高精度光纤双向时间比对方法与系统的制作方法
【专利摘要】一种高精度光纤双向时间比对方法，包括步骤S1，预调整处理，包括：计算第一光纤时间同步单元或者第二光纤时间同步单元本地定时信息的延迟调整量并调整，步骤S2两个光纤时间同步单元通过光纤链路以时分复用的方式进行双向时间比对。本发明在双向时间比对基础上，通过结合双向时分复用技术，实现高精度光纤双向时间同步。
【专利说明】高精度光纤双向时间比对方法与系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤时间频率传递【技术领域】，具体是一种高精度光纤双向时间比对方法与系统。
【背景技术】
[0002]高精度的时间同步技术在卫星导航、航空航天、深空探测、地质测绘、通信、电力传输和科学研究与计量等领域有着重要的应用价值。目前传统高精度时间同步技术主要由GPS共视、卫星双时间比对等。GPS共视法所需的设备相对简单、成本低，但精度难以达到纳秒量级。卫星双向时间比对的精度可以达到亚纳秒量级，但利用专用卫星的自由空间链路的稳定性(尤其是短期稳定性)容易受到干扰，其精度很难进一步提高，而且存在安全性及设备昂贵等问题。
[0003]光纤通路具有稳定性高(特别是在短时间内尺度上)、损耗低、受外界环境影响小、带宽高等优点。上世纪八十年代就引起了研究者的关注。随着光纤通信、光网络技术的迅猛发展，以及对时间同步精度等要求的提高，基于光纤的时间同步引起了越来越多的研究者的关注，取得了相当大的进展，并已得到部分应用。
[0004]基于光纤通路的高精度时间传递主要有环回法(Round-trip)时间传递和双向时间比对两种方式。Round-trip时间传递方式中，通过远端返回的信号实现链路时延的锁定，再标定出传输链路的时延，从而实现时间的传递。波兰AGH理工大学报道了基于该方案的420公里光纤时间和频率传递实验，时间传递的精度分别达到lps/d[l]。基于类似方案，法国的激光物理实验室(LPL)报道了采用德国TimeTech公司卫星双向时间比对调制/解调器(SATRE)的540公里时间和光载波频率传递实验，时间传递的精度分别达到50ps/s[l]。基于WDM全光通路的双向时间比对方式类似于卫星双向时间比对，通过两端同时向对方发送本地定时信息(IPPS)，利用通路的对称性消除链路时延，得到两地的钟差。捷克教育科研网(CESNET)报道了基于该方案的744公里单纤双向时间比对实验，平均时间500秒的稳定度达8.7ps[3]。瑞典SP技术研究所利用其国内的WDM光网络进行了 560公里的双向时间比对，并与载波相位的同步结果进行了比较，相差〈Ins。
[0005]为了抑制后向瑞利散射和菲涅耳反射对传输信号的信噪比，上述两种方案均采用双向WDM传输方式(即两个方向采用不同的发送波长)，存在光纤色散效应引起的双向不对称性，而且距离越长，不对称性越大，限制了基于长距离双向时间比对的精度。对于round-trip来说，由于实际网络中不同链路上的光纤色散特性的差异，当进行数千公里长距离时间传递时很难对链路延时进行准确的标定。德国PTB采用TimeTech公司的SATRE进行了 73公里的双向时间比对实验[4]。该方法采用扩频编码技术，可以实现同波长同纤双向时间比对。但高精度的扩频编码/解码技术复杂，成本很高。
[0006][I] L.Sliwczyiiski, P.Krehlik, A.Czubla, et al., Disseminat1n of time and
RF frequency via a stabilized fibre optic link over a distance of420km，Metrologia，50(2):133-145, 2013.
[0007][2]Lopez, Olivier,et al."Simultaneous remote transfer of accuratetiming and optical frequency over a public fiber network."Applied PhysicsB110.1(2013):3-6.
[0008][3]V.Smotlacha, A.Kuna and ff.Mache, Time transfer using fiberlinks,Proc.24th European Frequency and Time Forum,Noordwijk, TheNetherlands, 2010.
