謝 勇，趙大勇，袁 媛，楊 軍

（1.中國人民解放軍 93216 部隊，北京 100085；2.北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

可用于精密原子時標遠程溯源的技術手段主要有衛(wèi)星共視時間比對技術、衛(wèi)星雙向時間比對技術和光纖雙向時間比對技術3 種。 各守時機構均構建了基于衛(wèi)星共視時間比對的溯源系統，復現參考端標準時間，衛(wèi)星共視時間比對技術較衛(wèi)星雙向時間比對技術性能較差，無法作為高精度溯源手段。 衛(wèi)星雙向時間比對通過租用GEO 衛(wèi)星的微波頻率轉發(fā)器信道在兩地間建立雙向時間比對傳輸鏈路，費用較高。 光纖雙向時間比對技術［1－3］利用光纖進行時間比對極大的節(jié)約了成本，且比對性能得到大幅提升，不僅高于衛(wèi)星共視時間比對，也高于衛(wèi)星雙向時間比對，采用該技術搭建溯源系統能夠有效的復現遠端標準時間。 本文設計和實現了基于光纖雙向時間比對技術的遠程溯源系統，采用原子頻標駕馭算法對光纖雙向時間比對的結果進行處理，并對本地時間源進行馴服，從而實現了時間偏差優(yōu)于1 ns 以及日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5E－15 的溯源指標。 同時為了提高系統的可靠性與穩(wěn)定性，研究主備路時間同步技術，搭建主備路同步驗證平臺，實現主備路時差優(yōu)于0.3 ns。

2 系統工作原理

光纖雙向時間比對溯源系統包括原子鐘分系統、時差測量分系統、駕馭控制分系統和監(jiān)控分系統，遠程標準時間位于A 地，本地原子時標位于B地，在A、B 兩地實驗室分別部署一臺光纖雙向時間比對設備，通過兩地間的光纖鏈路實現高精度雙向時間比對。 光纖雙向時間比對溯源系統的工作原理圖如圖1 所示。

圖1 光纖雙向時間比對溯源系統組成與工作原理圖Fig.1 Composition and theory of traceability system based on optical fiber two?way time comparison

B 地原子鐘分系統包括氫銫原子鐘、相位微躍計、無損切換器、秒信號分配器和頻率信號分配器組成，用于產生本地標準時間，并輸出10 MHz、1PPS時頻基準信號。 相位微躍計為頻率調整裝置，實現B地主路原子時標向A 地溯源。 為保證標準時間產生的穩(wěn)定性，設備均采用雙機熱備的工作方式。

時差測量分系統包括2 臺多通道比相儀、2 臺多通道時間間隔測量儀和1 套光纖雙向時間比對設備，主要用于系統內時間頻率信號測量和時間比對。 多通道比相儀和多通道時間間隔測量儀還可以對10 MHz 信號、1PPS 信號的異常情況進行監(jiān)測，包括跳頻、跳相和無數據等情形。

駕馭控制分系統包括服務器、數據采集軟件和綜合處理軟件，主要完成各類原始數據的計算處理、駕馭控制。 數據采集軟件實時獲取設備工作狀態(tài)信息和測量數據；綜合處理軟件對各種原始數據進行處理，計算和發(fā)送調整量。

監(jiān)控分系統包括系統監(jiān)控軟件和交換機，用于對全系統的各項狀態(tài)信息進行監(jiān)控。

3 設計與實現

3.1 采用偽碼測距的光纖雙向時間比對

光纖雙向時間比對技術已經成為遠程時間比對的重要手段，相關技術研究也取得了很大的進展。

采用的光纖雙向時間比對技術基于偽碼測距進行時間比對，經過光纖物理鏈路，消除環(huán)境對于鏈路時延的影響，保證傳輸鏈路的對稱性，實現高精度的雙向時間比對［4］，技術原理如圖2 所示。

圖2 基于偽碼測距的光纖雙向時間比對原理圖Fig.2 Theory of fiber two?way time comparison based on pseudo code ranging

