基于伪码测距的光纤双向时间比对技术

彭 丽，王正勇，王崇阳

(1.中国人民解放军93160部队，北京 100071；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

时间频率是驱动电子信息系统工作的“心脏”和影响系统性能的重要基础。随着新一代综合电子信息系统的快速发展，广域、分布式、高精度时间比对技术成为决定大型分布式电子信息系统能力提升的瓶颈[1-4]。利用光纤网进行高精度时间信号比对是一种经济、有效的解决方法，光纤以其损耗低、带宽大、抗电磁干扰、链路稳定等优势被认为非常适合用于时间信号的传输，尤其是远距离光纤双向时间比对信号传输[5]。现有远程时间比对方法中卫星共视法、卫星双向时间频率传递(TWSTFT)等方法能达到的比对精度已经不能满足日益提高的时频测量需求[6-7]，因此研究利用光纤进行高精度时间比对，被认为是地基远程时间频率同步非常有潜力的发展方向。

光纤双向时间比对是一种采用“单纤双向”传输体制时间比对方法，采用不同波长在同一根光纤中进行双向传递。由于在信号往返链路上都受到相同的环境变化，因此可以认为环境变化引起的往返链路时延变化是相同的。曾文宏博士在论文中介绍了光纤双向时间比对实验，采用德国Timetech公司SATRE终端在25 km的光纤链路上开展了同源双向时间比对实验，在16天的长期实验中单向时延波动最大为2 ns，双向时间比对精度为83 ps，时延波动大部分被消除[8]。为了精确测量汉诺威的一台主动型氢钟输出的1 PPS和德国联邦物理技术研究院(PTB)维持的协调世界时(UTC)之间的时间差， PTB利用两地的73 km光纤链路开展了光纤双向时间比对实验，时间比对精度优于73 ps[9]。上海交通大学王苏北等人也在实验室内的50 km光纤链路上进行了双向时间比对实验，获得了优于55 ps的比对精度[10]。

本文设计了一种基于双向伪码测距的光纤时间比对技术，通过对国产化卫星双向时间比对系统进行改造设计，利用双向光收发链路替代卫星双向转发链路，在同一根光纤进行双向时间信号的传递试验，实现了105 km光纤双向时间比对，经分析时间比对精度优于30 ps。

1 基于伪码测距的双向时间比对原理

1.1 基本原理

基于精密伪码测距双向时间比对的基本原理[11-12]是：地面站A在时刻TA向地面站B发射测距信号，该信号被地面站B接收设备在TBr时刻接收；而地面站B在TA+ΔTAB时刻向地面站A发射测距时标，该信号时标被地面站B在TAr时刻接收，在地面站A或B将将两个观测数据求差获得站A和站B间的钟差；当两地粗同步钟差ΔTAB引起的两地传输路径差可以忽略不计时，两地所测伪距之差即为AB钟差ΔtAB。具体过程为：地面站A时间为TA，地面站B时间为TB，则两地钟差为：ΔtAB=TA-TB。

A、B两站均在本地原子钟控制下发射测距信号，对方接收相应时刻的时标信号进行伪距测量，伪距表达式为：

ρA=TA-TAr，

ρB=TB-TBr,

式中，ρA为站A所测伪距；ρB为 站B所测伪距；TAr为站A接收站B信号伪距时刻；TBr为站B接收站A信号伪距时刻。

根据伪距定义和上述假设条件，有：

TAr=R0/c+ΔTAB+TA，

TBr=R0/c-ΔTAB+TB,

式中，R0为A、B站空间距离；c为光速。

经上式运算可得：

ρA-ρB=2(TA-TB)=2ΔTAB≈2ΔtAB。

1.2 光纤双向时间比对试验系统

光纤双向时间比对试验系统具体来说是一种“单纤双向双波长”传输体制的双向时间比对系统，如图1所示。时间比对基带设备A通过接收地面站A输出的1 PPS、10 MHz等时频信号产生站间时间同步校准中频信号A，中频信号由光发射设备A完成电光转换，并经由光纤双向传输设备传入站间光纤链路；位于地面站B的光纤双向传输设备B将传过来的光学扩频信息输入到光接收设备B，时间比对基带设备B通过接收地面站A发射的站间时间同步校准信号，进行测量，完成地面站A→地面站B的时差测量,由地面站B→地面站A的时差测量与其过程相似。

