基于光纤双向时间传递实时驯服铷钟的远程时间溯源

方 维, 金尚忠, 陈德好, 梁 坤4,

(1.浙江省计量科学研究院,浙江 杭州 310018；2.中国计量大学 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018；3.微纳制备与光电子检测国际科技合作基地,浙江 杭州 310018；4.北京交通大学 电子信息工程学院,北京 100044；5.中国计量科学研究院 时间频率计量科学研究所,北京 100029；6.国家时间频率计量中心,北京 100029)

1 引 言

随着秒定义的量子化,“时间”成为了准确度最高、应用最广的物理量[1,2]。时间频率的高度统一对人们日常生活、航空航天以及国家经济等领域都有着十分重要的意义[3～5]。中国计量科学研究院(NIM)基于GNSS时间频率传递技术研发了NIMDO远程时间溯源装置,远程溯源至UTC(NIM)的时间稳定度和频率稳定度分别优于1 ns和3×10-14[6～8]。但大气时延误差和卫星移动等影响因素很大程度上限制了GNSS(global navigation satellite system,全球导航卫星系统)时间频率传递精度,导致NIMDO远程溯源精度无法进一步提高,而TWOTFT(two way optical fiber time and frequency transfer, 光纤双向时间频率传递)相比GNSS时间频率传递有着更高的精度和稳定度[9～12]。2012年,德国物理技术研究院展开了光纤链路距离为73 km的TWOTFT工作,不确定度低于100 ps[13]。2013年,Olivier Lopez等在承载互联网数据的540 km光纤链路也做了类似实验,不确定度为250 ps[14]。2015年,中国计量科学研究院通过实验室光纤和实际光纤链路进行TWOTFT实验,时间稳定度为6 ps·s-1和0.9 ps·100 s-1,时间传递不确定度小于200 ps[15]。

本文研究了TWOTFT技术,在中国计量科学研究院的TWOTFT链路基础上,实施了对铷原子钟的高精密准实时驯服实验,实现了基于TWOTFT的远程时间溯源原理验证。

2 TWOTFT远程时间溯源

2.1 TWOTFT

TWOTFT原理如图1所示,TWOTFT调制解调系统A外部接入时间频率源A的频率信号和1 PPS(pulse per second)信号作为参考,TWOTFT调制解调系统B外部接入时间频率源B的频率信号和1 PPS信号作为参考。TWOTFT调制解调系统将载有时间和频率参考信息的测距码调制到中频载波上。中频载波经过E/O转换器,将其转换为光信号,通过光纤传输到远程的站点,然后由远程站点的O/E转换器将其转换为电信号。TWOTFT调制解调系统通过光纤从相对的远程站点接收中频载波,对调制的测距码进行解调,并通过计数卡将接收到的1 PPS与参考本地1 PPS进行比较。参考和客户端将时差比对数据存储在本地文件中,并通过网络将其相互传输,从而完成双向时间传递。

图1 TWOTFT原理图

TWOTFT调制解调系统中的计数卡测量的时差不能真正反映客户端与参考端间的时差。客户端与参考端的时差可通过式(1)可获得。

TSC-TSR=+0.5[TIC-TIR]+0.5[SPC-SPR]

+0.5[TXC-RXC]-0.5[TXR-RXR]

+[CDC-CDR]

(1)

式中:TSC和TSR代表客户端和参考端的本地参考时间；TIC和TIR代表客户端和参考端计数卡测量的时间计数间隔；SPC和SPR代表客户端和参考端的信号发射后的链路传输延时；TXC和TXR分别代表客户端和参考端的信号发射延时；RXC和RXR分别代表客户端和参考端的信号接收延时；CDC和CDR分别代表客户端和参考端的链路校准延时。

在中国计量科学研究院昌平院区与和平里院区之间进行TWOTFT实验,TWOTFT链路长约55 km,两地的参考时间频率源分别为UTC(NIM)和UTC(NIM)Hepingli,比对时差数据如图2所示。

图2 UTC(NIM)Hepingli-UTC(NIM)时差图

2.2 TWOTFT远程时间溯源基本原理

TWOTFT远程时间溯源是TWOTFT的进一步扩展和应用,其基本原理与GNSS时间频率传递远程时间溯源相似[16,17]。TWOTFT远程时间溯源基本原理如图3所示。

图3 TWOTFT远程时间溯源原理图

TWOTFT调制解调系统A和TWOTFT调制解调系统B经过光电转换器后通过光纤链路相连接,组成TWOTFT链路。在客户端中,TWOTFT调制解调系统A参考到相位微跃系统时频信号输出,而相位微跃系统参考至待校准时间频率源的时频信号输出。在参考端中,TWOTFT调制解调系统B参考至参考时间频率源的时频信号输出。

