梁益丰，许江宁，吴苗，江鹏飞

（海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

0 引言

通过标准时间信息的传递使各地时钟统一于标准时间的过程可称为授时[1]。随着人们对时间需求的不断提高，测时手段从天文测时到原子时，授时精度已经从秒、毫秒量级发展到如今的纳秒、亚纳秒甚至更高。高精度的时间基准对航天、航海、制导等尖端行业至关重要，并将在现代战争中起到关键作用。据美国Defense One网站2017年5月10日报道，美国空军战略与技术中心研究人员提出了授时战的概念，指出美军需重视PNT（导航、定位与授时）中的授时信息，并逐渐把“T”从其中独立出来，可见构建高精度授时系统的紧迫性和重要性[2]。

时间基准和频率基准紧密相关，具有相互对应的关系。时频同步技术是指通过某种手段将处于异地的时钟产生的时频信号进行比对并形成统一时频基准的过程，授时过程是时频同步技术的具体应用[3]。随着时间基准精度的提升，时频同步技术发展迅速。目前常用的方法有：搬运钟时频同步、自由空间微波时频同步、卫星时频同步、光纤时频同步。其中搬运钟法适用于点对点时频比对，难以应用于大范围授时，在此不作讨论。

1 自由空间微波时频同步

自由空间微波时频同步是指通过无线电通信完成时频同步的技术，主要通过短波和长波进行传输。我国的短波和长波授时由中国科学院国家授时中心提供。

1.1 短波授时

短波授时中时频信号传输的方式与短波通信方式相同，都是通过天波和地波的方式进行无线电波传播。通过近距离地波传输、远距离天波传播的方式能够满足大多数用户需求，因此很多国家的授时工作是从短波入手的。我国自 1970年开始提供BPM授时，目前UTC时刻发播准确度优于50μs，标准频率载频的发播准确度优于 1 0-12。从发播准确度来说，短波授时精度较高，但从授时原理分析，其传播方式存在明显缺陷[5]。

图1 短波授时原理示意图

图1示意性地介绍了短波授时原理。由于短波中的天波信号在传播时存在多径效应，且电离层高度在不断变化，用户所接受的时间信号相位会受到干扰，无法获得准确的传播时延值，所以时间同步和频率稳定度指标受限。因此人们开始发展长波授时技术。

1.2 长波授时

长波授时所使用的地波波长远大于短波授时，因此信号可以沿地表传播到很远的地方。典型的长波授时系统是罗兰C系统，其导航站遍布全球。我国的BPL长波授时台自1979年开始提供授时，其体制与罗兰C系统基本相同。在卫星导航技术普及之前，由于传播距离远且适用于电导率高的海面，罗兰C系统成为舰船最依赖的导航手段之一。目前BPL长波授时台的授时主要技术指标如下：发播时刻准确度优于1μs，发播频率准确度优于10-12，作用范围最大可达到3000km[5]。

长波授时的传播时延十分稳定，受电离层的干扰较小，其精度相对短波有很大提升。BPL的作用范围广，抗干扰能力强，因此至今仍是卫星导航的重要补充，且在军事领域的作用难以取代。除短波和长波授时外，自由空间微波时频同步技术中的微波链路一直是解决卫星与地面之间时频同步的主要手段，其中地面钟与星载钟之间的时频同步精度是决定定位精度的关键因素。

2 卫星时频同步

利用卫星进行同步与比对是目前应用最为广泛的时频同步技术，也是精度较高的手段之一，自GPS投入使用以来便很快成为授时领域的重要研究方向。卫星授时常用方法为单向法、共视法（CV）、双向时间频率传递法（TWSTFT），传递的信号为标准时间。其中单向法是指卫星和地面之间的单一方向授时，原理与自由空间微波时频同步法相似，信号传播受卫星位置、电离层时延、设备时延等影响，授时精度只能达到100ns左右。

2.1 卫星共视法

图2 卫星共视法时频同步过程示意图

如图2示意，卫星共视法适用于两观测站能同时观测到同一颗卫星的情况，因为卫星将信号传递给两观测站的过程经过的介质基本相同，它部分消除了星载钟稳定度、电离层时延误差带来的影响，时间同步精度能够达到5～10ns[6]，通过多星（4星）共视甚至能达到1ns以内。当两地不能观测到同一颗卫星时，无法使用共视法。

2.2 双向时间频率传递法

双向卫星时间频率传递技术是全双工的双向时间频率传输的典型应用，是指两观测站将各自的时频信号通过调制解调器变频后，互相通过卫星进行双向转发的过程，实质上是在共视和双向传输的基础上完成的。由于各自收发信号的时刻已知，传输路径基本对称，所有时延基本均可抵消，因此其时间比对准确度已经可以优于1 ns，频率同步稳定度优于10-14/天，是目前最高精度的授时技术之一[7]。