图1 光纤双向时间比对试验系统原理图Fig.1 Schematic diagram of two-way time comparison test system through optical fiber

光纤双向时间比对往返链路使用同一根光纤，避免了往返链路上的光纤在物理上的不对称性。光发射设备A和B使用两个波长间隔为100 GHz的波长[13-14]。

光纤双向时间比对试验系统是在已有国产卫星双向时间比对系统进行改造，工作原理与卫星双向时间比对系统相同，只是在卫星双向时间比对系统的基础上使用光纤双向传输链路代替射频信道，如图2所示。

图2 光纤传输链路与卫星传输链路对比图Fig.2 Comparative diagram of optical fiber transmission link and satellite transmission link

利用电光转换器、光电转换器及光纤环行器等光学器件在两个双向收发终端之间搭建光纤双向传输链路。近端双向收发终端输出的70 MHz扩频信息依次经过激光器、光隔离器、光环行器和探测器最终被远端的双向收发终端接收解码获得时间信息，远端双向收发终端输出的70 MHz扩频经过相同的路径到达近端接收解码，该系统使用同一个时频基准源(原子钟)。

1.3 光纤双向时间比对数据处理

图3为光纤双向时间比对的算法处理流程图。由图可见，光纤双向时间比对数据处理中的主要误差源为设备时延误差和光纤色散误差，通过合理的设备硬件设计并进行设备时延的校准，能够有效地控制设备时延，光纤色散误差计算可根据光纤色散数据进行计算。

图3 光纤双向时间比对数据处理流程图Fig.3 Data processing diagram of two-way time comparison system through optical fiber

2 试验验证

基于光纤双向时间比对试验系统，在实验室105 km的光纤链路上，对光纤双向时间比对精度指标进行了测试，时间比对基带设备输出的中频调制信号为70 MHz，伪码速率为20 Mcps，地面站A端发射光信号波长为1 551.72 nm，接收光信号波长为1 552.52 nm，地面站B端发射光信号为1 552.52 nm，接收光信号的波长为1 551.72 nm。地面站A→B的伪距测量值ρA与B→A的伪距测量数据ρB如图4所示，测试时间为6天。

从图4中可以分析，伪距测量值ρA与ρB都随着时间的变化而变化，且变化趋势基本相同，由于采用了单纤双向的比对信号传输体制，光纤链路所处环境温度的变化对测量值的变化趋势起到了主要作用，随着测试环境温度变化，光纤的折射率也随时间(温度)发生变化，从而导致ρA与ρB随着时间变化，但由于采用了单纤双向的信号传输方式， 温度对ρA与ρB影响是一致的。一个高峰和低谷代表了昼夜环境温度变化引起的时延波动，在6天的测试时间内伪距测量值的变化范围低于5.5 ns。

根据基于伪码测距的双向时间比对原理，A、B两地的钟差为：

根据图4中伪距测量数据，计算得出光纤双向时间比对钟差数据如图5所示，均值为142.03 ps，峰峰值为170.75 ps，方差为28.68 ps。由图5分析可知，虽然采用单纤双向的传输方式使用同一根光纤传输时间比对信号，但105 km的光纤双向时间比对钟差数据仍有接近150 ps的时延差，主要是在色散误差修正、设备时延标定后剩余的残差数据。

图4 105 km光纤双向时间比对伪距测量值Fig.4 Pseudo-range measurement value of two-way time comparison system through 105 km optical fiber

图5 105 km光纤双向时间比对钟差测量值Fig.5 Clock difference measurement value of two-way time comparison system through 105 km optical fiber

3 结论

本文对基于双向伪码测距的光纤双向时间比对技术进行了研究，并通过设计试验系统对基于105 km的光纤双向时间比对链路测量精度进行了评估。经过6天的实验室测试，链路时延标定后的时间比对偏差为142.03 ps，实测光纤双向时间比对精度为28.68 ps，实验结果表明光纤链路受环境变化(温度等)引起的时延波动几乎被完全抵消。该项技术可为分布式全相参雷达系统、卫星导航系统、深空测控系统等提供高精度时间同步服务。