謝 勇，趙大勇，袁 媛，楊 軍

（1.中國人民解放軍 93216 部隊，北京 100085；2.北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

可用于精密原子時標遠程溯源的技術(shù)手段主要有衛(wèi)星共視時間比對技術(shù)、衛(wèi)星雙向時間比對技術(shù)和光纖雙向時間比對技術(shù)3 種。 各守時機構(gòu)均構(gòu)建了基于衛(wèi)星共視時間比對的溯源系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)參考端標準時間，衛(wèi)星共視時間比對技術(shù)較衛(wèi)星雙向時間比對技術(shù)性能較差，無法作為高精度溯源手段。 衛(wèi)星雙向時間比對通過租用GEO 衛(wèi)星的微波頻率轉(zhuǎn)發(fā)器信道在兩地間建立雙向時間比對傳輸鏈路，費用較高。 光纖雙向時間比對技術(shù)［1－3］利用光纖進行時間比對極大的節(jié)約了成本，且比對性能得到大幅提升，不僅高于衛(wèi)星共視時間比對，也高于衛(wèi)星雙向時間比對，采用該技術(shù)搭建溯源系統(tǒng)能夠有效的復(fù)現(xiàn)遠端標準時間。 本文設(shè)計和實現(xiàn)了基于光纖雙向時間比對技術(shù)的遠程溯源系統(tǒng)，采用原子頻標駕馭算法對光纖雙向時間比對的結(jié)果進行處理，并對本地時間源進行馴服，從而實現(xiàn)了時間偏差優(yōu)于1 ns 以及日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5E－15 的溯源指標。 同時為了提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，研究主備路時間同步技術(shù)，搭建主備路同步驗證平臺，實現(xiàn)主備路時差優(yōu)于0.3 ns。

2 系統(tǒng)工作原理

光纖雙向時間比對溯源系統(tǒng)包括原子鐘分系統(tǒng)、時差測量分系統(tǒng)、駕馭控制分系統(tǒng)和監(jiān)控分系統(tǒng)，遠程標準時間位于A 地，本地原子時標位于B地，在A、B 兩地實驗室分別部署一臺光纖雙向時間比對設(shè)備，通過兩地間的光纖鏈路實現(xiàn)高精度雙向時間比對。 光纖雙向時間比對溯源系統(tǒng)的工作原理圖如圖1 所示。

圖1 光纖雙向時間比對溯源系統(tǒng)組成與工作原理圖Fig.1 Composition and theory of traceability system based on optical fiber two?way time comparison

B 地原子鐘分系統(tǒng)包括氫銫原子鐘、相位微躍計、無損切換器、秒信號分配器和頻率信號分配器組成，用于產(chǎn)生本地標準時間，并輸出10 MHz、1PPS時頻基準信號。 相位微躍計為頻率調(diào)整裝置，實現(xiàn)B地主路原子時標向A 地溯源。 為保證標準時間產(chǎn)生的穩(wěn)定性，設(shè)備均采用雙機熱備的工作方式。

時差測量分系統(tǒng)包括2 臺多通道比相儀、2 臺多通道時間間隔測量儀和1 套光纖雙向時間比對設(shè)備，主要用于系統(tǒng)內(nèi)時間頻率信號測量和時間比對。 多通道比相儀和多通道時間間隔測量儀還可以對10 MHz 信號、1PPS 信號的異常情況進行監(jiān)測，包括跳頻、跳相和無數(shù)據(jù)等情形。

駕馭控制分系統(tǒng)包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集軟件和綜合處理軟件，主要完成各類原始數(shù)據(jù)的計算處理、駕馭控制。 數(shù)據(jù)采集軟件實時獲取設(shè)備工作狀態(tài)信息和測量數(shù)據(jù)；綜合處理軟件對各種原始數(shù)據(jù)進行處理，計算和發(fā)送調(diào)整量。

監(jiān)控分系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)控軟件和交換機，用于對全系統(tǒng)的各項狀態(tài)信息進行監(jiān)控。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 采用偽碼測距的光纖雙向時間比對

光纖雙向時間比對技術(shù)已經(jīng)成為遠程時間比對的重要手段，相關(guān)技術(shù)研究也取得了很大的進展。

采用的光纖雙向時間比對技術(shù)基于偽碼測距進行時間比對，經(jīng)過光纖物理鏈路，消除環(huán)境對于鏈路時延的影響，保證傳輸鏈路的對稱性，實現(xiàn)高精度的雙向時間比對［4］，技術(shù)原理如圖2 所示。

圖2 基于偽碼測距的光纖雙向時間比對原理圖Fig.2 Theory of fiber two?way time comparison based on pseudo code ranging

采用基于偽碼測距進行光纖雙向時間比對的原理如下：

1）A 站參考源的10.23 MHz 和1PPS 信號輸入信號產(chǎn)生模塊輸出偽隨機碼，參考源的10 MHz 信號進入本振模塊產(chǎn)生70 MHz 中頻信號；

