基于偽碼測(cè)距的光纖雙向時(shí)間比對(duì)技術(shù)

彭 麗，王正勇，王崇陽(yáng)

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

0 引言

時(shí)間頻率是驅(qū)動(dòng)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(chǔ)。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(shí)間比對(duì)技術(shù)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(jìn)行高精度時(shí)間信號(hào)比對(duì)是一種經(jīng)濟(jì)、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(shì)被認(rèn)為非常適合用于時(shí)間信號(hào)的傳輸，尤其是遠(yuǎn)距離光纖雙向時(shí)間比對(duì)信號(hào)傳輸[5]。現(xiàn)有遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)方法中衛(wèi)星共視法、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(TWSTFT)等方法能達(dá)到的比對(duì)精度已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益提高的時(shí)頻測(cè)量需求[6-7]，因此研究利用光纖進(jìn)行高精度時(shí)間比對(duì)，被認(rèn)為是地基遠(yuǎn)程時(shí)間頻率同步非常有潛力的發(fā)展方向。

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

本文設(shè)計(jì)了一種基于雙向偽碼測(cè)距的光纖時(shí)間比對(duì)技術(shù)，通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)化衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，利用雙向光收發(fā)鏈路替代衛(wèi)星雙向轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，在同一根光纖進(jìn)行雙向時(shí)間信號(hào)的傳遞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了105 km光纖雙向時(shí)間比對(duì)，經(jīng)分析時(shí)間比對(duì)精度優(yōu)于30 ps。

1 基于偽碼測(cè)距的雙向時(shí)間比對(duì)原理

1.1 基本原理

基于精密偽碼測(cè)距雙向時(shí)間比對(duì)的基本原理[11-12]是：地面站A在時(shí)刻TA向地面站B發(fā)射測(cè)距信號(hào)，該信號(hào)被地面站B接收設(shè)備在TBr時(shí)刻接收；而地面站B在TA+ΔTAB時(shí)刻向地面站A發(fā)射測(cè)距時(shí)標(biāo)，該信號(hào)時(shí)標(biāo)被地面站B在TAr時(shí)刻接收，在地面站A或B將將兩個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)求差獲得站A和站B間的鐘差；當(dāng)兩地粗同步鐘差ΔTAB引起的兩地傳輸路徑差可以忽略不計(jì)時(shí)，兩地所測(cè)偽距之差即為AB鐘差ΔtAB。具體過(guò)程為：地面站A時(shí)間為T(mén)A，地面站B時(shí)間為T(mén)B，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(cè)距信號(hào)，對(duì)方接收相應(yīng)時(shí)刻的時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行偽距測(cè)量，偽距表達(dá)式為：

ρA=TA-TAr，

ρB=TB-TBr,

式中，ρA為站A所測(cè)偽距；ρB為 站B所測(cè)偽距；TAr為站A接收站B信號(hào)偽距時(shí)刻；TBr為站B接收站A信號(hào)偽距時(shí)刻。

根據(jù)偽距定義和上述假設(shè)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(jīng)上式運(yùn)算可得：

ρA-ρB=2(TA-TB)=2ΔTAB≈2ΔtAB。

1.2 光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)

光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)具體來(lái)說(shuō)是一種“單纖雙向雙波長(zhǎng)”傳輸體制的雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)，如圖1所示。時(shí)間比對(duì)基帶設(shè)備A通過(guò)接收地面站A輸出的1 PPS、10 MHz等時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生站間時(shí)間同步校準(zhǔn)中頻信號(hào)A，中頻信號(hào)由光發(fā)射設(shè)備A完成電光轉(zhuǎn)換，并經(jīng)由光纖雙向傳輸設(shè)備傳入站間光纖鏈路；位于地面站B的光纖雙向傳輸設(shè)備B將傳過(guò)來(lái)的光學(xué)擴(kuò)頻信息輸入到光接收設(shè)備B，時(shí)間比對(duì)基帶設(shè)備B通過(guò)接收地面站A發(fā)射的站間時(shí)間同步校準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)行測(cè)量，完成地面站A→地面站B的時(shí)差測(cè)量,由地面站B→地面站A的時(shí)差測(cè)量與其過(guò)程相似。