[0009][4]D.Piester, M.Rost, M.Fujieda, et al.，Remote atomic clocksynchronizat1n via satellites and optical fibers, Adv.Rad1 Sc1., 9 (I): 1-7, 2011
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种突破后向瑞利散射噪声和色散限制的高精度时分复用光纤双向时间比对方法，并在该方法的基础之上提出了一种实现该方法的高精度双向时间比对系统。
[0011]本发明原理如下:
[0012]一种高精度光纤双向同步比对方法，依次包括预调整、时分复用双向时间比对和动态同步。所述的预调整是指通过第一光纤时间同步单元与第二光纤时间同步单元分别进行单向时间传递，初步测得第一光纤时间同步单元发送时间码与接收到从第二光纤时间同步单元返回时间码之间的时间间隔以及第二光纤时间同步单元本地定时信息有效时与接收到从第一光纤时间单元接收到时间码之间的时间间隔。根据以上两个测得的值、预设的时间码长度与预设双向时分复用的余量，计算第一光纤时间同步单元或者第二光纤时间同步单元本地定时信息的延迟调整量。如果需要调整第一光纤时间同步单元本地定时信息，第一光纤时间同步单元根据计算获得的延迟量调整本地定时信息；否则第一光纤时间同步单元将计算的调整量发送给第二光纤时间同步单元，第二光纤时间同步单元根据收到的延迟量调整本地定时信息。所述的双向时分复用时间比对是指第一光纤时间同步单元与第二光纤时间同步单元分别在本地发送定时信息有效时向对方发送包含本地定时信息的的时间码，实现双向时分复用双向时间比对；动态同步是指第一光纤时间同步单元动态调整本地定时信息的发送时间，避免第一光纤时间同步单元和第二光纤时间同步单元同时有光信号在链路中传输。
[0013]本发明的技术解决方案如下:
[0014]一种基于时分复用高精度光纤时间同步方法，包括如下步骤:
[0015]步骤SI，预调整处理，具体包括:
[0016]①当第一光纤时间同步单元检测到本地定时信息时，通过光纤链路向第二光纤时间单元发送时间码；
[0017]②第二光纤时间同步单元检测到从第一光纤时间同步单元发送过来的定时信息后，测量本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ' 12，并在本地定时信息有效时，将该测量的差值飞'12编码到时间码中，并通过光纤链路发送给第一光纤时间同步单元；
[0018]③第一光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ' 21，并从时间码中解码出第二光纤时间同步单元测量的差值? ' 12 ；
[0019]④为了满足双向时分复用的要求，第一光纤时间同步单元根据表I所示准则确定调整的时间同步单元及相应的定时信息的调整量，其中，△为任意两个连续定时信息之间的长度(如果定时信息为1PPS，Δ等于I秒)；τΒ为时间码的时长(〈Λ/2) ; τΜ为预留的时分复用的冗余时间(〈△ /2,大于启动光信号发送的时间、关闭光信号发送的时间、时间间隔测量误差之和)。
[0020]表I
[0021]
条件I条件2调整单元~调整量r-~.第一光纤时间， 、.、
,Α-τ >τΒ+τΜ{τΒ+τΜ)-(1^-τ )
& <Δu同步单元
其他情况无需调整
Δ-r:, < G + rM第二光纤时间 t ~~~
—(?+~)-(δ-γι2)
同步单元
(T^vsi)-Tii第一光纤时间，
T >Δ>(τΒ +Γμ)_(Γ,, _^)同步单兀
21I」
T <ΤΒ+τΜ -；---
12(rB +^)-(^ -Δ) 第二光纤时间
,(^ + ru)+rp
Hh+ht、-、同步单兀
其他情况无需调整
[0022]如果要调整的是第二光纤时间同步单元定时信息的发送时刻，第一光纤时间同步单元把调整量△ τ，ad2发送给第二光纤时间同步单元；第二光纤时间同步单元根据接收到的调整量Λ τ ' ad2，通过延时调整本地定时信息的发送时刻，并记录该调整量。
[0023]如果需要调整的是第一光纤时间同步单元本地定时信息的发送时刻，第一光纤时间同步单元根据调整量△ τ ' adl，通过延时调整本地的定时信息的发送时刻，并记录该调整量。
