光纖遠程溯源系統的設計與實現

袁 媛，孫 霞，楊嘉明，張 然，王 超

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

傳統的時間頻率傳遞技術有GNSS共視比對[1，2]、衛(wèi)星雙向法時間傳遞[3]兩種方法。在GNSS共視比對的基礎上，不同的時頻實驗室研制了時間溯源系統，通過GNSS共視比對將本地時間源的時間和參考端時間實時同步。但是隨著越來越多的領域對時間需求不斷提高，通過GNSS共視比對進行時間溯源逐漸無法滿足一些用戶的需求。衛(wèi)星雙向時間傳遞通過租用通訊衛(wèi)星在本地端和遠端分別將時間傳遞給對方進行比對，需要花費高昂的成本，應用和發(fā)展受限，因此需要一種新的高精度時間同步手段滿足遠程時間溯源的需求。

隨著近些年光纖通訊網絡的飛速發(fā)展，光纖傳遞信號具有功率傳輸損耗小、受外界因素影響小、傳輸距離遠且分布廣泛、可靠性高等優(yōu)點，在時間頻率領域得到了重視[4]。建立在衛(wèi)星雙向時間傳遞方法原理上進行的光纖雙向時間傳遞利用光纖代替通訊衛(wèi)星進行雙向時間傳遞極大地節(jié)約了成本，其比對精度高于衛(wèi)星雙向時間傳遞和GNSS共視比對。因此，根據光纖雙向時間傳遞的高精度、高穩(wěn)定的優(yōu)點，將本地時間源的時間和遠端高基準時間源進行同步或溯源成為了新的溯源思路[5，6]。本文基于光纖雙向時間傳遞的高精度、高穩(wěn)定優(yōu)點，設計和實現了基于光纖鏈路的遠程溯源系統。將光纖雙向時間傳遞結果通過主鐘頻率駕馭算法對本地時間源進行馴服，最后得到時差上下浮動2 ns以內和日頻率穩(wěn)定度為7×10-15左右的溯源效果。為了提高系統的可靠性，還建立了主備路雙路備份機制，通過主備路時間同步技術，使主備路時差保持在0.5 ns以內。

2 系統組成與工作原理

光纖遠程溯源系統主要由守時分系統、測量比對分系統、數據處理分系統和監(jiān)控分系統組成。系統主體部署于B地，為了實現與A地標準時間(用MC(A)表示)進行時間比對的功能，在A地鐘房放置一臺光纖時間比對設備，與B地的光纖時間比對設備通過兩地之間現有的光纖鏈路實現雙向時間傳遞。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 光纖遠程溯源系統框圖Fig.1 Diagram of remote traceability system based on optical fiber

守時分系統由3臺氫原子鐘、2臺頻率無損切換裝置、2臺相位微躍計、2臺頻率信號分配放大器、2臺秒信號分配放大器組成，用于產生本地標準時間(用MC(B)表示)，并輸出測量比對分系統所需的10 MHz、1 PPS(packets per second的簡稱)時頻參考信號。具體如下：(1) 3臺氫原子鐘組成主鐘鐘組，互為備份；(2) 2臺頻率無損切換裝置分別選擇1臺氫原子鐘信號作為主備路頻率參考信號；(3) 2臺相位微躍計分別作為主備路頻率調整裝置，實現主路實時向A地溯源，備路實時與主路同步；(4)頻率信號分配放大器和秒信號分配放大器分別將相位微躍計輸出頻率、脈沖信號分配多路。

測量比對分系統由多通道時間間隔計數器、多通道比相儀、光纖雙向時間比對設備組成，主要完成內部1 PPS時間頻率信號測量以及本地時間信號與外部時間信號的比對。具體如下：

(1)多通道時間間隔計數器用于實現系統的1 PPS信號時差測量，提供主備路同步模塊和系統異常監(jiān)測模塊所需的內部鐘組比對測量數據，2臺計數器互為備份，保障鐘組比對數據的可靠性；

(2)多通道比相儀用于實現系統的10 MHz信號相差和穩(wěn)定度測量，還用于對10 MHz信號的相位跳變進行監(jiān)測，從而保證當原子鐘等設備運行異常時系統能實時感知并將其從系統中剝離[7]，2臺多通道比相儀互為備份，保障測量數據的可靠性；

