一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法。与现有时间同步技术相比较，本发明利用单纤传递的方式通过双向比对实现超精密时间频率的传递，且提出的云同步方法，可以构建单纤传递超精密时间频率基准的四级云同步网络来支撑地基授时，形成基于地面光纤网络的高精度地基授时系统，从而构成与天基授时系统互为备用、相互支撑的高精度授时系统，在任何地点、任何时间为我国国防军事网络提供超精密授时服务，为民用通信网络和各种专用通信网络提供极其精准的再生UTC原子时超精密时间频率基准。
【专利说明】—种光纤网络高精度授时系统的云同步方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超精密时间频率同步系统和光纤通信【技术领域】，尤其涉及一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法。
【背景技术】
[0002]卫星导航定位和授时系统是最关键的国家基础设施之一。目前世界上几个大国都在积极发展自己的高精度时间和频率统一系统，例如美国的GPS、俄罗斯的GL0NASS、欧洲的GALILEO、中国的北斗卫星导航系统，但是，这些都是基于卫星导航系统的天基授时系统。由于天基授时系统存在着容易受外界干扰、受天气影响大、只能覆盖露天场所等缺陷，近年来我国非常重视研究基于地面光纤网络的地基授时系统。地基授时系统可以构成与天基授时系统互为备用、相互支撑的高精度授时系统，为我国的军用和民用系统提供授时、导航和定位服务。2003年中国科学院国家授时中心在国内率先提出了利用光纤传递高精度时间的设想并开展了相关的研究工作。2006年国网电力科学研究院与华东电网公司联合开展了《利用SDH光通信网络传递高精度标准时间项目》的研究工作，重点研究SDH光通信网络传递高精度时间的关键技术。目前国内对于光纤时间传递的研究主要利用SDH传送网进行传输，它的精度一般只能达到百纳秒(ns)级。SDH光传输设备在传递时间频率基准上存在较多的缺陷:例如目前现网中应用的光通信传输终端机设备本身时延值较大，且Ta发幸Tb发、Ta收古Tb收；由于SDH光传输设备内没有对时间同步精度提出具体要求，使每台设备的传输实际时延值误差变化较大且无监测校正补偿手段，同时还存在光纤链路不对称误差。由于SDH光传输设备的网元时钟单元只按照G.813规范要求设计，其再现性没有要求，故其误差达几十微秒?100微秒，用来传递超精密时间频率基准是不可能的。当使用架空光缆实现区间长距离通信时，假设以200km架空光缆来估算光纤时延的年波动和老化漂移，光纤时延的温度变化系数为40ps / km.°C，从严冬-15°C?盛夏+45°C，计算结果是:40ps / km.°C X 200kmX 60°C= 480.0OOns0 如果再考虑到光纤的老化，按 3ps / km.°C计算得到光纤的老化漂移为36.000ns，这种极其缓慢变化的漂移累积会对高精度时间频率同步带来严重的负面影响并造成恶性循环。
[0003]由于光纤的时延漂移累积随着设备级联次数η的增加而不断累积，光纤的时延漂移累积与设备级联次数η的平方根成正比，级联次数有限导致传输距离受限。现有的光同步数字传输网SDH授时网络中各个授时点的时间精度不相同，随着时间同步网定时链路级联次数的增加，链路上各个授时点的时间精度越来越差，不能进行长距离光纤高精度时间传递。目前国内外利用光纤网络来传递高精度时间频率基准的技术手段离实用化还有一定的差距，一些关键的技术问题尚未解决，尤其是现有技术不能消除光纤传输时延随着时间、温度、光纤老化等极其缓慢的变化而产生极其缓慢的时延漂移和漂移累积给时间频率同步带来不良影响。随着传递距离的增加，漂移将不断累积，这将限制基准定时链路上设备的级联次数，从而使定时传递距离受到限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就在于提供一种解决基准定时链路上设备的级联次数受限导致定时传递距离受限的问题，消除因光纤老化和温度变化引起的漂移随着传递距离增加而不断累积，进而提出了一种适用于光纤网络高精度授时系统的云同步方法，针对现有时间同步技术的缺陷，利用单纤传递的方式通过双向比对实现超精密时间频率的传递。采用本发明提出的云同步方法，可以构建单纤传递超精密时间频率基准的四级云同步网络来支撑地基授时，形成基于地面光纤网络的高精度地基授时系统，从而构成与天基授时系统互为备用、相互支撑的高精度授时系统，在任何地点、任何时间为我国国防军事网络提供超精密授时服务，为民用通信网络和各种专用通信网络提供极其精准的再生UTC原子时超精密时间频率基准。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，方法如下:[0006](1)在线监测云同步网中光中继器的双向比对时间频率基准的传递时延，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定和均衡补偿网络进行修正；
