周 兵,龔 航

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094; 2.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星與地面鐘差、各地面站時(shí)間同步測(cè)量精度的要求不斷提高,地面運(yùn)控系統(tǒng)對(duì)主控站和注入站的時(shí)間和頻率也提出更高的要求,主控站、注入站內(nèi)包含中心節(jié)點(diǎn)機(jī)房和若干末節(jié)點(diǎn)機(jī)房，要求時(shí)頻系統(tǒng)傳輸?shù)礁鱾€(gè)系統(tǒng)末節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻信號(hào)具有與中心節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)母叻€(wěn)定度、低相位噪聲和時(shí)間延遲一致性。通常主控站設(shè)備采取集中布設(shè),時(shí)頻系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的傳輸距離不超過(guò)100 m,時(shí)頻系統(tǒng)通過(guò)電纜將各系統(tǒng)所需的多路時(shí)頻信號(hào)傳送到各個(gè)末節(jié)點(diǎn)使用。近年來(lái)城市建設(shè)快速發(fā)展,主控站周邊的高層建筑遮擋了地面站天線對(duì)低仰角衛(wèi)星的有效觀測(cè),電磁環(huán)境的日趨惡化降低了衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量的精度,這些對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

如果將主控站信號(hào)收發(fā)測(cè)量設(shè)備放置在距離城市較遠(yuǎn)區(qū)域,可以有效解決城市高層建筑物遮擋、電磁環(huán)境惡化和城市用地緊張等問(wèn)題。而要實(shí)現(xiàn)主控站設(shè)備遠(yuǎn)距離分布結(jié)構(gòu),必須解決主控站時(shí)間和頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)幾公里或上百公里傳輸,在末節(jié)點(diǎn)使用仍然具有與主控站時(shí)頻信號(hào)相同的高穩(wěn)定度、低相位噪聲和時(shí)間延遲一致性的難題。傳統(tǒng)的通過(guò)電纜遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)帶來(lái)傳輸損耗大、信號(hào)不穩(wěn)定而無(wú)法滿足使用要求,采用光纜將主控站與遠(yuǎn)端設(shè)備相連接的方法,可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

采用光纖有線鏈路傳輸,與衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)(TWSTFT)[1-2]、衛(wèi)星共視(CV)[3-4]等方法相比,沒(méi)有大氣傳播延時(shí)等模型修正誤差,通過(guò)雙向比對(duì)可以有效克服環(huán)境溫度變化和傳輸設(shè)備老化對(duì)時(shí)間傳遞精度產(chǎn)生的影響，因而光纖時(shí)間同步精度相比前兩種方法都要高。因?yàn)槭怯芯€傳輸,受光纖傳輸距離限制,該方法目前主要用于在100 km以內(nèi)的站點(diǎn)之間進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞[5-6],常用于地面運(yùn)控系統(tǒng)大型地面站的分布站與中心站之間的時(shí)間同步。

1 實(shí)現(xiàn)原理

光纖時(shí)間同步法的原理為,在光纖內(nèi)進(jìn)行雙向傳輸時(shí)間比對(duì)信號(hào),利用雙向比對(duì)抵消鏈路傳輸延時(shí),由于雙向同時(shí)傳輸,可以抵消掉光纖傳輸路徑上的環(huán)境溫度影響,從而實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。

主機(jī)房中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻信號(hào)與遠(yuǎn)端機(jī)房單個(gè)末節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑O(shè)備組成如圖1所示。

圖中主機(jī)房A與末節(jié)點(diǎn)B分別以本地鐘面時(shí)互發(fā)信號(hào),被對(duì)方接收,從而測(cè)得兩個(gè)時(shí)延值,兩個(gè)時(shí)延值之差即為兩地鐘相對(duì)鐘差觀測(cè)量。

主機(jī)房A與末節(jié)點(diǎn)B之間相對(duì)鐘差ΔTAB可表示為

圖1 主機(jī)房與遠(yuǎn)端機(jī)房光纖傳輸設(shè)備組成框圖

(1)

主機(jī)房時(shí)頻系統(tǒng)產(chǎn)生高精度的時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)1 PPS和10 MHz,其中光電發(fā)送單元將10 MHz信號(hào)調(diào)制在光載波上,通過(guò)光纖傳輸?shù)侥┕?jié)點(diǎn)。時(shí)間傳遞信號(hào)產(chǎn)生單元以1 PPS信號(hào)為時(shí)間基準(zhǔn)控制10 MHz信號(hào)產(chǎn)生包含時(shí)間信息的擴(kuò)頻碼,通過(guò)光電發(fā)送單元調(diào)制在光載波上傳輸?shù)侥┕?jié)點(diǎn)。時(shí)間傳遞信號(hào)恢復(fù)單元將末節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街鳈C(jī)房的包含時(shí)間信息的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解調(diào),提取出末節(jié)點(diǎn)的1 PPS信號(hào),通過(guò)時(shí)間比對(duì)單元測(cè)量出主機(jī)房與末節(jié)點(diǎn)1 PPS信號(hào)的時(shí)差,并將該測(cè)量結(jié)果調(diào)制在擴(kuò)頻碼上發(fā)送到末節(jié)點(diǎn)。