通过TWOTFT实时获得客户端和参考端的时间差后,在客户端的驯服控制系统根据待校准时间频率源的特性来预测客户端与参考端时差,并将相位和频差调整量等数据传输给相位微跃系统,以对相位微跃系统输出的频率和时间进行调整,使得客户端输出的时间和参考端参考时间源的时差在可接受范围之内,从而完成客户端时间频率源的TWOTFT远程时间溯源。

3 TWOTFT远程时间溯源实验设计

在中国计量科学研究院的两条TWOTFT链路基础上,进行了TWOTFT远程时间溯源实验, TWOTFT远程时间溯源实验设备连接如图4所示。

图4 TWOTFT远程时间溯源实验图

第一条TWOTFT链路搭建在中国计量科学研究院和平里院区,光纤距离长为30 m,光纤链路的两端分别连接位于和平里院区的TWOTFT调制解调系统A和TWOTFT调制解调系统C,通过该TWOTFT链路可实时获得客户端中铷原子钟与UTC(NIM)Hepingli的时差。第二条TWOTFT链路的光纤距离长约55 km,光纤链路两端分别连接位于和平里院区和昌平院区的TWOTFT调制解调系统C和TWOTFT调制解调系统B,通过该TWOTFT链路可实时获得UTC(NIM)Hepingli与参考端UTC(NIM)的时差。通过两条链路时差比对得出铷原子钟与UTC(NIM)的时差,客户端的驯服控制系统采用一种类似NIMDO驯服算法的PID驯服算法,PID驯服算法根据时差计算得出相位和频率调整量,并将其传递给相位微跃系统,然后相位微跃系统对铷原子钟的频率和相位进行调整,从而驯服铷原子钟,将其远程时间溯源至UTC(NIM)。

4 实验结果分析

为了评估TWOTFT远程时间溯源性能,实施了对铷原子钟的高精密准实时驯服实验,将中国计量科学研究院和平里院区的铷原子钟远程时间溯源至昌平院区的UTC(NIM),驯服间隔分别为16,5,1 min。客户端的铷原子钟远程时间溯源后与UTC(NIM)时差如图5～图7所示。

图5 16 min TWOTFT远程时间溯源时差图

图6 5 min TWOTFT远程时间溯源时差图

图7 1 min TWOTFT远程时间溯源时差图

对16、5、1 min TWOTFT远程时间溯源时差数据进行统计,统计结果如表1所示(|*|代表客户端铷原子钟和UTC(NIM)时差的绝对值)。从表1中可以看出随着溯源时间间隔缩短,TWOTFT远程时间溯源效果得到明显提高。1 min TWOTFT远程时间溯源时,98.67%的时差绝对值在0.5 ns内,总体时差绝对值在1 ns以内。

表1 时差数据统计

分别计算16、5、1 min TWOTFT远程时间溯源的时间稳定度TDEV和频率稳定度MDEV,并与16 min GNSS时间频率传递的铷原子钟远程时间溯源相比较,时间稳定度TDEV和频率稳定度MDEV如图8和图9所示。

从时间稳定度图8和频率稳定度图9中看出,16 min TWOTFT远程时间溯源效果明显优于16 min GNSS时间频率传递远程时间溯源。

图8 TDEV时间稳定度

图9 MDEV频率稳定度

随着溯源时间间隔的缩短,TWOTFT远程时间溯源的时间稳定度和频率稳定度总体上也得到不断提高。16、5、1 min TWOTFT远程时间溯源的时间稳定度分别为1×10-10s·d-1、5.2×10-11s·d-1和2.5×10-11s·d-1。16、5、1 min TWOTFT远程时间溯源的频率稳定度分别为2.8×10-15d-1、1.0×10-15d-1、5.0×10-16d-1。

4 结 论

通过研究TWOTFT技术,在中国计量科学研究院TWOTFT链路的基础上,进行了TWOTFT实验,完成了UTC(NIM)和UTC(NIM)Hepingli的时间比对,并实施了对铷原子钟的高精密准实时驯服实验,驯服间隔分别为16、5、1 min,实现了基于TWOTFT的远程时间溯源原理验证。实验结果表明16 min TWOTFT远程时间溯源效果明显优于16 min GNSS时间频率传递的铷原子钟远程时间溯源,而在TWOTFT远程时间溯源实验中,1 min TWOTFT远程时间溯源效果最优,98.67%的时差绝对值在0.5 ns内,时间稳定度和频率稳定度可分别达到2.5×10-11s·d-1和5.0×10-16d-1。