2）中頻調(diào)制模塊用于在70 MHz 載波上調(diào)制輸出擴頻信號；

3）光調(diào)制器A 將電信號調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號（波長λ1），半導(dǎo)體激光器A 發(fā)射光信號到光環(huán)行器A（端口1），端口2 為光纖注入口；

4）經(jīng)過光纖鏈路后光信號進入光環(huán)形器B 的端口2，從端口3 輸出后再進入光電探測器B；

5）光電探測器B 用于將光信號光電轉(zhuǎn)換成70 MHz電信號；

6）70 MHz 電信號進入時間信號接收單元（B站）譯碼輸出得到測量數(shù)據(jù)TAB。 同理由B 站傳遞時間信號到A 站后由時間信號接收單元（A 站）譯碼輸出得到測量數(shù)據(jù)TBA。

設(shè)A 站發(fā)射偽碼測距信號的時刻為TA，B 站發(fā)射偽碼測距信號的時刻為TB，兩站時鐘的瞬時鐘差ΔT＝TB－TA，則：

計算得到A、B 兩地的鐘差。 光纖時間比對技術(shù)可以達到較高的比對結(jié)果，優(yōu)于1 ns。 所以，采用光纖時間比對用于A 站和B 站之間的時間比對。

3.2 光纖雙向時間比對數(shù)據(jù)預(yù)處理

光纖鏈路及設(shè)備外界環(huán)境的干擾使系統(tǒng)得到的時間比對結(jié)果存在噪聲，無法正確反映兩地原子鐘的參數(shù)性能，需要對比對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。 預(yù)處理主要包括異常探測與修正，流程如圖3 所示。 異常檢測與修正是采用野值判斷與剔除的方法，當系統(tǒng)檢測到比對數(shù)據(jù)長時間超過閾值，例如鏈路載噪比降低引起比對結(jié)果過大，則監(jiān)控界面告警提示并存儲告警日志，便于分析故障原因［5］。

圖3 光纖比對數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Data processing flowchart of optical fiber comparison

3.3 原子鐘評估與主鐘優(yōu)選

原子鐘分系統(tǒng)包括3 臺氫原子鐘，在系統(tǒng)運行初期階段，先通過監(jiān)測3 臺氫鐘性能評比選出主鐘、備用主鐘。 評比方法是使用多通道比相儀和多通道時間間隔測量儀測量3 臺氫鐘輸出的頻率信號和脈沖信號。

多通道比相儀測量3 臺氫鐘輸出10 MHz 的相位差，多通道時間間隔測量儀測量氫鐘輸出1PPS信號的相位差，使用測量的相位差數(shù)據(jù)計算得到兩兩互比的1 s，10 s，100 s，1 000 s，10 000 s 穩(wěn)定度和1 d 穩(wěn)定度，根據(jù)“三角帽法”，計算得出3 臺氫鐘各自的穩(wěn)定度［6］。

原子鐘評估的流程如下：

1）利用預(yù)處理后的鐘差數(shù)據(jù)進行原子鐘建模；

2）計算各原子鐘兩兩之間的頻率穩(wěn)定度，采用三源互比算法得到每個原子鐘的頻率穩(wěn)定度；

3）利用鐘性能分析結(jié)果進行監(jiān)視，性能出現(xiàn)異常的原子鐘彈出告警。

3.4 主鐘駕馭技術(shù)

主鐘駕馭技術(shù)原理是通過主鐘駕馭算法利用光纖比對數(shù)據(jù)計算出頻率調(diào)整量，發(fā)送給相位微躍計，駕馭產(chǎn)生實時頻率和脈沖信號［7］。

主鐘駕馭的流程為：

1）讀取數(shù)據(jù)庫中存儲的光纖雙向時間比對結(jié)果數(shù)據(jù)；

2）對光纖雙向時間比對時差數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；

3）使用駕馭控制算法計算得到的調(diào)整量對B站主鐘進行駕馭，通過實時監(jiān)測B 站與A 站之間的時差并對相位微躍計進行控制，可以保證與A 站UTC（A）的一致性。

記ti時刻B 地與A 地之間的時差為：

由式（6）計算得到鐘速差k是利用相位微躍計進行輸出信號調(diào)整的基本依據(jù)。 調(diào)整策略一般采用定時調(diào)整方式，根據(jù)系統(tǒng)要求的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標，設(shè)計合適的調(diào)整周期及調(diào)整量閾值。

調(diào)整前首先判斷溯源業(yè)務(wù)是否開啟，若開啟則代表當前系統(tǒng)的溯源參考源為外部比對數(shù)據(jù)，若未開啟則代表系統(tǒng)為自主守時模式。 設(shè)置調(diào)整周期，系統(tǒng)將根據(jù)周期自動計算頻率調(diào)整量，并完成對UTC（B）的實時控制。 系統(tǒng)能夠靈活控制頻率控制量的最大門限，還可以手動輸入調(diào)整指令。

3.5 主備路時間同步技術(shù)

