王 鹏 李世光 党明朝 毛新凯

(北京无线电计量测试研究所，北京 100039)

1 引 言

我国正向信息化、网络一体化高速发展，推动信息化技术的不断革新，远程时间同步系统对通用型高精度时频同步的需求不断增强[1]。

目前，远程时间同步系统中，时频传递的主要手段为共视卫星技术、卫星双向技术以及北斗授时技术[2]。卫星共视时间传递技术是一种利用卫星导航系统进行远程时间传递的技术方法[3]。两个有一定距离的观测站于同一时刻观测相同一个导航卫星，从而获取它们相应的本地时间与导航系统时间之间的偏差，然后通过交换数据求解两站之间的时间偏差。卫星双向时间比对技术利用系统的两站之间各自将本地原子频标1PPS利用导航卫星在同一时刻相互传递，由时差测量算法计算并记录比对一方与另一方的时差数据，两站交换比对数据，即可计算得到两地钟的钟差，实现两地时间的同步[4]。

但在实际使用中，共视卫星技术的所传递的时频信号具有滞后效果；而卫星双向技术在使用过程中需要租借商用卫星作为信道，大规模使用时成本很高。

因此，为满足远程时间同步系统高精度时频同步需要，研制低成本、实时性较强的高精度时频同步技术是必要的。

2 时频同步技术

2.1 时频同步原理

时频同步技术采用1台主机、若干台从机的配置实现时频同步技术实现。主机采用“同步-守时-发播”的基本原理工作。首先接收北斗、GPS、GLONASS、B(AC)码、B(DC)码、长波、短波、外部TOD+1PPS等外部定时信号，可对外部时间解调信号质量进行判断，确定有效的时间源并按优先级进行时间源切换，并将内部铷原子钟采用驯服技术锁定到选定的外部时间源。采用高精度的守时模块，确保在失去外部参考信号情况下输出时间满足精度要求，通过温度补偿、老化补偿等多种手段，提高守时精度。通过主从机链路为从机提供时频信号，利用10MHz、1PPS、TOD、NTP/PTP等信号主机附近时频设备提供时频信号。从机通过主从机链路从主机获取时频信号，利用驯服技术将本地晶振锁定到主机时间源上，并将获取到的高精度时频信号通过10MHz、1PPS、TOD、NTP/PTP等时频信号为附件时频设备提供时频信号，时间频率同步技术原理如图1所示。

图1 时频同步技术原理框图Fig.1 Principle of time-frequency synchronization technology

2.2 驯服技术

驯服技术利用鉴相器获取本地频率源与外参考信号的相位偏差，依据该偏差驯服本地频率源，使其更加精确的跟踪于外参考。当外参考输入消失时，本地频率源将在之前驯服效果的基础上持续运行[5]。滤波与PID控制单元从高精度时间间隔测量电路得到时差数据，将时差数据进行Kalman平滑滤波后，再经过PID比例积分环节得出当前的压控电压，通过D/A控制模块转换为两组数据分别传输至两块16位D/A芯片中，由两块D/A协作输出本地频率源频率调整量，经一段时间的调整，本地频率源能够同步于外部参考时钟。在正常获取相差的情况下，本地频率源保持驯服状态，输出的频率信号的长期稳定度和准确度能够被保证；当受到外界干扰，参考信号出现短暂缺失的情况时，系统自身可通过之前获得的时差数据预测未来的驯服调整量，从而保持自驯服一段时间，直至参考信号恢复。驯服原理框图如图2所示。

图2 驯服原理框图Fig.2 Taming principle block diagram

2.3 光纤双环网技术

目前主从机链路方案主要有共视卫星及卫星双向技术。

表1 各时频同步技术指标Tab.1 Technical indexes of time-frequency synchronization序号传递技术同步精度稳定度(1d)1共视卫星5ns1E-142卫星双向0.5ns1E-15

由表1可见，共视卫星技术受限于技术特点不能实时进行主从机之间时频同步；卫星双向技术可以实时进行同步，并具有良好的指标特性，但使用时需要借助商用卫星，成本昂贵。利用光纤技术传递时频信号，既可以实时传递高指标时频信号，同时又可以大大降低传输成本。因此，基于光纤双环网技术实现时频同步是最佳选择。

在时频传递过程中，采用相位补偿法在主机通过测量信号源发送的时间信号和从机回传到主机的时间信号的延时差，从而实时确定链路的延时值。在同一个光纤链路中传输的两个信号，信号单向传输的延迟近似于测量出来的延迟的二分之一，链路以此数据做补偿算法，近而获取到高精度的时间频率信号[6,7]。

