数据；
综合处理软件对各种原始数据进行处理，计算和发送调整量。

监控分系统包括系统监控软件和交换机，用于对全系统的各项状态信息进行监控。

3.1 采用伪码测距的光纤双向时间比对

光纤双向时间比对技术已经成为远程时间比对的重要手段，相关技术研究也取得了很大的进展。

采用的光纤双向时间比对技术基于伪码测距进行时间比对，经过光纤物理链路，消除环境对于链路时延的影响，保证传输链路的对称性，实现高精度的双向时间比对［4］，技术原理如图2 所示。

图2 基于伪码测距的光纤双向时间比对原理图Fig.2 Theory of fiber two⁃way time comparison based on pseudo code ranging

采用基于伪码测距进行光纤双向时间比对的原理如下：

1）A 站参考源的10.23 MHz 和1PPS 信号输入信号产生模块输出伪随机码，参考源的10 MHz 信号进入本振模块产生70 MHz 中频信号；

2）中频调制模块用于在70 MHz 载波上调制输出扩频信号；

3）光调制器A 将电信号调制转换为光信号（波长λ1），半导体激光器A 发射光信号到光环行器A（端口1），端口2 为光纤注入口；

4）经过光纤链路后光信号进入光环形器B 的端口2，从端口3 输出后再进入光电探测器B；

5）光电探测器B 用于将光信号光电转换成70 MHz电信号；

6）70 MHz 电信号进入时间信号接收单元（B站）译码输出得到测量数据TAB。

同理由B 站传递时间信号到A 站后由时间信号接收单元（A 站）译码输出得到测量数据TBA。

设A 站发射伪码测距信号的时刻为TA，B 站发射伪码测距信号的时刻为TB，两站时钟的瞬时钟差ΔT＝TB－TA，则：

计算得到A、B 两地的钟差。

光纤时间比对技术可以达到较高的比对结果，优于1 ns。

所以，采用光纤时间比对用于A 站和B 站之间的时间比对。

3.2 光纤双向时间比对数据预处理

光纤链路及设备外界环境的干扰使系统得到的时间比对结果存在噪声，无法正确反映两地原子钟的参数性能，需要对比对数据进行预处理。

预处理主要包括异常探测与修正，流程如图3 所示。

异常检测与修正是采用野值判断与剔除的方法，当系统检测到比对数据长时间超过阈值，例如链路载噪比降低引起比对结果过大，则监控界面告警提示并存储告警日志，便于分析故障原因［5］。

图3 光纤比对数据处理流程图Fig.3 Data processing flowchart of optical fiber comparison

3.3 原子钟评估与主钟优选

原子钟分系统包括3 台氢原子钟，在系统运行初期阶段，先通过监测3 台氢钟性能评比选出主钟、备用主钟。

评比方法是使用多通道比相仪和多通道时间间隔测量仪测量3 台氢钟输出的频率信号和脉冲信号。

多通道比相仪测量3 台氢钟输出10 MHz 的相位差，多通道时间间隔测量仪测量氢钟输出1PPS信号的相位差，使用测量的相位差数据计算得到两两互比的1 s，10 s，100 s，1 000 s，10 000 s 稳定度和1 d 稳定度，根据“三角帽法”，计算得出3 台氢钟各自的稳定度［6］。