系統(tǒng)采用雙路熱備份設(shè)計以提高可靠性與穩(wěn)定性，在主鐘穩(wěn)定運行時，對備路相位微躍計進行頻率駕馭，確保備路相位微躍計輸出的頻率和相位與主鐘保持一致。 多通道時間間隔測量儀的測量準確度是50 ps，通過它來實時監(jiān)測主備路實時信號的相位差，并計算得到備路的頻率調(diào)整量，進而對備路相位微躍計進行駕馭。 主備路時間同步控制流程如圖4 所示。

圖4 主備路時間同步控制流程圖Fig.4 Time synchronization flowchart of main and standby channels

系統(tǒng)初始階段，先設(shè)置多通道時間間隔測量儀的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和測量間隔等，然后連續(xù)采集時差數(shù)據(jù)，對該組數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合，得到頻率偏差，給備路相位微躍計發(fā)送該調(diào)整量，縮小備鐘與主鐘間的頻率偏差。

精密同步階段實現(xiàn)主路與備路輸出時頻信號的精密同步，利用時差測量分系統(tǒng)的多通道時間間隔測量儀測量主備路鐘差，對鐘差結(jié)果進行數(shù)據(jù)處

3）第三層級：采用專用測試設(shè)備對關(guān)鍵信號進行檢測。

多通道比相儀對關(guān)鍵設(shè)備輸出的5 MHz，10 MHz信號指標進行檢測；多通道時間間隔測量儀對關(guān)鍵設(shè)備輸出的1PPS 信號指標進行檢測。

通過以上3 個層級的設(shè)計，可以保證全系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行有效的檢測。

4 性能評估

基于光纖雙向時間比對的溯源系統(tǒng)通過A、B兩地部署的一套光纖雙向時間比對設(shè)備實時測量兩地鐘差，并通過數(shù)據(jù)處理算法結(jié)合相位微躍計實現(xiàn)B 地實驗室產(chǎn)生的UTC（B）與A 地實驗室的標準時間UTC（A）同步。 本套系統(tǒng)搭建后至今一直連續(xù)穩(wěn)定運行，選取2021 年10 月16 日至2021 年10月18 日（簡化儒略日MJD 為59 503～59 505）的溯源時差結(jié)果進行評估，曲線如圖5 所示。理，當主備路鐘差結(jié)果在閾值范圍內(nèi)，則使用合適的駕馭算法計算頻率和相位調(diào)整量，實現(xiàn)主鐘對備鐘的駕馭［8］。 備鐘駕馭算法如下：

圖5 溯源時差結(jié)果圖Fig.5 Results of traceability effect

1）預(yù)報下一周期的備路相對于主路的頻率偏差。 對上一周期的主備時差線性擬合，計算出主備頻率偏差，發(fā)送給備路相位微躍計；

2）縮小主備鐘相位差。 通過多通道時間間隔測量儀測量得到主備時差，將該時差轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)整量，發(fā)送給相位微躍計。

3.6 信號監(jiān)測技術(shù)

系統(tǒng)在線監(jiān)測按照3 個層級進行設(shè)計：

1）第一層級：設(shè)備自檢測（BIT）；

每個設(shè)備均采用自檢測設(shè)計，對其內(nèi)部電路的關(guān)鍵參數(shù)進行檢測。

2）第二層級：系統(tǒng)信號流中，每臺設(shè)備對前級設(shè)備輸出信號進行檢測；

每臺設(shè)備均可對輸入信號的有無進行檢測，且均支持2 路以上的輸入。 當檢測到當前工作通道無信號時，設(shè)備自動切換至正常通道，保證輸出信號連續(xù)、可靠。

從圖5 可以得出，通過光纖雙向時間比對技術(shù)建立溯源系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)的標準時間UTC（B）與守時實驗室A 地的UTC（A）時差能夠控制在（－0.6～0.7） ns之間，滿足了系統(tǒng)設(shè)計的指標要求。

下面對溯源系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)的標準時間UTC（B）進行穩(wěn)定度分析，選取2021 年10 月一整月的時差，采用Allan 方差公式計算穩(wěn)定度，穩(wěn)定度結(jié)果曲線如圖6所示，由圖6 可知日頻率穩(wěn)定度小于5E－15。

圖6 日頻率穩(wěn)定度曲線圖Fig.6 The curve of daily frequency stability

主備路時間同步的驗證選取2022 年1 月30 日至2022 年1 月31 日（簡化儒略日MJD 為59 609～59 610）時間段，主備路時差控制在0.3 ns 以內(nèi)，同步效果如圖7 所示。

圖7 主備路的時間偏差結(jié)果圖Fig.7 Results of time difference of main and standby channels

5 結(jié)束語

經(jīng)光纖鏈路使用光纖雙向時間比對技術(shù)實現(xiàn)本地時間源向遠端基準時間源的頻率與相位同步。實驗結(jié)果表明，溯源后時間偏差在1 ns 以內(nèi)。 該溯源系統(tǒng)指標高、可靠性強，可廣泛應(yīng)用于高精度時間頻率傳遞系統(tǒng)中。