基于光纤链路的180 km高精度时间同步系统

王正勇，王崇阳，魏海涛，尹继凯，蔚保国

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

原子钟技术的迅速发展，对高精度时间频率信号的传输性能提出了更高的要求。相比传统的卫星双向时间同步系统，光纤双向时间同步系统具有带宽高、损耗小、抗干扰以及高精度等优点，引起国内外研究小组的广泛研究[1-4]。光纤双向时间同步是一种单纤双向双波长高精度时间比对方法，采用不同波长在同一根光纤中进行双向传递，可以认为环境变化引起的往、返链路时延变化相同[5-9]。该方法同步精度可以达到100 ps量级，相比卫星传输中常见的ns量级精度，在同步精度上提高了一个数量级。利用光纤进行高精度时间同步具有损耗低、抗电磁干扰、价格低和结构简单的优势，使其成为远距离高精度时间传递的主要方案之一[10-14]。德国物理技术研究所(PTB)在73 km光纤链路上进行了光纤双向时间同步试验，时间同步精度优于100 ps[15]；国家计量院和北京卫星导航中心报道了109 km光纤双向时间同步试验，时间同步精度优于200 ps[16]。

由于受到光功率损耗的影响，单段光纤传递距离在100 km内，本文在基于双向伪码测距的光纤时间比对方法上，添加双向掺铒光纤放大器，设计了超越100 km光纤传输距离的试验平台，并进行了试验验证，试验结果符合预期。

1 光纤双向时间同步原理

光纤双向时间同步的基本原理如图1所示[17-18]。

图1 光纤双向时间同步原理

设tTA为主站发射测距信号时刻，tTB为从站发射测距信号时刻，tRA为主站接收测距信号时刻，tRB为从站接收测距信号时刻，主站和从站两地钟的瞬时钟差为ΔTAB=tTB-tTA,则：

因此，主、从两站钟差为：

光纤双向时间同步信号传播时延τAB，τBA可进一步表示为：

2 180 km光纤双向时间同步试验

时间信号在光纤传输过程中，由于光纤色散的影响，单段光纤过长导致末端的接收信噪比恶化。在时间信号光纤传输链路中，单段光纤链路的最大距离由发射端激光器的色散容限指标给出，本系统中所使用的激光器的色散容限值为1 600 ps，考虑到G652型单模光纤的色散系数为D(λ)=17 ps/nm·km，因此光纤双向时间同步中单段光纤最远距离在100 km内[19-20]。要进行百公里以上的光纤双向时间同步，就需要引入光纤放大设备，因此设计了基于掺铒光纤放大器的双向放大设备(BEDFA)[21]。

基于光纤双向放大设备BEDFA的光纤双向时间同步方案如图2所示。其中，A站传输到B站的光信号波长采用1 550.12 nm，B站传输到A站的光信号波长采用1 550.92 nm，码速率为20 Mcps。双向掺铒光纤放大器实物如图3所示。

图2 180 km光纤双向时间同步方案

图3 双向掺铒光纤放大器实物

3 实验结果分析

180 km光纤双向时间同步时差测量结果如图4所示。

图4 180 km光纤双向时间同步时差测量结果

图4中，单向传输时延A→B与B→A曲线中的波动代表了昼夜环境温度变化引起的时延波动，2条单向传输时延基本吻合，在7天连续实验中，同步精度为863 ps，经过平滑处理后的时间同步精度为153 ps。实验结果表明光纤链路受环境变化(温度、振动等)引起的时延波动几乎被完全抵消。

因为A站与B站采用各自的原子钟，原子钟本身噪声会引起相位波动，同时设备受温度的影响也会引起相位波动，这些相位波动没有被消除，仍然会影响时间同步精度。图5为双向时间同步时差测量值的时间稳定度(用时间方差TDEV表示)，时延曲线表示单向光纤时间传递的时间稳定度，该指标在105s时间内低于3×10-9s(3 ns)。经过光纤双向时间同步系统消除时延波动后，在105s时间内时间稳定度低于5×10-11s(50 ps)。这些波动包含了由原子钟及光纤双向比对设备引起的剩余不稳定度。因此采用光纤传递时间信号是一种具有潜力的时间传递方法。

图5 双向时间同步时差测量值的时间稳定度

光纤双向时间同步时差测量值的频率稳定度(用Allan方差表示)统计结果如图6所示，单向光纤时间传递时延及双向时间同步精度相对应的频率稳定度，在105s时间内，单向时延的频率稳定度为5×10-14/105s，双向时间同步精度的频率稳定度为2×10-15/105s。

图6 双向时间同步时差测量值的频率稳定度

4 结束语

本文采用添加双向掺铒光纤放大器的方法实现了180 km的远距离高精度光纤双向时间同步，通过试验验证了光纤双向时间同步精度可达100 ps，在105s时间内时间稳定度低于50 ps。但由于光纤色散特性引起的链路不对称性、光器件处理引入的误差及硬件电路时延的不对称性等仍带来较大误差，可以通过模型修正及硬件时延标定等方法进一步提高时间同步精度。