原子钟评估的流程如下：

1）利用预处理后的钟差数据进行原子钟建模；

2）计算各原子钟两两之间的频率稳定度，采用三源互比算法得到每个原子钟的频率稳定度；

3）利用钟性能分析结果进行监视，性能出现异常的原子钟弹出告警。

3.4 主钟驾驭技术

主钟驾驭技术原理是通过主钟驾驭算法利用光纤比对数据计算出频率调整量，发送给相位微跃计，驾驭产生实时频率和脉冲信号［7］。

主钟驾驭的流程为：

1）读取数据库中存储的光纤双向时间比对结果数据；

2）对光纤双向时间比对时差数据进行预处理；

3）使用驾驭控制算法计算得到的调整量对B站主钟进行驾驭，通过实时监测B 站与A 站之间的时差并对相位微跃计进行控制，可以保证与A 站UTC（A）的一致性。

记ti时刻B 地与A 地之间的时差为：

由式（6）计算得到钟速差k是利用相位微跃计进行输出信号调整的基本依据。

调整策略一般采用定时调整方式，根据系统要求的长期稳定度和短期稳定度指标，设计合适的调整周期及调整量阈值。

调整前首先判断溯源业务是否开启，若开启则代表当前系统的溯源参考源为外部比对数据，若未开启则代表系统为自主守时模式。

设置调整周期，系统将根据周期自动计算频率调整量，并完成对UTC（B）的实时控制。

系统能够灵活控制频率控制量的最大门限，还可以手动输入调整指令。

3.5 主备路时间同步技术

系统采用双路热备份设计以提高可靠性与稳定性，在主钟稳定运行时，对备路相位微跃计进行频率驾驭，确保备路相位微跃计输出的频率和相位与主钟保持一致。

多通道时间间隔测量仪的测量准确度是50 ps，通过它来实时监测主备路实时信号的相位差，并计算得到备路的频率调整量，进而对备路相位微跃计进行驾驭。

主备路时间同步控制流程如图4 所示。

图4 主备路时间同步控制流程图Fig.4 Time synchronization flowchart of main and standby channels

系统初始阶段，先设置多通道时间间隔测量仪的网络参数和测量间隔等，然后连续采集时差数据，对该组数据进行最小二乘法拟合，得到频率偏差，给备路相位微跃计发送该调整量，缩小备钟与主钟间的频率偏差。

精密同步阶段实现主路与备路输出时频信号的精密同步，利用时差测量分系统的多通道时间间隔测量仪测量主备路钟差，对钟差结果进行数据处

3）第三层级：采用专用测试设备对关键信号进行检测。

多通道比相仪对关键设备输出的5 MHz，10 MHz信号指标进行检测；
多通道时间间隔测量仪对关键设备输出的1PPS 信号指标进行检测。

通过以上3 个层级的设计，可以保证全系统的运行状态进行有效的检测。

基于光纤双向时间比对的溯源系统通过A、B两地部署的一套光纤双向时间比对设备实时测量两地钟差，并通过数据处理算法结合相位微跃计实现B 地实验室产生的UTC（B）与A 地实验室的标准时间UTC（A）同步。

本套系统搭建后至今一直连续稳定运行，选取2021 年10 月16 日至2021 年10月18 日（简化儒略日MJD 为59 503～59 505）的溯源时差结果进行评估，曲线如图5 所示。理，当主备路钟差结果在阈值范围内，则使用合适的驾驭算法计算频率和相位调整量，实现主钟对备钟的驾驭［8］。

备钟驾驭算法如下：

图5 溯源时差结果图Fig.5 Results of traceability effect

1）预报下一周期的备路相对于主路的频率偏差。

对上一周期的主备时差线性拟合，计算出主备频率偏差，发送给备路相位微跃计；

2）缩小主备钟相位差。

通过多通道时间间隔测量仪测量得到主备时差，将该时差转换为频率调整量，发送给相位微跃计。

3.6 信号监测技术

系统在线监测按照3 个层级进行设计：

1）第一层级：设备自检测（BIT）；

每个设备均采用自检测设计，对其内部电路的关键参数进行检测。

2）第二层级：系统信号流中，每台设备对前级设备输出信号进行检测；

每台设备均可对输入信号的有无进行检测，且均支持2 路以上的输入。

当检测到当前工作通道无信号时，设备自动切换至正常通道，保证输出信号连续、可靠。

从图5 可以得出，通过光纤双向时间比对技术建立溯源系统复现的标准时间UTC（B）与守时实验室A 地的UTC（A）时差能够控制在（－0.6～0.7） ns之间，满足了系统设计的指标要求。

下面对溯源系统复现的标准时间UTC（B）进行稳定度分析，选取2021 年10 月一整月的时差，采用Allan 方差公式计算稳定度，稳定度结果曲线如图6所示，由图6 可知日频率稳定度小于5E－15。

图6 日频率稳定度曲线图Fig.6 The curve of daily frequency stability

主备路时间同步的验证选取2022 年1 月30 日至2022 年1 月31 日（简化儒略日MJD 为59 609～59 610）时间段，主备路时差控制在0.3 ns 以内，同步效果如图7 所示。

图7 主备路的时间偏差结果图Fig.7 Results of time difference of main and standby channels

经光纤链路使用光纤双向时间比对技术实现本地时间源向远端基准时间源的频率与相位同步。实验结果表明，溯源后时间偏差在1 ns 以内。

该溯源系统指标高、可靠性强，可广泛应用于高精度时间频率传递系统中。