周 兵,龚 航

(1.北京卫星导航中心,北京 100094; 2.国防科技大学电子科学与工程学院,湖南 长沙 410073)

0 引 言

随着卫星导航系统对卫星与地面钟差、各地面站时间同步测量精度的要求不断提高,地面运控系统对主控站和注入站的时间和频率也提出更高的要求,主控站、注入站内包含中心节点机房和若干末节点机房，要求时频系统传输到各个系统末节点的时频信号具有与中心节点相当的高稳定度、低相位噪声和时间延迟一致性。通常主控站设备采取集中布设,时频系统与其他系统间的传输距离不超过100 m,时频系统通过电缆将各系统所需的多路时频信号传送到各个末节点使用。近年来城市建设快速发展,主控站周边的高层建筑遮挡了地面站天线对低仰角卫星的有效观测,电磁环境的日趋恶化降低了卫星信号测量的精度,这些对卫星导航系统的稳定运行造成严重影响。

如果将主控站信号收发测量设备放置在距离城市较远区域,可以有效解决城市高层建筑物遮挡、电磁环境恶化和城市用地紧张等问题。而要实现主控站设备远距离分布结构,必须解决主控站时间和频率信号经过几公里或上百公里传输,在末节点使用仍然具有与主控站时频信号相同的高稳定度、低相位噪声和时间延迟一致性的难题。传统的通过电缆远距离传输会带来传输损耗大、信号不稳定而无法满足使用要求,采用光缆将主控站与远端设备相连接的方法,可以很好地解决这个问题。

采用光纤有线链路传输,与卫星双向时间比对(TWSTFT)[1-2]、卫星共视(CV)[3-4]等方法相比,没有大气传播延时等模型修正误差,通过双向比对可以有效克服环境温度变化和传输设备老化对时间传递精度产生的影响，因而光纤时间同步精度相比前两种方法都要高。因为是有线传输,受光纤传输距离限制,该方法目前主要用于在100 km以内的站点之间进行时间频率传递[5-6],常用于地面运控系统大型地面站的分布站与中心站之间的时间同步。

1 实现原理

光纤时间同步法的原理为,在光纤内进行双向传输时间比对信号,利用双向比对抵消链路传输延时,由于双向同时传输,可以抵消掉光纤传输路径上的环境温度影响,从而实现高精度的时间同步。

主机房中心节点的时频信号与远端机房单个末节点远距离传输的设备组成如图1所示。

图中主机房A与末节点B分别以本地钟面时互发信号,被对方接收,从而测得两个时延值,两个时延值之差即为两地钟相对钟差观测量。

主机房A与末节点B之间相对钟差ΔTAB可表示为

图1 主机房与远端机房光纤传输设备组成框图

(1)

主机房时频系统产生高精度的时频基准信号1 PPS和10 MHz,其中光电发送单元将10 MHz信号调制在光载波上,通过光纤传输到末节点。时间传递信号产生单元以1 PPS信号为时间基准控制10 MHz信号产生包含时间信息的扩频码,通过光电发送单元调制在光载波上传输到末节点。时间传递信号恢复单元将末节点传输到主机房的包含时间信息的扩频码进行解调,提取出末节点的1 PPS信号,通过时间比对单元测量出主机房与末节点1 PPS信号的时差,并将该测量结果调制在扩频码上发送到末节点。

末节点光电接收单元同时接收10 MHz频率信号和扩频码时间信号。由于远距离传输对频率信号稳定度、相噪、信号幅度等指标影响较大,因此末节点频率信号恢复单元具备了相位噪声净化功能,可以恢复出与主机房相位噪声和短期稳定度相同的频率信号,而长期稳定度则锁定在主机房传到末节点的10 MHz频率信号上。时间传递信号恢复单元、时间信号比对单元和时间信号产生单元的功能与主机房设备相同,完成末节点与主机房1 PPS信号的比对和时差测量数据的双向发送。

主机房与末节点设备交换双向比对测量结果后,由式(1)可以计算出两个站点的钟差,末节点根据钟差计算结果调整本地生成的1 PPS相位,从而可以实现主机房与末节点之间的时间同步。

2 验证实验与结果分析

根据上述原理研制了原理样机,如图2、图3所示利用样机开展了时频信号远距离传输的验证实验。实验平台连接关系如图4所示。

图2 中心节点设备样机

图3 末节点设备样机

图4 验证实验连接框图

中心节点与末节点设备均放置在主机房内,利用铷钟作为中心节点的时间频率基准,中心节点与末节点通过光纤进行双向时间比对,实现时频基准的远距离传输。通过将末节点经过同步后恢复的1 PPS与铷钟的1 PPS进行比对,验证时间传输性能;通过测量末节点恢复输出的10 MHz的频率稳定度和相位噪声指标,验证频率传输性能。

2.1 时间传输实验与结果

实验时采用1 km光纤,进行24 h比对测试,测试结果如图5、图6所示。

图5 中心节点与末节点的单向时延

图6 中心节点与末节点时间同步结果

图5中正向时延为末节点的时间比对模块测得的中心节点至末节点的传输时延,反向时延为中心节点的时间比对模块测得的末节点至中心节点的传输时延。从图5的结果可以看出,正向时延与反向时延变化基本一致,说明了光纤链路的对称性。由于存在发射时延与接收时延等通道零值,正向时延与反向时延之间存在一定系统偏差,中心节点与末节点时间同步时可以通过时延标定消除零值的影响。

图6示出了中心节点与末节点同步以后,利用图却中SR620测得的末节点输出1 PPS与中心节点输入1 PPS之间的相位差。从图6的结果可以看出,利用本文的光纤双向时间同步方法可以实现高精度的远距离时间同步,24 h相位波动小于0.2 ns.

2.2 频率传输实验与结果

利用图4实验平台测量末节点输出10 MHz信号的频率稳定度和相位噪声指标如表1和表2所示。其中频率稳定度的传输插损定义为

(2)

相位噪声的传输插损定义为

L(f)=Lo(f)-Li(f),

(3)

式中:Li(f)为中心节点输入频率基准信号的相位噪声;Lo(f)为末节点输出频率信号的相位噪声。

表1 末节点输出10 MHz信号的频率稳定度

表2 末节点输出10 MHz信号的相位噪声

从表1和表2的结果可以看出,利用本方法可以实现高精度频率信号的远距离传输。频率稳定度传输插损小于0.4,说明传输插损远低于输入信号指标,对稳定度指标传递基本不会造成影响;相位噪声传输插损小于2 dB,对相位噪声指标传递影响很小。

3 结束语

本文讨论了一种通过光纤实现高精度时间频率远距离传输的方法,描述了该方法的实现原理,并利用原理样机搭建实验平台进行了验证实验,结果表明利用本文方法可以实现高精度时频信号的远距离传输,1 km距离时间传递精度优于0.2 ns.本文为大型地面站的高精度时频信号的远距离传输提供了一种较为有效的方法。

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