显然相比长波授时，卫星时频同步覆盖面积广阔，技术指标有较大提升，并且我国北斗二代卫星导航定位系统的完善将会使授时精度再次得到提高，在民用方面发挥更大作用。但是卫星导航系统始终存在成本昂贵、信号脆弱的根本性问题，在战时的可靠性堪忧，所以建立覆盖全球的高生存性、抗干扰的天基导航网络任重道远[8]。

3 光纤时频同步

20世纪70年代起，随着光纤损耗和半导体激光器性能取得突破，光纤通信进入了实用阶段，很多国家由此展开了应用光纤进行时间频率传输的研究，其中美国NIST研究小组、德国PTB、日本国家计量院等机构取得了重要成果[9]。我国对光纤授时技术的研究起步较晚但进展迅速，因为低损耗、高稳定、大带宽等独特优势，近年来光纤时间频率同步技术已经成为精度最高的授时手段。中科院国家授时中心的超稳窄线宽激光实验、国家计量中心与清华大学在80 km市内光缆进行的时频传递实验授时精度均已达到10ps量级[3，10]。

图3 光纤授时一般结构示意

如图3所示，不同光纤授时手段的结构一般是类似的，根据传输网络的不同主要有如下分类：一种是通过SDH（同步数字体系）传送网传送时间频率信息，包括使用SDH业务传输和SDH开销字节传输，另外一种是通过DWDM（密集型光波复用）光传送网络传输，分为 Round-trip（环回）法和双向对比法。

3.1 SDH传输法

SDH是一种基于频率同步和时分复用的光传输技术，通常是单向传递。其时间信息可以通过 E1支路的业务通道或 SDH 的复用段开销的空闲字节完成传递，能够实现授时信息的任意节点传输，具有较好的灵活性。但是因通道和协议的不同，在传输过程中可能会多次调整指针，传输时延数值大且难以确定，经锁相和滤波处理后授时精度也只能达到亚微秒。

此外，通过 SDH网授时还存在着物理链路不对称性等结构导致的缺陷，使得授时无法跨越复用段或者跨越复用段时授时精度不高，而且在这个过程中误差会不断积累，这些特点决定了利用 SDH网络无法实现远距离、高精度授时。

3.2 DWDM传输法

通过DWDM设备进行时间传输的原理公式如下：

公式中影响授时同步精度的主要因素有：来回链路不对称性、光源的不稳定性、测量手段的不准确性、延时控制不够精密以及硬件延时的不稳定性等。硬件处理的时延和T可以准确测得，于是可以由测得的环路时延得到单向时延，利用该单向时延对终端站接收到的 IPPS进行补偿，即得到准确的时间。

Round-trip采用估算的方式，直接将环路时延的一半当作单程时延，用于时钟补偿，其估算误差不可避免。在千公里级的时间传递距离内，经过补偿后传递精度可以优于 100ps。双向对比法的不同之处在于其采用了计数器通过测量本地时间与对端发送过来的时间差来计算两地钟差，从而以一端钟源为基准调整另一地钟源，是两地钟源同步，所以使用双向对比法的精度比Round-trip还要高。

目前的高精度光纤授时技术比较局限于点对点条件，难以组成复杂的授时网络以实现超远距离传输，但有很大潜力可以挖掘。例如上海交大结合BTDM-SFSW的特点，提出了一种单向放大单纤双向传输的方法，在6000 km的光纤环路上实现了稳定度优于190 ps/s的时间传递[4]；四川泰富公司采取的“光纤时延伺服锁定和精确控制技术”有效解决了时间精度随光纤拉远而大幅下降的问题[11]。可见光纤时间频率传递有望成为一种能突破现有技术限制、实现超长距离高精度时间频率传递的有效途径。

4 发展趋势

根据以上分析，当前长波授时、卫星TWSTFT、光纤DWDM传输等三种授时方法在不同系统下发挥了作用，各自的特点参见表1。

表1 不同高精度授时方法特点比较

在当前我国加快构建“综合PNT体系”的大环境下，结合军事方面对时间信息的需求，总结高精度授时方法发展现状及趋势：

（1）卫星授时因其覆盖范围大、授时精度高的特点成为了民用和工业用时的主要手段之一，在较长一段时间内将仍然是使用最广泛的授时技术；

（2）长波授时能够胜任精度要求一般的场景，并且罗兰C系统的较强抗毁性和海上传播能力决定了它在军事方面的关键作用，军用导航台的建设需要与时俱进；

（3）光纤的屏蔽效应和光网络自动保护机制有助于建立抗毁能力和抗干扰能力强的地面时间频率网络，可首先依托部队完善的光缆网用于全军授时节点间的高精度同步，逐步发展为主要的研究方向。

5 结语

作为航天等尖端科技的必备基础，高精度授时技术正随着科研水平的快速提高而得到更多关注。目前卫星授时因其优良的技术指标而得到广泛应用，长波授时已经成为军用授时的备用方案，光纤授时则在不断发展中体现出综合优势。但从光纤授时技术的发展现状出发，想要构建完善的系统，还需要抓紧解决远距离锁相、多点下载、网络化等技术难题。此外量子优化等自由空间时间传递技术也在尝试之中[12]，为授时技术的发展增加了更多可能。