周 兵,龔 航

(1.北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094; 2.國防科技大學電子科學與工程學院,湖南 長沙 410073)

0 引 言

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)對衛(wèi)星與地面鐘差、各地面站時間同步測量精度的要求不斷提高,地面運控系統(tǒng)對主控站和注入站的時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)點機房和若干末節(jié)點機房，要求時頻系統(tǒng)傳輸?shù)礁鱾€系統(tǒng)末節(jié)點的時頻信號具有與中心節(jié)點相當?shù)母叻€(wěn)定度、低相位噪聲和時間延遲一致性。通常主控站設(shè)備采取集中布設(shè),時頻系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的傳輸距離不超過100 m,時頻系統(tǒng)通過電纜將各系統(tǒng)所需的多路時頻信號傳送到各個末節(jié)點使用。近年來城市建設(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低仰角衛(wèi)星的有效觀測,電磁環(huán)境的日趨惡化降低了衛(wèi)星信號測量的精度,這些對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成嚴重影響。

如果將主控站信號收發(fā)測量設(shè)備放置在距離城市較遠區(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題。而要實現(xiàn)主控站設(shè)備遠距離分布結(jié)構(gòu),必須解決主控站時間和頻率信號經(jīng)過幾公里或上百公里傳輸,在末節(jié)點使用仍然具有與主控站時頻信號相同的高穩(wěn)定度、低相位噪聲和時間延遲一致性的難題。傳統(tǒng)的通過電纜遠距離傳輸會帶來傳輸損耗大、信號不穩(wěn)定而無法滿足使用要求,采用光纜將主控站與遠端設(shè)備相連接的方法,可以很好地解決這個問題。

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

1 實現(xiàn)原理

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

主機房中心節(jié)點的時頻信號與遠端機房單個末節(jié)點遠距離傳輸?shù)脑O(shè)備組成如圖1所示。

圖中主機房A與末節(jié)點B分別以本地鐘面時互發(fā)信號,被對方接收,從而測得兩個時延值,兩個時延值之差即為兩地鐘相對鐘差觀測量。

主機房A與末節(jié)點B之間相對鐘差ΔTAB可表示為

圖1 主機房與遠端機房光纖傳輸設(shè)備組成框圖

(1)

主機房時頻系統(tǒng)產(chǎn)生高精度的時頻基準信號1 PPS和10 MHz,其中光電發(fā)送單元將10 MHz信號調(diào)制在光載波上,通過光纖傳輸?shù)侥┕?jié)點。時間傳遞信號產(chǎn)生單元以1 PPS信號為時間基準控制10 MHz信號產(chǎn)生包含時間信息的擴頻碼,通過光電發(fā)送單元調(diào)制在光載波上傳輸?shù)侥┕?jié)點。時間傳遞信號恢復單元將末節(jié)點傳輸?shù)街鳈C房的包含時間信息的擴頻碼進行解調(diào),提取出末節(jié)點的1 PPS信號,通過時間比對單元測量出主機房與末節(jié)點1 PPS信號的時差,并將該測量結(jié)果調(diào)制在擴頻碼上發(fā)送到末節(jié)點。

末節(jié)點光電接收單元同時接收10 MHz頻率信號和擴頻碼時間信號。由于遠距離傳輸對頻率信號穩(wěn)定度、相噪、信號幅度等指標影響較大,因此末節(jié)點頻率信號恢復單元具備了相位噪聲凈化功能,可以恢復出與主機房相位噪聲和短期穩(wěn)定度相同的頻率信號,而長期穩(wěn)定度則鎖定在主機房傳到末節(jié)點的10 MHz頻率信號上。時間傳遞信號恢復單元、時間信號比對單元和時間信號產(chǎn)生單元的功能與主機房設(shè)備相同,完成末節(jié)點與主機房1 PPS信號的比對和時差測量數(shù)據(jù)的雙向發(fā)送。

主機房與末節(jié)點設(shè)備交換雙向比對測量結(jié)果后,由式(1)可以計算出兩個站點的鐘差,末節(jié)點根據(jù)鐘差計算結(jié)果調(diào)整本地生成的1 PPS相位,從而可以實現(xiàn)主機房與末節(jié)點之間的時間同步。

2 驗證實驗與結(jié)果分析

根據(jù)上述原理研制了原理樣機,如圖2、圖3所示利用樣機開展了時頻信號遠距離傳輸?shù)尿炞C實驗。實驗平臺連接關(guān)系如圖4所示。

圖2 中心節(jié)點設(shè)備樣機

圖3 末節(jié)點設(shè)備樣機

圖4 驗證實驗連接框圖

中心節(jié)點與末節(jié)點設(shè)備均放置在主機房內(nèi),利用銣鐘作為中心節(jié)點的時間頻率基準,中心節(jié)點與末節(jié)點通過光纖進行雙向時間比對,實現(xiàn)時頻基準的遠距離傳輸。通過將末節(jié)點經(jīng)過同步后恢復的1 PPS與銣鐘的1 PPS進行比對,驗證時間傳輸性能;通過測量末節(jié)點恢復輸出的10 MHz的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標,驗證頻率傳輸性能。

2.1 時間傳輸實驗與結(jié)果

實驗時采用1 km光纖,進行24 h比對測試,測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 中心節(jié)點與末節(jié)點的單向時延

圖6 中心節(jié)點與末節(jié)點時間同步結(jié)果

圖5中正向時延為末節(jié)點的時間比對模塊測得的中心節(jié)點至末節(jié)點的傳輸時延,反向時延為中心節(jié)點的時間比對模塊測得的末節(jié)點至中心節(jié)點的傳輸時延。從圖5的結(jié)果可以看出,正向時延與反向時延變化基本一致,說明了光纖鏈路的對稱性。由于存在發(fā)射時延與接收時延等通道零值,正向時延與反向時延之間存在一定系統(tǒng)偏差,中心節(jié)點與末節(jié)點時間同步時可以通過時延標定消除零值的影響。

圖6示出了中心節(jié)點與末節(jié)點同步以后,利用圖卻中SR620測得的末節(jié)點輸出1 PPS與中心節(jié)點輸入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間同步方法可以實現(xiàn)高精度的遠距離時間同步,24 h相位波動小于0.2 ns.

2.2 頻率傳輸實驗與結(jié)果

利用圖4實驗平臺測量末節(jié)點輸出10 MHz信號的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標如表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)點輸入頻率基準信號的相位噪聲;Lo(f)為末節(jié)點輸出頻率信號的相位噪聲。

表1 末節(jié)點輸出10 MHz信號的頻率穩(wěn)定度

表2 末節(jié)點輸出10 MHz信號的相位噪聲

從表1和表2的結(jié)果可以看出,利用本方法可以實現(xiàn)高精度頻率信號的遠距離傳輸。頻率穩(wěn)定度傳輸插損小于0.4,說明傳輸插損遠低于輸入信號指標,對穩(wěn)定度指標傳遞基本不會造成影響;相位噪聲傳輸插損小于2 dB,對相位噪聲指標傳遞影響很小。

3 結(jié)束語

本文討論了一種通過光纖實現(xiàn)高精度時間頻率遠距離傳輸?shù)姆椒?描述了該方法的實現(xiàn)原理,并利用原理樣機搭建實驗平臺進行了驗證實驗,結(jié)果表明利用本文方法可以實現(xiàn)高精度時頻信號的遠距離傳輸,1 km距離時間傳遞精度優(yōu)于0.2 ns.本文為大型地面站的高精度時頻信號的遠距離傳輸提供了一種較為有效的方法。

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