(3) A、B兩地光纖雙向時間比對設備作為光纖時頻傳遞的鏈路設備，實現時間信號的光纖遠距離傳遞。

數據處理分系統由服務器、數據采集軟件、數據綜合處理軟件組成，主要完成各類鐘差數據、比對數據的采集和分析處理。具體如下：(1)服務器為硬件支撐平臺，用于為數據采集軟件和數據綜合處理軟件提供運行環(huán)境；(2)數據采集軟件通過與各類設備的接口獲取設備的實時工作狀態(tài)和測量數據并存儲到數據庫中，作為系統監(jiān)控軟件、數據綜合處理軟件的原始數據；(3)數據綜合處理軟件用于數據預處理、主鐘頻率控制和備份主鐘的頻率控制。

監(jiān)控分系統通過接收設備工況信息、業(yè)務軟件狀態(tài)和數據處理分系統綜合信息對系統的整體運行狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)控。分系統由工作站、數據庫服務器和系統監(jiān)控軟件組成。具體如下：(1)工作站為硬件支撐平臺，用于為系統監(jiān)控軟件提供運行環(huán)境；(2)數據庫服務器為硬件支撐平臺，用于部署數據庫；(3)系統監(jiān)控軟件用于人機交互，對系統運行各參數和各類異常報警信息進行顯示，便于系統維護人員對系統進行管理。

3 關鍵技術

3.1 采用光纖鏈路實現高精度時間比對

光纖鏈路具有傳輸容量大和傳輸距離遠等優(yōu)點，基于光纖鏈路的時間傳遞技術取得了很大進展，成為高精度時間傳遞的重要手段。

本文采用高精度的擴頻編碼技術，實現光纖收發(fā)信道采用同一波長的光載波信號而不影響信號的信噪比。由于采用了同纖同波的雙向技術，物理鏈路絕對一致，雙向收發(fā)傳輸速度一致，溫度對雙向收發(fā)的影響一致，保證了傳輸鏈路的對稱性，所以通過雙向比對后可以消除鏈路時延的影響，實現高精度的時間傳遞比對。

基于擴頻編碼的同纖同波光纖雙向時間傳遞框圖如圖2所示。

圖2 基于擴頻編碼的光纖雙向時間傳遞框圖Fig.2 Diagram of fiber-optic two-way time transfer based on spread spectrum coding

圖2中，在A到B的鏈路中，擴頻碼調制解調器以A站的原子鐘1 PPS信號作為參考信號，以 5 M chips/s的偽碼速率，70 MHz的中頻載波頻率調制產生擴頻信號；擴頻信號經電/光調制器調制到波長為λ1的光載波上，經光纖環(huán)行器進入光纖鏈路；B站的光電探測器對接收到的信號進行光電轉換，恢復出70 MHz的擴頻信號，經擴頻碼調制解調器解調恢復出A站發(fā)送的1 PPS信號，B站的TIC對本地1 PPS和恢復出的1 PPS進行時差測量，獲取結果TIC B。

在B到A的鏈路中，擴頻碼調制解調器以B站的原子鐘1 PPS信號作為參考信號，以5 M chips/s的偽碼速率，70 MHz的中頻載波頻率調制產生擴頻信號；擴頻信號經電/光調制器調制到波長為λ2的光載波上，經光纖環(huán)行器進入光纖鏈路；A站的光電探測器對接收到的信號進行光電轉換，恢復出 70 MHz 的擴頻信號，經擴頻碼調制解調器解調恢復出B站發(fā)送的1 PPS信號，A站的TIC對本地1 PPS和恢復出的1 PPS進行時差測量，獲取結果TIC A。

A、B兩站各自TIC的結果分別為TIC A和TIC B，則：

TIC A=TBT+TBEO+TAOE+TAR+TA-TB
TIC B=TAT+TAEO+TAB+TBOE+TER-(TA-TB)

(2)

式中：TAT、TBT分別為A、B兩站的擴頻碼調制解調器的發(fā)送時延；TAEO、TAEO分別為A、B兩站的電/光調制器的發(fā)送時延；TAB、TBA分別為A到B和B到A的光纖鏈路傳輸時延；TAOE、TBOE分別為A、B兩站的光/電探測器的發(fā)送時延；TAR、TBR分別為A、B兩站的擴頻碼調制解調器的接收時延；TA-TB為A、B兩站的鐘差。