采用基于偽碼測距進行光纖雙向時間比對的原理如下：

1）A 站參考源的10.23 MHz 和1PPS 信號輸入信號產生模塊輸出偽隨機碼，參考源的10 MHz 信號進入本振模塊產生70 MHz 中頻信號；

2）中頻調制模塊用于在70 MHz 載波上調制輸出擴頻信號；

3）光調制器A 將電信號調制轉換為光信號（波長λ1），半導體激光器A 發(fā)射光信號到光環(huán)行器A（端口1），端口2 為光纖注入口；

4）經過光纖鏈路后光信號進入光環(huán)形器B 的端口2，從端口3 輸出后再進入光電探測器B；

5）光電探測器B 用于將光信號光電轉換成70 MHz電信號；

6）70 MHz 電信號進入時間信號接收單元（B站）譯碼輸出得到測量數據TAB。 同理由B 站傳遞時間信號到A 站后由時間信號接收單元（A 站）譯碼輸出得到測量數據TBA。

設A 站發(fā)射偽碼測距信號的時刻為TA，B 站發(fā)射偽碼測距信號的時刻為TB，兩站時鐘的瞬時鐘差ΔT＝TB－TA，則：

計算得到A、B 兩地的鐘差。 光纖時間比對技術可以達到較高的比對結果，優(yōu)于1 ns。 所以，采用光纖時間比對用于A 站和B 站之間的時間比對。

3.2 光纖雙向時間比對數據預處理

光纖鏈路及設備外界環(huán)境的干擾使系統得到的時間比對結果存在噪聲，無法正確反映兩地原子鐘的參數性能，需要對比對數據進行預處理。 預處理主要包括異常探測與修正，流程如圖3 所示。 異常檢測與修正是采用野值判斷與剔除的方法，當系統檢測到比對數據長時間超過閾值，例如鏈路載噪比降低引起比對結果過大，則監(jiān)控界面告警提示并存儲告警日志，便于分析故障原因［5］。

圖3 光纖比對數據處理流程圖Fig.3 Data processing flowchart of optical fiber comparison

3.3 原子鐘評估與主鐘優(yōu)選

原子鐘分系統包括3 臺氫原子鐘，在系統運行初期階段，先通過監(jiān)測3 臺氫鐘性能評比選出主鐘、備用主鐘。 評比方法是使用多通道比相儀和多通道時間間隔測量儀測量3 臺氫鐘輸出的頻率信號和脈沖信號。

多通道比相儀測量3 臺氫鐘輸出10 MHz 的相位差，多通道時間間隔測量儀測量氫鐘輸出1PPS信號的相位差，使用測量的相位差數據計算得到兩兩互比的1 s，10 s，100 s，1 000 s，10 000 s 穩(wěn)定度和1 d 穩(wěn)定度，根據“三角帽法”，計算得出3 臺氫鐘各自的穩(wěn)定度［6］。

原子鐘評估的流程如下：

1）利用預處理后的鐘差數據進行原子鐘建模；

2）計算各原子鐘兩兩之間的頻率穩(wěn)定度，采用三源互比算法得到每個原子鐘的頻率穩(wěn)定度；

3）利用鐘性能分析結果進行監(jiān)視，性能出現異常的原子鐘彈出告警。

3.4 主鐘駕馭技術

主鐘駕馭技術原理是通過主鐘駕馭算法利用光纖比對數據計算出頻率調整量，發(fā)送給相位微躍計，駕馭產生實時頻率和脈沖信號［7］。

主鐘駕馭的流程為：

1）讀取數據庫中存儲的光纖雙向時間比對結果數據；

2）對光纖雙向時間比對時差數據進行預處理；

3）使用駕馭控制算法計算得到的調整量對B站主鐘進行駕馭，通過實時監(jiān)測B 站與A 站之間的時差并對相位微躍計進行控制，可以保證與A 站UTC（A）的一致性。

記ti時刻B 地與A 地之間的時差為：

由式（6）計算得到鐘速差k是利用相位微躍計進行輸出信號調整的基本依據。 調整策略一般采用定時調整方式，根據系統要求的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標，設計合適的調整周期及調整量閾值。

調整前首先判斷溯源業(yè)務是否開啟，若開啟則代表當前系統的溯源參考源為外部比對數據，若未開啟則代表系統為自主守時模式。 設置調整周期，系統將根據周期自動計算頻率調整量，并完成對UTC（B）的實時控制。 系統能夠靈活控制頻率控制量的最大門限，還可以手動輸入調整指令。