[0007]根据有关资料介绍，光纤的漂移系数Kf为40ps~50ps / km.°C，激光器的温度漂移系数Kl为3ps / km.°C。在高精度时间同步和长距离传递时间基准时这些漂移都是必须要考虑的因素。1250km光纤的漂移累积为50ns~62.5ns / °C，老化为3.75ns / V (深埋1.5米的地下光缆的温度变化很小，浅埋的次之，架空光缆温度日波动最大。若架空光缆100km，日波动±20°C，则漂移波动±80ns。月波动、年波动则更大)。100km有数个激光器由于老化因素时延漂移随时间的平方变化。两端的光传输设备(包括电接口复用设备)的时延和老化漂移累积变化值都需要剥离分割开来。光纤的极其缓慢的时延漂移和漂移累积，通过采用光纤时延在线监测技术、光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，可以标准化、标称化地逐段将光纤时延变化牢牢地控制在< Ins~5ns的范围内；
[0008]光缆传输光中继距离如果是75km~100km或更长，沿着“O级”无缝骨干网络直达路由，逐级将光缆中的光纤时延变化进行在线监测，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定均衡补偿网络逐级进行补偿和修正，可以将光纤的极其缓慢的变化和影响精准地控制在≤Ins的范围之内；
[0009]主站一从站的时间同步就是主从两个栅格节点的再生UTC原子时IPPS上升沿时刻对齐，计量它的偏差值即为时间间隔偏差(TID — Time Interval Deviation)。当实现主站的IPPS减去从站的IPPS ( Ins时，就达到了超精密的时间同步。云同步方法就是利用单纤波分复用和光纤在线监测等多项专利技术，将主站一从站的光缆内的每根光纤的实际时延值精准地测出，其精度可达< 0.1ns，然后根据实际使用的这根光纤的长度选定标称值和与此对应的Txk码及虚拟距离，用二元比对(频率相位比对和时间相位比对)的环路来完成。由于采用硬件电路实现的时延恒定，既可以完全避免软件运行时间不确定的问题，又可以成功剥离和分割光纤时延漂移变化对时间同步的负面影响，提高了云同步网络栅格节点的性能；
[0010]利用光纤实现双向比对检测和返回校验监测技术，完成对光纤传输时延的精准测量，以主站IPPS上升沿为Txk码帧头起始点可实现光纤时延的精准的周期性自动在线监测，剥离和分割光纤时延变化帯来的时间漂移累积的负面影响，光纤时延变化自动锁定恒定和均衡补偿修正。采用三点归一算法，二元锁相技术检测验证从站云同步IPPS的精确度(时间间隔度量尺度< Ins)；
[0011] 沿着干线网直达路由的光中继段逐级在线监测光纤时延并加装可程控零衰耗光纤时延补偿网络。每段标准化、标称化恒定锁相补偿后，最后延伸到1250公里一4000公里的Txk码总长度的直达路由，通过双向比对测量将逐级传递的恒定锁相均衡补偿后的漂移累积以及最后一级光中继段光纤的时延漂移同时恒定锁相均衡补偿，并建立与国家授时中心IPPS相对偏差< Ins的超精密时间频率基准。如果光中继距离是500公里，也按上述方法分段补偿，只是Txk码是400bit / s (时间间隔是2.5毫秒)。“一级”、“二级”、“三级”网络也按此方法处理，只是光缆距离是25公里、50公里、100公里、200公里、500公里。对应的Txk码和标称化恒定时延值如下表所示，
[0012]Txk码与标准时间间隔、光纤长度的时延对应关系
[0013]
【权利要求】
1.一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:方法如下， (I)在线监测云同步网中光中继器的双向比对时间频率基准的传递时延，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定和均衡补偿网络进行修正； (2 )在具有铯原子钟的时间频率输出接口端嵌入双向比对单元，实现“零距离”松耦合锁相同步，并进行返回校验； (3)采用低噪声输出系统，确保时钟短期内10~1000Os的抖动噪声和时间的间隔抖动优于0.5ns ； (4)采用至少六进六出的网络构建可用度达99.99996 %的超精密时间频率基准； (5)通过地面光纤网络“一级”栅格节点参与空中北斗近百台原子钟大比对、大校验，实现地面和空中的铯原子钟统一跟踪全国授时中心的高精度原子钟，使所有原子时钟的钟差^ Ins (6)其云同步方法就是利用时间、频率和时延三者的辩证关系，将原子时钟和各等级高稳定低相位噪声输出的恒温晶体时钟捆绑在一起，按照高增益鉴频鉴相“过零”检测锁相技术要求，逐级自动溯源使最低等级的时钟都能够达到: 与铯原子时钟的相对频率偏差(FD) ( ±1E-14 /天~±5E-14 /天； 与铯原子时钟的相对相位偏差(PD) ( ±lns /天~±5ns /天； 与铯原子时钟的相对时间间隔偏差(TID) ( Ins ； 然后形成以铯原子时钟为中心的再生UTC原子时超精密时间频率云同步网。