通過計算可得A、B兩站的鐘差ΔT：

ΔT=TA-TB=0.5[(TIC A-TIC B)+(TAB-

TBA)+(TAT-TAR)+(TAEO-TAOE)+

(TBOE-TBEO)+(TBR-TBT)]

式中：(TAT-TAR)+(TAEO-TAOE)+(TBOE-TBEO)+(TBR-TBT)項可提前通過校準獲取該項的值；(TIC A-TIC B)項為A、B兩地的TIC結果之差，可通過比較A、B兩地的TIC結果獲?。?TAB-TBA)項由于使用了基于擴頻編碼的同纖同波光纖雙向時間傳遞技術，該項可以消除。通過計算，便可得到A、B兩地的鐘差，完成A、B兩站的時間比對。

3.2 光纖比對數據預處理

因外界因素干擾，系統采集得到的光纖時間比對數據存在噪聲，不能反映原子鐘的真實信息，無法直接進行主鐘頻率駕馭，需要送入計算機進行數據預處理。光纖比對數據預處理包括異常值檢測與修正、數據降噪分析等，組成框圖如圖3所示，流程圖如圖4所示。異常值檢測與修正主要采用粗差剔除的方式，當監(jiān)測發(fā)現數據長時間異常，如采集中斷，則通過界面給出告警信息，方便用戶及時排查異常原因。數據降噪處理則是對原始數據進行Kalman平滑，降低比對過程中的噪聲影響。

圖3 光纖比對數據處理組成框圖Fig.3 Diagram of fiber-optic comparison data processing

圖4 光纖比對數據處理流程圖Fig.4 Flow chart of fiber-optic comparison data processing

3.3 原子鐘性能分析與主鐘優(yōu)選

系統共有3臺氫鐘，在系統運行初始階段，需對3臺氫鐘進行比測，優(yōu)選出主鐘和備用主鐘。利用系統中的多通道比相儀和多通道計數器對氫鐘輸出的10 MHz信號和1 PPS信號進行比對測試。

多通道比相儀輸出的原始比對數據為被測信號的相位差。根據原始相差數據可計算出3臺氫鐘兩兩互比的1、10、100、1 000、10 000 s穩(wěn)定度。多通道計數器輸出的比對數據為被測1 PPS信號之間的時差，每秒輸出1個測量結果。根據時差數據可計算出3臺氫鐘兩兩互比的1 d穩(wěn)定度[8]。

利用上述原始數據，可以得到3臺氫鐘兩兩互比的相對穩(wěn)定度。根據“多角帽法”可以得出3臺氫鐘各自的穩(wěn)定度。

認為3臺氫鐘獨立，則有：

(3)

由式(3)即可得到各臺氫鐘自身的穩(wěn)定度特性。運行15 d，可得到1、10、100、1 000、10 000 s和1 d時間尺度上的穩(wěn)定度。

在主鐘優(yōu)選過程中，著重關注1 d穩(wěn)定度，兼顧其他時間尺度上的穩(wěn)定度。具體方式如下：(1)對3臺氫鐘根據1 d穩(wěn)定度指標進行排序，得到主鐘A、備用主鐘B和備用主鐘C；(2)比較3臺氫鐘的1、10、100、1 000、10 000 s穩(wěn)定度，如果主鐘存在某一指標超差(低于技術要求的指標值)，則將該主鐘剔除，備份主鐘提升為主鐘；(3)選擇出主鐘后，控制頻率信號選擇切換器1選擇主鐘A信號輸出至相位微躍計1進行駕馭。頻率信號選擇切換器2選擇備用主鐘B信號輸出至相位微躍計2進行駕馭。

原子鐘性能好壞直接影響著整個系統的性能，在系統運行階段需要利用內部鐘差比對數據進行鐘性能分析。鐘性能分析主要實現以下功能：(1)根據原子鐘類型建立原子鐘的數學模型；(2)實時監(jiān)測各原子鐘的準確度和不同采樣周期的頻率穩(wěn)定度；(3)以對數坐標形式顯示各原子鐘頻率穩(wěn)定度圖表；(4)利用鐘性能分析的異常情況自動判斷系統故障等級，并觸發(fā)相應的故障處置預案。

