基于光纖雙向時(shí)間傳遞實(shí)時(shí)馴服銣鐘的遠(yuǎn)程時(shí)間溯源

方 維, 金尚忠, 陳德好, 梁 坤4,

(1.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院,浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018；3.微納制備與光電子檢測(cè)國(guó)際科技合作基地,浙江 杭州 310018；4.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044；5.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 時(shí)間頻率計(jì)量科學(xué)研究所,北京 100029；6.國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量中心,北京 100029)

1 引 言

隨著秒定義的量子化,“時(shí)間”成為了準(zhǔn)確度最高、應(yīng)用最廣的物理量[1,2]。時(shí)間頻率的高度統(tǒng)一對(duì)人們?nèi)粘Ｉ?、航空航天以及?guó)家經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域都有著十分重要的意義[3～5]。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)基于GNSS時(shí)間頻率傳遞技術(shù)研發(fā)了NIMDO遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置,遠(yuǎn)程溯源至UTC(NIM)的時(shí)間穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度分別優(yōu)于1 ns和3×10-14[6～8]。但大氣時(shí)延誤差和衛(wèi)星移動(dòng)等影響因素很大程度上限制了GNSS(global navigation satellite system,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))時(shí)間頻率傳遞精度,導(dǎo)致NIMDO遠(yuǎn)程溯源精度無法進(jìn)一步提高,而TWOTFT(two way optical fiber time and frequency transfer, 光纖雙向時(shí)間頻率傳遞)相比GNSS時(shí)間頻率傳遞有著更高的精度和穩(wěn)定度[9～12]。2012年,德國(guó)物理技術(shù)研究院展開了光纖鏈路距離為73 km的TWOTFT工作,不確定度低于100 ps[13]。2013年,Olivier Lopez等在承載互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的540 km光纖鏈路也做了類似實(shí)驗(yàn),不確定度為250 ps[14]。2015年,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院通過實(shí)驗(yàn)室光纖和實(shí)際光纖鏈路進(jìn)行TWOTFT實(shí)驗(yàn),時(shí)間穩(wěn)定度為6 ps·s-1和0.9 ps·100 s-1,時(shí)間傳遞不確定度小于200 ps[15]。

本文研究了TWOTFT技術(shù),在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的TWOTFT鏈路基礎(chǔ)上,實(shí)施了對(duì)銣原子鐘的高精密準(zhǔn)實(shí)時(shí)馴服實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了基于TWOTFT的遠(yuǎn)程時(shí)間溯源原理驗(yàn)證。

2 TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源

2.1 TWOTFT

TWOTFT原理如圖1所示,TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)A外部接入時(shí)間頻率源A的頻率信號(hào)和1 PPS(pulse per second)信號(hào)作為參考,TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)B外部接入時(shí)間頻率源B的頻率信號(hào)和1 PPS信號(hào)作為參考。TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)將載有時(shí)間和頻率參考信息的測(cè)距碼調(diào)制到中頻載波上。中頻載波經(jīng)過E/O轉(zhuǎn)換器,將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào),通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的站點(diǎn),然后由遠(yuǎn)程站點(diǎn)的O/E轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)通過光纖從相對(duì)的遠(yuǎn)程站點(diǎn)接收中頻載波,對(duì)調(diào)制的測(cè)距碼進(jìn)行解調(diào),并通過計(jì)數(shù)卡將接收到的1 PPS與參考本地1 PPS進(jìn)行比較。參考和客戶端將時(shí)差比對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地文件中,并通過網(wǎng)絡(luò)將其相互傳輸,從而完成雙向時(shí)間傳遞。

圖1 TWOTFT原理圖

TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)卡測(cè)量的時(shí)差不能真正反映客戶端與參考端間的時(shí)差?？蛻舳伺c參考端的時(shí)差可通過式(1)可獲得。

TSC-TSR=+0.5[TIC-TIR]+0.5[SPC-SPR]

+0.5[TXC-RXC]-0.5[TXR-RXR]

+[CDC-CDR]

(1)

式中:TSC和TSR代表客戶端和參考端的本地參考時(shí)間；TIC和TIR代表客戶端和參考端計(jì)數(shù)卡測(cè)量的時(shí)間計(jì)數(shù)間隔；SPC和SPR代表客戶端和參考端的信號(hào)發(fā)射后的鏈路傳輸延時(shí)；TXC和TXR分別代表客戶端和參考端的信號(hào)發(fā)射延時(shí)；RXC和RXR分別代表客戶端和參考端的信號(hào)接收延時(shí)；CDC和CDR分別代表客戶端和參考端的鏈路校準(zhǔn)延時(shí)。

在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院昌平院區(qū)與和平里院區(qū)之間進(jìn)行TWOTFT實(shí)驗(yàn),TWOTFT鏈路長(zhǎng)約55 km,兩地的參考時(shí)間頻率源分別為UTC(NIM)和UTC(NIM)Hepingli,比對(duì)時(shí)差數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 UTC(NIM)Hepingli-UTC(NIM)時(shí)差圖

2.2 TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源基本原理

TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源是TWOTFT的進(jìn)一步擴(kuò)展和應(yīng)用,其基本原理與GNSS時(shí)間頻率傳遞遠(yuǎn)程時(shí)間溯源相似[16,17]。TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源基本原理如圖3所示。

圖3 TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源原理圖

TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)A和TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)B經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器后通過光纖鏈路相連接,組成TWOTFT鏈路。在客戶端中,TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)A參考到相位微躍系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)輸出,而相位微躍系統(tǒng)參考至待校準(zhǔn)時(shí)間頻率源的時(shí)頻信號(hào)輸出。在參考端中,TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)B參考至參考時(shí)間頻率源的時(shí)頻信號(hào)輸出。