圖1 光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)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(shí)間比對(duì)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(duì)稱(chēng)性。光發(fā)射設(shè)備A和B使用兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為100 GHz的波長(zhǎng)[13-14]。

光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)是在已有國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，工作原理與衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)相同，只是在衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(duì)比圖Fig.2 Comparative diagram of optical fiber transmission link and satellite transmission link

利用電光轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器及光纖環(huán)行器等光學(xué)器件在兩個(gè)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(kuò)頻信息依次經(jīng)過(guò)激光器、光隔離器、光環(huán)行器和探測(cè)器最終被遠(yuǎn)端的雙向收發(fā)終端接收解碼獲得時(shí)間信息，遠(yuǎn)端雙向收發(fā)終端輸出的70 MHz擴(kuò)頻經(jīng)過(guò)相同的路徑到達(dá)近端接收解碼，該系統(tǒng)使用同一個(gè)時(shí)頻基準(zhǔn)源(原子鐘)。

1.3 光纖雙向時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)處理

圖3為光纖雙向時(shí)間比對(duì)的算法處理流程圖。由圖可見(jiàn)，光纖雙向時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)處理中的主要誤差源為設(shè)備時(shí)延誤差和光纖色散誤差，通過(guò)合理的設(shè)備硬件設(shè)計(jì)并進(jìn)行設(shè)備時(shí)延的校準(zhǔn)，能夠有效地控制設(shè)備時(shí)延，光纖色散誤差計(jì)算可根據(jù)光纖色散數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖3 光纖雙向時(shí)間比對(duì)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(yàn)驗(yàn)證

基于光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室105 km的光纖鏈路上，對(duì)光纖雙向時(shí)間比對(duì)精度指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，時(shí)間比對(duì)基帶設(shè)備輸出的中頻調(diào)制信號(hào)為70 MHz，偽碼速率為20 Mcps，地面站A端發(fā)射光信號(hào)波長(zhǎng)為1 551.72 nm，接收光信號(hào)波長(zhǎng)為1 552.52 nm，地面站B端發(fā)射光信號(hào)為1 552.52 nm，接收光信號(hào)的波長(zhǎng)為1 551.72 nm。地面站A→B的偽距測(cè)量值ρA與B→A的偽距測(cè)量數(shù)據(jù)ρB如圖4所示，測(cè)試時(shí)間為6天。

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

根據(jù)基于偽碼測(cè)距的雙向時(shí)間比對(duì)原理，A、B兩地的鐘差為：

根據(jù)圖4中偽距測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出光纖雙向時(shí)間比對(duì)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(shí)間比對(duì)信號(hào)，但105 km的光纖雙向時(shí)間比對(duì)鐘差數(shù)據(jù)仍有接近150 ps的時(shí)延差，主要是在色散誤差修正、設(shè)備時(shí)延標(biāo)定后剩余的殘差數(shù)據(jù)。

圖4 105 km光纖雙向時(shí)間比對(duì)偽距測(cè)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(shí)間比對(duì)鐘差測(cè)量值Fig.5 Clock difference measurement value of two-way time comparison system through 105 km optical fiber

3 結(jié)論

本文對(duì)基于雙向偽碼測(cè)距的光纖雙向時(shí)間比對(duì)技術(shù)進(jìn)行了研究，并通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)基于105 km的光纖雙向時(shí)間比對(duì)鏈路測(cè)量精度進(jìn)行了評(píng)估。經(jīng)過(guò)6天的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，鏈路時(shí)延標(biāo)定后的時(shí)間比對(duì)偏差為142.03 ps，實(shí)測(cè)光纖雙向時(shí)間比對(duì)精度為28.68 ps，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖鏈路受環(huán)境變化(溫度等)引起的時(shí)延波動(dòng)幾乎被完全抵消。該項(xiàng)技術(shù)可為分布式全相參雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、深空測(cè)控系統(tǒng)等提供高精度時(shí)間同步服務(wù)。