末節(jié)點(diǎn)光電接收單元同時(shí)接收10 MHz頻率信號(hào)和擴(kuò)頻碼時(shí)間信號(hào)。由于遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)頻率信號(hào)穩(wěn)定度、相噪、信號(hào)幅度等指標(biāo)影響較大,因此末節(jié)點(diǎn)頻率信號(hào)恢復(fù)單元具備了相位噪聲凈化功能,可以恢復(fù)出與主機(jī)房相位噪聲和短期穩(wěn)定度相同的頻率信號(hào),而長(zhǎng)期穩(wěn)定度則鎖定在主機(jī)房傳到末節(jié)點(diǎn)的10 MHz頻率信號(hào)上。時(shí)間傳遞信號(hào)恢復(fù)單元、時(shí)間信號(hào)比對(duì)單元和時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生單元的功能與主機(jī)房設(shè)備相同,完成末節(jié)點(diǎn)與主機(jī)房1 PPS信號(hào)的比對(duì)和時(shí)差測(cè)量數(shù)據(jù)的雙向發(fā)送。

主機(jī)房與末節(jié)點(diǎn)設(shè)備交換雙向比對(duì)測(cè)量結(jié)果后,由式(1)可以計(jì)算出兩個(gè)站點(diǎn)的鐘差,末節(jié)點(diǎn)根據(jù)鐘差計(jì)算結(jié)果調(diào)整本地生成的1 PPS相位,從而可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)房與末節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)上述原理研制了原理樣機(jī),如圖2、圖3所示利用樣機(jī)開展了時(shí)頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)尿?yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接關(guān)系如圖4所示。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備樣機(jī)

圖3 末節(jié)點(diǎn)設(shè)備樣機(jī)

圖4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)連接框圖

中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)設(shè)備均放置在主機(jī)房?jī)?nèi),利用銣鐘作為中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)間頻率基準(zhǔn),中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)通過(guò)光纖進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì),實(shí)現(xiàn)時(shí)頻基準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離傳輸。通過(guò)將末節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)同步后恢復(fù)的1 PPS與銣鐘的1 PPS進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證時(shí)間傳輸性能;通過(guò)測(cè)量末節(jié)點(diǎn)恢復(fù)輸出的10 MHz的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo),驗(yàn)證頻率傳輸性能。

2.1 時(shí)間傳輸實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用1 km光纖,進(jìn)行24 h比對(duì)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)的單向時(shí)延

圖6 中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步結(jié)果

圖5中正向時(shí)延為末節(jié)點(diǎn)的時(shí)間比對(duì)模塊測(cè)得的中心節(jié)點(diǎn)至末節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延,反向時(shí)延為中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)間比對(duì)模塊測(cè)得的末節(jié)點(diǎn)至中心節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延。從圖5的結(jié)果可以看出,正向時(shí)延與反向時(shí)延變化基本一致,說(shuō)明了光纖鏈路的對(duì)稱性。由于存在發(fā)射時(shí)延與接收時(shí)延等通道零值,正向時(shí)延與反向時(shí)延之間存在一定系統(tǒng)偏差,中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步時(shí)可以通過(guò)時(shí)延標(biāo)定消除零值的影響。

圖6示出了中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)同步以后,利用圖卻中SR620測(cè)得的末節(jié)點(diǎn)輸出1 PPS與中心節(jié)點(diǎn)輸入1 PPS之間的相位差。從圖6的結(jié)果可以看出,利用本文的光纖雙向時(shí)間同步方法可以實(shí)現(xiàn)高精度的遠(yuǎn)距離時(shí)間同步,24 h相位波動(dòng)小于0.2 ns.

2.2 頻率傳輸實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

利用圖4實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量末節(jié)點(diǎn)輸出10 MHz信號(hào)的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo)如表1和表2所示。其中頻率穩(wěn)定度的傳輸插損定義為

(2)

相位噪聲的傳輸插損定義為

L(f)=Lo(f)-Li(f),

(3)

式中:Li(f)為中心節(jié)點(diǎn)輸入頻率基準(zhǔn)信號(hào)的相位噪聲;Lo(f)為末節(jié)點(diǎn)輸出頻率信號(hào)的相位噪聲。

表1 末節(jié)點(diǎn)輸出10 MHz信號(hào)的頻率穩(wěn)定度

表2 末節(jié)點(diǎn)輸出10 MHz信號(hào)的相位噪聲

從表1和表2的結(jié)果可以看出,利用本方法可以實(shí)現(xiàn)高精度頻率信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。頻率穩(wěn)定度傳輸插損小于0.4,說(shuō)明傳輸插損遠(yuǎn)低于輸入信號(hào)指標(biāo),對(duì)穩(wěn)定度指標(biāo)傳遞基本不會(huì)造成影響;相位噪聲傳輸插損小于2 dB,對(duì)相位噪聲指標(biāo)傳遞影響很小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了一種通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間頻率遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆椒?描述了該方法的實(shí)現(xiàn)原理,并利用原理樣機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明利用本文方法可以實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸,1 km距離時(shí)間傳遞精度優(yōu)于0.2 ns.本文為大型地面站的高精度時(shí)頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸提供了一種較為有效的方法。

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