通過TWOTFT實(shí)時(shí)獲得客戶端和參考端的時(shí)間差后,在客戶端的馴服控制系統(tǒng)根據(jù)待校準(zhǔn)時(shí)間頻率源的特性來預(yù)測(cè)客戶端與參考端時(shí)差,并將相位和頻差調(diào)整量等數(shù)據(jù)傳輸給相位微躍系統(tǒng),以對(duì)相位微躍系統(tǒng)輸出的頻率和時(shí)間進(jìn)行調(diào)整,使得客戶端輸出的時(shí)間和參考端參考時(shí)間源的時(shí)差在可接受范圍之內(nèi),從而完成客戶端時(shí)間頻率源的TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源。

3 TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的兩條TWOTFT鏈路基礎(chǔ)上,進(jìn)行了TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源實(shí)驗(yàn), TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接如圖4所示。

圖4 TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源實(shí)驗(yàn)圖

第一條TWOTFT鏈路搭建在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和平里院區(qū),光纖距離長(zhǎng)為30 m,光纖鏈路的兩端分別連接位于和平里院區(qū)的TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)A和TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)C,通過該TWOTFT鏈路可實(shí)時(shí)獲得客戶端中銣原子鐘與UTC(NIM)Hepingli的時(shí)差。第二條TWOTFT鏈路的光纖距離長(zhǎng)約55 km,光纖鏈路兩端分別連接位于和平里院區(qū)和昌平院區(qū)的TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)C和TWOTFT調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)B,通過該TWOTFT鏈路可實(shí)時(shí)獲得UTC(NIM)Hepingli與參考端UTC(NIM)的時(shí)差。通過兩條鏈路時(shí)差比對(duì)得出銣原子鐘與UTC(NIM)的時(shí)差,客戶端的馴服控制系統(tǒng)采用一種類似NIMDO馴服算法的PID馴服算法,PID馴服算法根據(jù)時(shí)差計(jì)算得出相位和頻率調(diào)整量,并將其傳遞給相位微躍系統(tǒng),然后相位微躍系統(tǒng)對(duì)銣原子鐘的頻率和相位進(jìn)行調(diào)整,從而馴服銣原子鐘,將其遠(yuǎn)程時(shí)間溯源至UTC(NIM)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了評(píng)估TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源性能,實(shí)施了對(duì)銣原子鐘的高精密準(zhǔn)實(shí)時(shí)馴服實(shí)驗(yàn),將中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和平里院區(qū)的銣原子鐘遠(yuǎn)程時(shí)間溯源至昌平院區(qū)的UTC(NIM),馴服間隔分別為16,5,1 min?？蛻舳说你溤隅娺h(yuǎn)程時(shí)間溯源后與UTC(NIM)時(shí)差如圖5～圖7所示。

圖5 16 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源時(shí)差圖

圖6 5 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源時(shí)差圖

圖7 1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源時(shí)差圖

對(duì)16、5、1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示(|*|代表客戶端銣原子鐘和UTC(NIM)時(shí)差的絕對(duì)值)。從表1中可以看出隨著溯源時(shí)間間隔縮短,TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源效果得到明顯提高。1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源時(shí),98.67%的時(shí)差絕對(duì)值在0.5 ns內(nèi),總體時(shí)差絕對(duì)值在1 ns以內(nèi)。

表1 時(shí)差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

分別計(jì)算16、5、1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源的時(shí)間穩(wěn)定度TDEV和頻率穩(wěn)定度MDEV,并與16 min GNSS時(shí)間頻率傳遞的銣原子鐘遠(yuǎn)程時(shí)間溯源相比較,時(shí)間穩(wěn)定度TDEV和頻率穩(wěn)定度MDEV如圖8和圖9所示。

從時(shí)間穩(wěn)定度圖8和頻率穩(wěn)定度圖9中看出,16 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源效果明顯優(yōu)于16 min GNSS時(shí)間頻率傳遞遠(yuǎn)程時(shí)間溯源。

圖8 TDEV時(shí)間穩(wěn)定度

圖9 MDEV頻率穩(wěn)定度

隨著溯源時(shí)間間隔的縮短,TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源的時(shí)間穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度總體上也得到不斷提高。16、5、1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源的時(shí)間穩(wěn)定度分別為1×10-10s·d-1、5.2×10-11s·d-1和2.5×10-11s·d-1。16、5、1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源的頻率穩(wěn)定度分別為2.8×10-15d-1、1.0×10-15d-1、5.0×10-16d-1。

4 結(jié) 論

通過研究TWOTFT技術(shù),在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院TWOTFT鏈路的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了TWOTFT實(shí)驗(yàn),完成了UTC(NIM)和UTC(NIM)Hepingli的時(shí)間比對(duì),并實(shí)施了對(duì)銣原子鐘的高精密準(zhǔn)實(shí)時(shí)馴服實(shí)驗(yàn),馴服間隔分別為16、5、1 min,實(shí)現(xiàn)了基于TWOTFT的遠(yuǎn)程時(shí)間溯源原理驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明16 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源效果明顯優(yōu)于16 min GNSS時(shí)間頻率傳遞的銣原子鐘遠(yuǎn)程時(shí)間溯源,而在TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源實(shí)驗(yàn)中,1 min TWOTFT遠(yuǎn)程時(shí)間溯源效果最優(yōu),98.67%的時(shí)差絕對(duì)值在0.5 ns內(nèi),時(shí)間穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度可分別達(dá)到2.5×10-11s·d-1和5.0×10-16d-1。