彭 麗，王正勇，王崇陽

(1.中國人民解放軍93160部隊，北京 100071；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

時間頻率是驅動電子信息系統(tǒng)工作的“心臟”和影響系統(tǒng)性能的重要基礎。隨著新一代綜合電子信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，廣域、分布式、高精度時間比對技術成為決定大型分布式電子信息系統(tǒng)能力提升的瓶頸[1-4]。利用光纖網(wǎng)進行高精度時間信號比對是一種經濟、有效的解決方法，光纖以其損耗低、帶寬大、抗電磁干擾、鏈路穩(wěn)定等優(yōu)勢被認為非常適合用于時間信號的傳輸，尤其是遠距離光纖雙向時間比對信號傳輸[5]。現(xiàn)有遠程時間比對方法中衛(wèi)星共視法、衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞(TWSTFT)等方法能達到的比對精度已經不能滿足日益提高的時頻測量需求[6-7]，因此研究利用光纖進行高精度時間比對，被認為是地基遠程時間頻率同步非常有潛力的發(fā)展方向。

光纖雙向時間比對是一種采用“單纖雙向”傳輸體制時間比對方法，采用不同波長在同一根光纖中進行雙向傳遞。由于在信號往返鏈路上都受到相同的環(huán)境變化，因此可以認為環(huán)境變化引起的往返鏈路時延變化是相同的。曾文宏博士在論文中介紹了光纖雙向時間比對實驗，采用德國Timetech公司SATRE終端在25 km的光纖鏈路上開展了同源雙向時間比對實驗，在16天的長期實驗中單向時延波動最大為2 ns，雙向時間比對精度為83 ps，時延波動大部分被消除[8]。為了精確測量漢諾威的一臺主動型氫鐘輸出的1 PPS和德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB)維持的協(xié)調世界時(UTC)之間的時間差， PTB利用兩地的73 km光纖鏈路開展了光纖雙向時間比對實驗，時間比對精度優(yōu)于73 ps[9]。上海交通大學王蘇北等人也在實驗室內的50 km光纖鏈路上進行了雙向時間比對實驗，獲得了優(yōu)于55 ps的比對精度[10]。

本文設計了一種基于雙向偽碼測距的光纖時間比對技術，通過對國產化衛(wèi)星雙向時間比對系統(tǒng)進行改造設計，利用雙向光收發(fā)鏈路替代衛(wèi)星雙向轉發(fā)鏈路，在同一根光纖進行雙向時間信號的傳遞試驗，實現(xiàn)了105 km光纖雙向時間比對，經分析時間比對精度優(yōu)于30 ps。

1 基于偽碼測距的雙向時間比對原理

1.1 基本原理

基于精密偽碼測距雙向時間比對的基本原理[11-12]是：地面站A在時刻TA向地面站B發(fā)射測距信號，該信號被地面站B接收設備在TBr時刻接收；而地面站B在TA+ΔTAB時刻向地面站A發(fā)射測距時標，該信號時標被地面站B在TAr時刻接收，在地面站A或B將將兩個觀測數(shù)據(jù)求差獲得站A和站B間的鐘差；當兩地粗同步鐘差ΔTAB引起的兩地傳輸路徑差可以忽略不計時，兩地所測偽距之差即為AB鐘差ΔtAB。具體過程為：地面站A時間為TA，地面站B時間為TB，則兩地鐘差為：ΔtAB=TA-TB。

A、B兩站均在本地原子鐘控制下發(fā)射測距信號，對方接收相應時刻的時標信號進行偽距測量，偽距表達式為：

ρA=TA-TAr，

ρB=TB-TBr,

式中，ρA為站A所測偽距；ρB為 站B所測偽距；TAr為站A接收站B信號偽距時刻；TBr為站B接收站A信號偽距時刻。

根據(jù)偽距定義和上述假設條件，有：

TAr=R0/c+ΔTAB+TA，

TBr=R0/c-ΔTAB+TB,

式中，R0為A、B站空間距離；c為光速。

經上式運算可得：

ρA-ρB=2(TA-TB)=2ΔTAB≈2ΔtAB。

1.2 光纖雙向時間比對試驗系統(tǒng)

光纖雙向時間比對試驗系統(tǒng)具體來說是一種“單纖雙向雙波長”傳輸體制的雙向時間比對系統(tǒng)，如圖1所示。時間比對基帶設備A通過接收地面站A輸出的1 PPS、10 MHz等時頻信號產生站間時間同步校準中頻信號A，中頻信號由光發(fā)射設備A完成電光轉換，并經由光纖雙向傳輸設備傳入站間光纖鏈路；位于地面站B的光纖雙向傳輸設備B將傳過來的光學擴頻信息輸入到光接收設備B，時間比對基帶設備B通過接收地面站A發(fā)射的站間時間同步校準信號，進行測量，完成地面站A→地面站B的時差測量,由地面站B→地面站A的時差測量與其過程相似。