双环网技术可以使一台主机同时为多台从机提供高精度时频同步服务，满足为大规模、多种时频终端设备提供高精度、时频信息的能力。同时，双环网技术具备自愈合能力，可以在单环故障、光纤链路故障、单节点故障情况下，起到保护时频同步系统的能力，提高时频同步系统的可靠性[8]。

3 光纤双环网时频同步技术

光纤双环网时频同步技术组成如图3所示。

图3 光纤双环网时频同步技术系统组成框图Fig.3 Time-frequency synchronization technical system composition diagram of optical fiber double-loop network

时频同步技术主要由时频主机和时频分机组成，通过主、分及级联实现分布式时频同步服务。主机通过光纤双环网链路与从机构成级联环路，将高精度时频信息在光线环路内共享传输。分机从环路上获取时频信息，将本地时间和频率与主机同步后，输出时间和标准频率信息至其他用时/用频设备。环路内分机数量不受限制，实现按需分配。

3.1 时频同步主机设计

时频同步主机原理框图如图4所示。

主机通过北斗/GPS/GLONASS接收机、短波接收机、长波接收机、B时间码接收单元、外部TOD+1PPS接收单元获取对应的TOD+1PPS信息，将获取的1PPS脉冲信号及本地1PPS脉冲信号利用高精度时间间隔计数器测量时差，得到的时差数据送到嵌入式处理器与相应的时间源TOD进行合并判断操作，选择最优时间源的TOD、1PPS作为参考源送入高精度守时单元及驯服处理单元进行进一步操作。驯服处理单元将参考1PPS利用驯服技术对铷原子钟进行频率调整，输出高精度频率信号；高精度守时单元利用所选则的TOD及驯服处理单元输出的驯服1PPS产生高精度时间信号TOD、1PPS，提供给PTP/NTP服务器、1PPS+TOD输出单元及光纤链路单元；光纤链路单元同时从铷钟获取高精度频率信号并将高精度时频信息传递到光纤双环网链路。

图4 时频同步主机原理框图Fig.4 Principle block diagram of time-frequency synchronization host

3.2 时频同步从机设计

时间频率同步从机系统原理如图5所示。

从机通过光纤链路获取到主机传递的时频同步信息进行解析获取与主机同步的TOD、1PPS作为参考TOD、1PPS，分别送到高精度守时单元及驯服处理单元。驯服处理单元将参考1PPS利用驯服技术对铷原子钟进行频率调整，输出高精度频率信号；高精度守时单元利用所选则的TOD及驯服处理单元输出的驯服1PPS产生高精度时间信号TOD、1PPS，提供给PTP/NTP服务器、1PPS+TOD输出单元。

图5 时频同步从机原理框图Fig.5 Schematic diagram of time-frequency synchronization slave

4 实验数据

分别采用钟组守时系统和北斗/GPS/GLONASS作为系统时间源对时频同步进行了测试，得到了较好的结果。

当系统时间源采用北斗/GPS/GLONASS时，将1台主机与3台从机分别利用1km光纤组成双环网系统，分别将从机1、从机2、从机3与主机进行对比，获得主分机同步实验数据见表2。

以UTC(BIRMM)标准时间输出的TOD+1PPS做系统时间源，UTC(BIRMM)的准确度优于1E-15，频率稳定度优于1E-15@1d，将1台主机与3台从机分别利用1km光纤组成双环网系统，分别将时间频率同步系统从机1、时间频率同步系统从机2、时间频率同步系统从机3与时间频率同步系统主机比较获得的主分机同步实验数据，见表3。

根据试验数据，光纤双环网上任意节点均能很好的从主机获取高精度时频同步信息。

表2 采用北斗/GPS/GLONASS时间源的实验数据Tab.2 Main extension synchronization experiment data of beidou /GPS/GLONASS time source序号比对链路同步精度稳定度(1d)1主机-从机14.2E-134.6E-132主机-从机24.5E-134.9E-133主机-从机33.6E-134.3E-13

表3 采用UTC(BIRMM)时间源的实验数据Tab.3 Main extension synchronization experiment data with UTC(BIRMM)time source序号比对链路同步精度稳定度(1d)1主机-从机13.7E-134.8E-142主机-从机23.8E-134.9E-143主机-从机33.5E-135.2E-14

5 结束语

本文介绍一种基于光纤双环网的高精度时频同步技术设计方法，针对低成本高精度这一问题提出新的设计思路。根据文中给出的测试数据可见，本方法原理简单，适合小型化设计，相对于卫星双向等手段成本低廉，适合在时频同步领域推广。