3.4 主鐘頻率駕馭技術

主鐘頻率駕馭原理是利用測量比對分系統采集的光纖時間比對數據，通過主鐘頻率駕馭算法計算頻率控制量，輸入到頻率調整設備即相位微躍計中，修正主鐘的實時物理信號輸出[9]。

主鐘頻率駕馭步驟分解為：(1)獲取光纖時間比對時差；(2)進行光纖比對數據處理；(3)使用駕馭算法，用MC(A)駕馭MC(B)。

駕馭的目的：(1) 使被駕馭的時間尺度MC(B)相對于參考時間尺度MC(A)之間的偏差盡可能??；(2) 使駕馭后產生的時間尺度的長期頻率穩(wěn)定度盡可能得到優(yōu)化。

以MC(A)為參考，對MC(B)的頻率進行調整。在實際控制中，考慮以下兩點：

1) 駕馭量的計算：通過歷史數據計算MC(B)相對于MC(A)的頻率偏差f，理論上，MC(B)的頻率調整量為該頻率偏差f的相反數，即-f。但通常情況下，一次性給予調整量-f會影響到MC(B)的穩(wěn)定性，所以需要將實際調整量均分為多個更小的調整量(-f)/n，分n次對MC(B)進行調整，并實時監(jiān)測MC(B)的運行狀態(tài)。例如，當監(jiān)測到MC(B)相對于MC(A)的頻率偏差f為1×10-14時，可選擇-2×10-15的調整量，對MC(B)進行5次調整，在調整過程中，還需要實時監(jiān)測MC(B)相對于與MC(A)的頻率偏差，以便及時修正調整量。

2) 駕馭周期的選擇：頻繁的調整會對MC(B)的穩(wěn)定度造成一定影響。在實際的輸出控制中，既要考慮到長期穩(wěn)定性，又要考慮短期穩(wěn)定性。為了不破壞MC(B)的穩(wěn)定性，需要根據MC(B)的穩(wěn)定度指標合理確定調整量和調整周期。為了實現MC(B)與實時MC(A)信號的時間偏差保持在2 ns以內，根據主鐘的穩(wěn)定度及漂移特性，MC(B)的調整周期為4次/天，每次的調整量不大于5×10-15，這樣操作使調整過程平穩(wěn)，不影響MC(B)本身的穩(wěn)定度。

2.5 主備路時間同步技術

為了保證MC(B)的穩(wěn)定運行，系統設計了雙路備份機制，主備路為兩套獨立的系統，一主一備并行運行。在主鐘正常運行的情況下，備鐘系統通過對相位微躍計的控制，持續(xù)鎖在主鐘上，保證其頻率和相位與主鐘的一致。主備路的時差采用多通道計數器進行測量，測量準確度為50 ps，通過計算備路MC相對于主路MC的頻率偏差和相位偏差，得到備路MC的頻率/相位調整量，從而利用備路MC的相位微躍計對其進行調整控制。通過設置控制策略，使主備路時間偏差指標可以保證[10]。

主備路時間同步控制流程如圖5所示。

圖5 主備路時間同步控制流程圖Fig.5 Flow chart of main and backup path time synchronization

主備路時間同步控制分為兩部分：初同步模塊、相位/頻率同步模塊。

(1) 初同步模塊是主備鐘同步中第一項要進行的工作，使系統在進入相位/頻率同步模塊前，在短時間內實現相位/頻率的初同步。在系統啟動后，僅執(zhí)行一次。

開始階段，先對測量和控制設備進行設置，主要包括對計數器的測量模式、觸發(fā)電平、計數器網絡通信以及相位微躍計的串口轉以太網通信等進行相關設置。設置完成后，以1 s為間隔，連續(xù)采集多個數據，利用最小二乘算法對該組數據進行擬合，求出斜率a，即備鐘相對于主鐘的頻率偏差為a。利用相位微躍計，給備鐘添加-a的頻率偏差，縮小備鐘相對于主鐘的頻率偏差。