[0024]步骤S2两个光纤时间同步单元通过光纤链路以时分复用的方式进行双向时间比对，具体步骤如下:
[0025]步骤S201第一光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ 21、第二光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ 12 ；
[0026]步骤S202第一光纤时间同步单元在本地定时信号有效时，打开光信号发送，通过光纤链路向第二光纤时间同步单元发送携带本地定时信息、时间信息、测量的本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ21和第一光纤时间同步单元的本地定时信息调整量Λ τ adl的时间码，其余时间关闭光信号发送；
[0027]第二光纤时间同步单元在本地定时信息有效时，打开光信号发送，通过光纤链路向第一光纤时间同步单元发送携带本地定时信息、时间信息、测量的本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息间的差值τ 12和第二光纤时间同步单元的本地定时信息调整量Λ τ ad2的时间码，其余时间关闭光信号发送；
[0028]步骤S203第一光纤时间同步单元和第二光纤时间同步单元分别根据表2判断需要调整定时信息的光纤时间同步单元以及计算各自调整量:
[0029]表2
[0030]
【权利要求】
1.一种高精度光纤双向时间比对方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤Si，预调整处理，具体包括: 步骤SlOl当第一光纤时间同步单元检测到本地定时信息时，通过光纤链路向第二光纤时间单元发送时间码； 步骤S102第二光纤时间同步单元检测到从第一光纤时间同步单元发送过来的定时信息后，测量本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值飞'12，并在本地定时信息有效时，将该差值τ ' 12编码到时间码中，并通过光纤链路发送给第一光纤时间同步单元； 步骤S103第一光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ ' 21，并从时间码中解码出τ ' 12； 步骤S104第一光纤时间同步单元判断需要调整本地定时信息的光纤时间同步单元并计算其本地定时信息的调整量: 如果需要调整的是第二光纤时间同步单元的本地定时信息，第一光纤时间同步单元把该调整量△ τ，ad2编码到时间码中，通过光纤链路发送给第二光纤时间同步单元，第二光纤时间同步单元根据接收到的调整量Λ τ，ad2，通过延时调整第二光纤时间同步单元的本地定时信息，并记录该调整量； 如果需要调整的是第一光纤时间同步单元的本地定时信息，第一光纤时间同步单元根据调整量Λ τ ' adl，通过延时调整第一光纤时间同步单元的本地定时信息，并记录该调整量。 步骤S2两个光纤时间同步单元通过光纤链路以时分复用的方式进行双向时间比对，具体步骤如下: 步骤S201第一光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ21、第二光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ12; 步骤S202第一光纤时间同步单元在本地定时信号有效时，打开光信号发送，通过光纤链路向第二光纤时间同步单元发送携带本地定时信息、时间信息、测量的本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息之间的差值τ21和第一光纤时间同步单元的本地定时信息调整量Λ τ adl的时间码，其余时间关闭光信号发送； 第二光纤时间同步单元在本地定时信息有效时，打开光信号发送，通过光纤链路向第一光纤时间同步单元发送携带本地定时信息、时间信息、测量的本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息间的差值τ 12和第二光纤时间同步单元的本地定时信息调整量Λ τ ad2的时间码，其余时间关闭光信号发送； 