2.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:步骤(1)中，采用光纤时延在线监测技术、光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，可以标准化、标称化地逐段将光纤时延变化牢牢地控制在< Ins~5ns的范围内，达到在线监测传递时延的目的；再利用光纤实现双向比对检测和返回校验监测技术，完成对光纤传输时延的精准测量，以主站IPPS上升沿为Txk码帧头起始点可实现光纤时延的精准的周期性自动在线监测，剥离和分割光纤时延变化帯来的时间漂移累积的负面影响，光纤时延变化自动锁定恒定和均衡补偿修正，采用三点归一算法，二元锁相技术检测验证从站云同步IPPS的精确度，时间间隔度星尺度< Ins。
3.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:步骤(1)中，主站一从站的时间同步就是主从两个栅格节点的再生UTC原子时IPPS上升沿时刻对齐，计量它的偏差值即为时间间隔偏差，当实现主站的IPPS减去从站的IPPSS Ins时，就达到了超精密的时间同步。
4.根据权利要求2所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:沿着干线网直达路由的光中继段逐级在线监测光纤时延并加装可程控零衰耗光纤时延补偿网络，每段标准化、标称化恒定锁相补偿后，最后延伸到1250公里一4000公里的Txk码总长度的直达路由，通过双向比对测量将逐级传递的恒定锁相均衡补偿后的漂移累积，以及最后一级光中继段光纤的时延漂移同时恒定锁相均衡补偿，并建立与国家授时中心IPPS相对偏差< Ins的超精密时间频率基准；若光中继距离是500公里，也按上述方法分段补偿，只是Txk码为400bit / s，时间间隔为2.5毫秒。
5.根据权利要求2所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:光缆传输光中继距离如果是75km~IOOkm或更长，沿着“O级”无缝骨干网络直达路由，逐级将光缆中的光纤时延变化进行在线监测，并且通过加装可程控零衰耗光纤时延自动锁定均衡补偿网络逐级进行补偿和修正，可以将光纤的极其缓慢的变化和影响精准地控制在(Ins的范围之内。
6.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:步骤(1)中，由于时间同步传输总时延是由光纤的时延、设备的处理时延、输入输出接口时延组成，因此需要采用标准化自适应扩展输出接口，控制各类时间接口的误差< 1ns，在云同步网络中称为时间零ns偏差输入输出传递连接技术，电接口和光接口时延均衡将主站—从站50~1000km、1000~5000km范围内各自分段进行补偿，就能够确保主从站之间的双向传输通道的传输时延值几乎相等。
7.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:步骤(2)所述“零距离”松耦合锁相同步，采用“零距离”松耦合鉴频鉴相过零检测锁相技术，使双向比对单元输出的Txk码的时间和频率基准与铯原子钟的完全一致，误差< 0.5ns，各类时间基准输出接口都是自适应零时延的标称化、标准化的输出接口线，确保输出的IPPS的精度。
8.根据权利要求1所述的一种光纤网络高精度授时系统的云同步方法，其特征在于:步骤(2)所述返回校验，采用“O级”返回校验的方法，最高级别的返回校验是使主站能通过双向数据链路一清二楚地知道它所同步的从站时钟的主要功能和性能以及同步效果，并且知晓传输通道的稳定性和不确定度，主站的高等级别时钟能准确无误地知道被它同步的所有从站的从时钟同步状态和单纤传递时间频率的相对不稳定性或不确定度，能精准无误地判断每个从站的再生UTC原子时的时间报文有无误码、错秒、跳秒或丢秒。
【文档编号】H04J3/06GK103916204SQ201410081032
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】李有生, 向培, 丁巍, 李琦, 孟志才, 李高峰, 李忠文, 彭良福 申请人:成都泰富通信有限公司