完成頻率同步后，給相位微躍計發(fā)送“SYNC”指令，可實現備鐘在經過相位微躍計后輸出的1 PPS與主鐘輸出的1 PPS實現小于200 ns的相位同步。

(2) 相位/頻率同步模塊可實現主鐘和備鐘間的實時相位同步。利用時間間隔計數器測量主備鐘差，并且通過網絡進行數據采集。對采集的數據進行處理分析，如果鐘差超過閾值，則進入故障檢測模塊。如果主備鐘差數據正常，則需要利用合適的駕馭算法，計算出對備鐘設置的頻率/相位補償量，通過相位微躍計對備鐘進行駕馭。備鐘駕馭的算法如下：

(a) 縮小備鐘相對于主鐘的相位偏差。在相位調整周期，首先獲得當前備鐘相對于主鐘的鐘差，對其進行分析，如果鐘差超過某一門限，則對備路相位微躍計發(fā)送調相指令，消除實際相位差。如果不消除備鐘與主鐘的實際相位差，最終的備鐘與主鐘的相位差值不會歸零。

(b) 預測下一時刻的備鐘頻率相對于主鐘的頻率偏差。在頻率調整周期，對上一周期的備鐘相對于主鐘的鐘差數據，利用最小二乘法做線性擬合，計算出下一時刻的備鐘相對于主鐘的頻率偏差，選擇頻率偏差的負數作為補償量，輸送給備路相位微躍計。

4 性能評估

基于光纖鏈路的實時溯源實驗是通過A、B兩地的光纖時間比對設備使B地實驗室系統產生的時間信號MC(B)實時同步至光纖距離約為5 km的A地實驗室的標準時間MC(A)。選取簡化儒略日MJD為58411-58413(2018年10月20日～2018年10月22日)時間段內進行溯源實驗，溯源后的時差結果如圖6所示。

圖6 溯源時差結果圖Fig.6 The result of traceability time difference

通過圖6可得出，實驗過程中基于光纖鏈路的溯源效果時差大多分布在-0.8～0.8 ns以內，時差控制在正負2 ns以內，滿足系統設計指標要求。

對光纖遠程溯源系統一個月的時差數據(2019年1月)進行穩(wěn)定度分析，圖7為計算得到的Allan方差所表征的穩(wěn)定度曲線，可見日頻率穩(wěn)定度 <7×10-15。

圖7 天頻率穩(wěn)定度Fig.7 The daily frequency stability

同樣選取簡化儒略日MJD為58411-58413(2018年10月20日～2018年10月22日)時間段內進行主備路時間同步實驗。主備的時差結果如圖8所示，可見主備路時差一直控制在0.5 ns以內。

圖8 主備路的時間偏差結果Fig.8 The result of main and backup path time synchronization difference

5 光纖鏈路時間溯源不確定度評定

專用光纖鏈路下，采取雙向時間傳遞機制對時間信號進行傳遞。雙向時間傳遞的不確定度來源主要有發(fā)送設備光調制時延不確定度、接收設備光解調時延不確定度和鏈路不對稱性。

(1) 發(fā)送/接收設備的時延不確定度

發(fā)送與接收設備本身的調制解調時延可在系統搭建前進行校準。將兩臺設備采用短光纖連接，通過時間間隔計數器測量兩臺設備輸出1 PPS信號之間的時差，可將兩臺設備的時延進行精確的測量及校準。

因此，此處時延不確定度很小，僅為校準之后的殘差，小于0.1 ns。

(2) 鏈路不對稱性

雙向的傳遞鏈路通過波分復用的方式在一條光芯內實現。由于采用了單條光芯，因此保證了雙向鏈路的一致性。但由于色散效應，不同波長的光信號在光纖中傳播速度不同，因此依然存在傳遞時間的不對稱性問題。針對色散效應，可通過試驗的方式進行校準。通過測量實際光纖的色散系數，在雙向傳遞的計算公式中，對雙向時延進行修正，修正后的不確定度可在0.9 ns以內。

6 結 論

通過對光纖遠程溯源系統的設計與實現，完成了通過光纖時間比對技術實現本地時間源的時間和遠端高基準時間源進行實時同步。通過比對結果圖表分析，可知溯源精度達到2 ns以內，光纖鏈路時間溯源不確定度評定小于1 ns，驗證了通過光纖時間比對技術進行溯源的準確性、可靠性和實時性，未來可以作為一種遠程高精度溯源手段，得到更廣泛的應用。