3.5 主備路時間同步技術

系統采用雙路熱備份設計以提高可靠性與穩(wěn)定性，在主鐘穩(wěn)定運行時，對備路相位微躍計進行頻率駕馭，確保備路相位微躍計輸出的頻率和相位與主鐘保持一致。 多通道時間間隔測量儀的測量準確度是50 ps，通過它來實時監(jiān)測主備路實時信號的相位差，并計算得到備路的頻率調整量，進而對備路相位微躍計進行駕馭。 主備路時間同步控制流程如圖4 所示。

圖4 主備路時間同步控制流程圖Fig.4 Time synchronization flowchart of main and standby channels

系統初始階段，先設置多通道時間間隔測量儀的網絡參數和測量間隔等，然后連續(xù)采集時差數據，對該組數據進行最小二乘法擬合，得到頻率偏差，給備路相位微躍計發(fā)送該調整量，縮小備鐘與主鐘間的頻率偏差。

精密同步階段實現主路與備路輸出時頻信號的精密同步，利用時差測量分系統的多通道時間間隔測量儀測量主備路鐘差，對鐘差結果進行數據處

3）第三層級：采用專用測試設備對關鍵信號進行檢測。

多通道比相儀對關鍵設備輸出的5 MHz，10 MHz信號指標進行檢測；多通道時間間隔測量儀對關鍵設備輸出的1PPS 信號指標進行檢測。

通過以上3 個層級的設計，可以保證全系統的運行狀態(tài)進行有效的檢測。

4 性能評估

基于光纖雙向時間比對的溯源系統通過A、B兩地部署的一套光纖雙向時間比對設備實時測量兩地鐘差，并通過數據處理算法結合相位微躍計實現B 地實驗室產生的UTC（B）與A 地實驗室的標準時間UTC（A）同步。 本套系統搭建后至今一直連續(xù)穩(wěn)定運行，選取2021 年10 月16 日至2021 年10月18 日（簡化儒略日MJD 為59 503～59 505）的溯源時差結果進行評估，曲線如圖5 所示。理，當主備路鐘差結果在閾值范圍內，則使用合適的駕馭算法計算頻率和相位調整量，實現主鐘對備鐘的駕馭［8］。 備鐘駕馭算法如下：

圖5 溯源時差結果圖Fig.5 Results of traceability effect

1）預報下一周期的備路相對于主路的頻率偏差。 對上一周期的主備時差線性擬合，計算出主備頻率偏差，發(fā)送給備路相位微躍計；

2）縮小主備鐘相位差。 通過多通道時間間隔測量儀測量得到主備時差，將該時差轉換為頻率調整量，發(fā)送給相位微躍計。

3.6 信號監(jiān)測技術

系統在線監(jiān)測按照3 個層級進行設計：

1）第一層級：設備自檢測（BIT）；

每個設備均采用自檢測設計，對其內部電路的關鍵參數進行檢測。

2）第二層級：系統信號流中，每臺設備對前級設備輸出信號進行檢測；

每臺設備均可對輸入信號的有無進行檢測，且均支持2 路以上的輸入。 當檢測到當前工作通道無信號時，設備自動切換至正常通道，保證輸出信號連續(xù)、可靠。

從圖5 可以得出，通過光纖雙向時間比對技術建立溯源系統復現的標準時間UTC（B）與守時實驗室A 地的UTC（A）時差能夠控制在（－0.6～0.7） ns之間，滿足了系統設計的指標要求。

下面對溯源系統復現的標準時間UTC（B）進行穩(wěn)定度分析，選取2021 年10 月一整月的時差，采用Allan 方差公式計算穩(wěn)定度，穩(wěn)定度結果曲線如圖6所示，由圖6 可知日頻率穩(wěn)定度小于5E－15。

圖6 日頻率穩(wěn)定度曲線圖Fig.6 The curve of daily frequency stability

主備路時間同步的驗證選取2022 年1 月30 日至2022 年1 月31 日（簡化儒略日MJD 為59 609～59 610）時間段，主備路時差控制在0.3 ns 以內，同步效果如圖7 所示。

圖7 主備路的時間偏差結果圖Fig.7 Results of time difference of main and standby channels

5 結束語

經光纖鏈路使用光纖雙向時間比對技術實現本地時間源向遠端基準時間源的頻率與相位同步。實驗結果表明，溯源后時間偏差在1 ns 以內。 該溯源系統指標高、可靠性強，可廣泛應用于高精度時間頻率傳遞系統中。