步骤S203第一光纤时间同步单元和第二光纤时间同步单元分别判断需要调整定时信息的光纤时间同步单元以及计算各自调整量； 步骤S204当第一光纤时间同步单元判断出第一光纤时间同步单元需要调整本地定时信息，则第一光纤时间同步单元根据第一光纤时间同步单元的定时信息调整量Λ Tadl,通过延时调整本地定时信息，更新预同步阶段的第一光纤时间同步单元的定时信息调整量Λτ' adl，并把该调整量Λ τ ' adl编码到时间码中发送给第二光纤时间同步单元； 当第二光纤时间同步单元判断出第二光纤时间同步单元需要调整本地定时信息，则第二光纤时间同步单元根据第二光纤时间同步单元的定时信息调整量Λ Tad2，通过延时调整本地定时信息，更新预同步阶段的第一光纤时间同步单元的定时信息调整量△ τ，ad2，并把调整量Λ τ，ad2编码到时间码中发送给第一光纤时间同步单元； 步骤S205第一光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息间的差值τ 21，根据该测量的差值、接收到的双向时间比对阶段第二光纤时间同步单元的定时信息调整量△ Tad2、接收到的第二光纤时间单元测量的差值τ12、预同步阶段的调整量Λ τ' adl和Λτ' ad2、以及双向时间比对阶段第一光纤时间同步单元的本地定时信息的调整量△ Tadl，计算第一光纤时间同步单元与第二光纤时间同步单元的钟差Δτ ~ 2 ^21 — Tl2) ~~ ^Tadl + Δτα--2); 第二光纤时间同步单元测量本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息间的差值τ 12，根据该测量的差值、接收到的双向时间比对阶段第一光纤时间同步单元的定时信息调整量Λ τ，adl、接收到的第一光纤时间单元测量的差值τ21、预同步阶段的调整量Λ τ' adl和Λτ' ad2、以及双向时间比对阶段第二光纤时间同步单元的本地定时信息的调整量△ τ ' ad2，计算第一光纤时间同步单元与第二光纤时间同步单元的钟差Δτ 二 - (τ21 — T12) — (Aradl + Arad2) ο
2.根据权利要求1所述的高精度光纤双向时间比对方法，其特征在于，所述的步骤S104中第一光纤时间同步单元确定调整的时间同步单元及计算定时信息调整量方法如下: I当τ'12> τΒ+τ Μ时，调整第一光纤时间同步单元，调整量为(τ B+ τ μ)_(Δ_ τ , 2?); II当τ' 21 ^ A , Μ.A -τ f i2〈 τ Β+τ Μ时，调整第二光纤时间同步单元，调整量为(τ B+ τ μ) _ ( Δ _ τ , 12);
当 τ' 21>Δ^τ' 12〈 τ Β+τ Μ、( τ Β+τ Μ)-τ ' 12> ( τ Β+τ Μ) - ( τ ' 2「Δ)时，调整第一光纤时间同步单元，调整量为21 ；
当 τ' 21>Δ^τ' 12〈 τ Β+τ Μ、( τ Β+τ Μ)-( τ ' 21_ Δ ) > ( τ Β+τ Μ) - τ ' 12时，调整第二光纤时间同步单元，调整为(τ Β+τ Μ)+τ ' 12 ； III其他情况无需调整； 其中，Λ为任意两个连续定时信息之间的长度、“为时间码的时长(〈Λ/2)、τΜ为预留的时分复用的冗余时间。
3.根据权利要求1所述的高精度光纤双向时间比对方法，其特征在于，所述的步骤S203第一光纤时间同步单元和第二光纤时间同步单元分别判断需要调整定时信息的光纤时间同步单元以及计算各自调整量方法如下: 当Δ - τ 12> τ Β+ τ Μ时，需要调整第二光纤时间同步单元，调整量为:Δ Tad2 =(τ B+ τ μ) _ ( Δ _ τ 12)； 当Δ - τ 21> τ Β+ τ Μ时，需要调整第一光纤时间同步单元，调整量为:Δ Tadl =(τ β+ τ μ) _ ( Δ _ τ 21)； 其中，τΒ为时间码的时长、△为任意两个定时信息之间的长度、τΜ为预留时分复用的冗余时间。