圖1 光纖雙向時間比對試驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of two-way time comparison test system through optical fiber

光纖雙向時間比對往返鏈路使用同一根光纖，避免了往返鏈路上的光纖在物理上的不對稱性。光發(fā)射設備A和B使用兩個波長間隔為100 GHz的波長[13-14]。

光纖雙向時間比對試驗系統(tǒng)是在已有國產衛(wèi)星雙向時間比對系統(tǒng)進行改造，工作原理與衛(wèi)星雙向時間比對系統(tǒng)相同，只是在衛(wèi)星雙向時間比對系統(tǒng)的基礎上使用光纖雙向傳輸鏈路代替射頻信道，如圖2所示。

圖2 光纖傳輸鏈路與衛(wèi)星傳輸鏈路對比圖Fig.2 Comparative diagram of optical fiber transmission link and satellite transmission link

利用電光轉換器、光電轉換器及光纖環(huán)行器等光學器件在兩個雙向收發(fā)終端之間搭建光纖雙向傳輸鏈路。近端雙向收發(fā)終端輸出的70 MHz擴頻信息依次經過激光器、光隔離器、光環(huán)行器和探測器最終被遠端的雙向收發(fā)終端接收解碼獲得時間信息，遠端雙向收發(fā)終端輸出的70 MHz擴頻經過相同的路徑到達近端接收解碼，該系統(tǒng)使用同一個時頻基準源(原子鐘)。

1.3 光纖雙向時間比對數(shù)據(jù)處理

圖3為光纖雙向時間比對的算法處理流程圖。由圖可見，光纖雙向時間比對數(shù)據(jù)處理中的主要誤差源為設備時延誤差和光纖色散誤差，通過合理的設備硬件設計并進行設備時延的校準，能夠有效地控制設備時延，光纖色散誤差計算可根據(jù)光纖色散數(shù)據(jù)進行計算。

圖3 光纖雙向時間比對數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Data processing diagram of two-way time comparison system through optical fiber

2 試驗驗證

基于光纖雙向時間比對試驗系統(tǒng)，在實驗室105 km的光纖鏈路上，對光纖雙向時間比對精度指標進行了測試，時間比對基帶設備輸出的中頻調制信號為70 MHz，偽碼速率為20 Mcps，地面站A端發(fā)射光信號波長為1 551.72 nm，接收光信號波長為1 552.52 nm，地面站B端發(fā)射光信號為1 552.52 nm，接收光信號的波長為1 551.72 nm。地面站A→B的偽距測量值ρA與B→A的偽距測量數(shù)據(jù)ρB如圖4所示，測試時間為6天。

從圖4中可以分析，偽距測量值ρA與ρB都隨著時間的變化而變化，且變化趨勢基本相同，由于采用了單纖雙向的比對信號傳輸體制，光纖鏈路所處環(huán)境溫度的變化對測量值的變化趨勢起到了主要作用，隨著測試環(huán)境溫度變化，光纖的折射率也隨時間(溫度)發(fā)生變化，從而導致ρA與ρB隨著時間變化，但由于采用了單纖雙向的信號傳輸方式， 溫度對ρA與ρB影響是一致的。一個高峰和低谷代表了晝夜環(huán)境溫度變化引起的時延波動，在6天的測試時間內偽距測量值的變化范圍低于5.5 ns。

根據(jù)基于偽碼測距的雙向時間比對原理，A、B兩地的鐘差為：

根據(jù)圖4中偽距測量數(shù)據(jù)，計算得出光纖雙向時間比對鐘差數(shù)據(jù)如圖5所示，均值為142.03 ps，峰峰值為170.75 ps，方差為28.68 ps。由圖5分析可知，雖然采用單纖雙向的傳輸方式使用同一根光纖傳輸時間比對信號，但105 km的光纖雙向時間比對鐘差數(shù)據(jù)仍有接近150 ps的時延差，主要是在色散誤差修正、設備時延標定后剩余的殘差數(shù)據(jù)。

圖4 105 km光纖雙向時間比對偽距測量值Fig.4 Pseudo-range measurement value of two-way time comparison system through 105 km optical fiber

圖5 105 km光纖雙向時間比對鐘差測量值Fig.5 Clock difference measurement value of two-way time comparison system through 105 km optical fiber

3 結論

本文對基于雙向偽碼測距的光纖雙向時間比對技術進行了研究，并通過設計試驗系統(tǒng)對基于105 km的光纖雙向時間比對鏈路測量精度進行了評估。經過6天的實驗室測試，鏈路時延標定后的時間比對偏差為142.03 ps，實測光纖雙向時間比對精度為28.68 ps，實驗結果表明光纖鏈路受環(huán)境變化(溫度等)引起的時延波動幾乎被完全抵消。該項技術可為分布式全相參雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、深空測控系統(tǒng)等提供高精度時間同步服務。