4.一种实施权利要求1所述的高精度光纤时间同步方法的高精度光纤时间同步系统，其特征在于，包括第一光纤时间同步单元(I)、光纤链路(2)和第二光纤时间同步单元(3)； 所述的第一光纤时间同步单兀(I)由第一光纤时间编解码模块(1-2)、第一光收发模块(1-4)、第一控制与处理模块(1-1)、第一定时信息调整模块(1-6)、第一光纤时间间隔测量模块(1-3)、第一光开关模块(1-5)和第一双向复用模块(1-7)组成； 所述的第一控制与处理模块，用于控制第一光纤时间编解码模块完成时间码的编码与解码、控制第一光纤时间间隔测试模块测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息间的时间差、控制光收发模块第一光开关模块，用于发送到光纤链路中光信号的开关控制、控制第一定时信息调整模块，用于本地定时信息的调整； 所述的第一光纤时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码； 所述的第一光纤时间间隔测试模块，用于测试第一光纤时间同步单元时间编解码模块解码输出的定时信号与第一光纤时间同步中心时频标准定时信号间的时延差； 所述的第一光收发模块，用于将来自光纤链路的光信号转换为电信号，传给第一光纤时间编解码模块；以及将第一光纤时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上，并发送至第一双向复用模块； 所述的第一光开关模块，用于第一光收发模块发送到光纤链路中光信号的开关控制；所述的第一双向复用模块，使第一光收发模块通过光开关模块发送的光信号和从光纤链路中接收到的光信号复用在同一根光纤中传输；实现发送和接收光信号在同一根光纤上的双向传输； 所述的第一定时信息调整模块，在第一控制与处理模块的控制下调整本地定时信息的延时； 所述的第二光纤时间同步单元由第二光纤时间编解码模块(3-2)、第二光收发模块(3-4)、第二控制与处理模块(3-1)、第二光纤时间间隔测量模块(3-3)、第二光开关模块(3-5)、第二定时信息调整模块(3-6)和第二双向复用模块(3-7)组成； 所述的第二控制与处理模块，用于控制第二光纤时间编解码模块、第二光纤时间间隔测试模块、第二光开关模块，完成与第一光纤时间同步单元的分时双向时间比对控制、以及钟差计算； 所述的第二光纤时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码； 所述的第二光纤时间间隔测试模块，用于测试第二光纤时间编解码模块解码输出的定时信号与本地时频标准输出的定时信号间的时延差； 所述的第二光收发模块，用于将来自光纤通路的光信号转换电信号，传给时间编解码模块；以及将时间码调制到光信号上沿光纤链路发送； 所述的第二光开关模块，用于第二光收发模块发送到光纤链路中光信号的开关控制；所述的第二定时信息调整模块，在第二控制与处理模块的控制下调整本地定时信息的延时； 所述的第二双向复用模块，用于实现发送和接收光信号在同一根光纤上的双向传输。
5.根据权利要求4所述的基于时分复用高精度光纤时间同步系统，其特征在于，所述的光纤链路主要由光纤和双向放大器组成。
6.根据权利要求4所述的基于时分复用高精度光纤时间同步系统，其特征在于，所述的第一光纤时间编解码模块完成时间码的编码是指将第一钟源的定时信号和时间信息、控制信息、双向比对测试结果以及第一光纤时间同步单元本地定时信息调整量编码到时间同步码中，并输出给光收发模块； 所述的第一光纤时间编解码模块完成时间码的解码是指从来自第二光纤时间同步单兀的时间码中解码出相应的定时信号和时间信息，并将定时信号传输给第一光纤时间间隔测试模块。
7.根据权利要求4所述的基于时分复用高精度光纤时间同步系统，其特征在于，所述的第二光纤时间编解码模块完成时间码的编码是指将来自本地用户时钟的定时信号、时间信息、控制信息、第二光纤时间间隔测量模块测量结果编码到时间同步码中，并输出给光收发丰吴块； 所述的第二光纤时间编解码模块完成时间码的解码是指从来自第一光纤时间同步单元的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、第一光纤时间同步单元测试的时延差和第一光纤时间同步单元本地定时信息调整量。
【文档编号】H04J3/06GK104168077SQ201410320947
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】吴龟灵, 胡亮, 张 浩, 陈建平 申请人:上海交通大学