高精度時頻信號的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

周 兵,龔 航

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094; 2.國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073)

0 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對衛(wèi)星與地面鐘差、各地面站時間同步測量精度的要求不斷提高,地面運(yùn)控系統(tǒng)對主控站和注入站的時間和頻率也提出更高的要求,主控站、注入站內(nèi)包含中心節(jié)點(diǎn)機(jī)房和若干末節(jié)點(diǎn)機(jī)房，要求時頻系統(tǒng)傳輸?shù)礁鱾€系統(tǒng)末節(jié)點(diǎn)的時頻信號具有與中心節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)母叻€(wěn)定度、低相位噪聲和時間延遲一致性。通常主控站設(shè)備采取集中布設(shè),時頻系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的傳輸距離不超過100 m,時頻系統(tǒng)通過電纜將各系統(tǒng)所需的多路時頻信號傳送到各個末節(jié)點(diǎn)使用。近年來城市建設(shè)快速發(fā)展,主控站周邊的高層建筑遮擋了地面站天線對低仰角衛(wèi)星的有效觀測,電磁環(huán)境的日趨惡化降低了衛(wèi)星信號測量的精度,這些對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

如果將主控站信號收發(fā)測量設(shè)備放置在距離城市較遠(yuǎn)區(qū)域,可以有效解決城市高層建筑物遮擋、電磁環(huán)境惡化和城市用地緊張等問題。而要實現(xiàn)主控站設(shè)備遠(yuǎn)距離分布結(jié)構(gòu),必須解決主控站時間和頻率信號經(jīng)過幾公里或上百公里傳輸,在末節(jié)點(diǎn)使用仍然具有與主控站時頻信號相同的高穩(wěn)定度、低相位噪聲和時間延遲一致性的難題。傳統(tǒng)的通過電纜遠(yuǎn)距離傳輸會帶來傳輸損耗大、信號不穩(wěn)定而無法滿足使用要求,采用光纜將主控站與遠(yuǎn)端設(shè)備相連接的方法,可以很好地解決這個問題。

采用光纖有線鏈路傳輸,與衛(wèi)星雙向時間比對(TWSTFT)[1-2]、衛(wèi)星共視(CV)[3-4]等方法相比,沒有大氣傳播延時等模型修正誤差,通過雙向比對可以有效克服環(huán)境溫度變化和傳輸設(shè)備老化對時間傳遞精度產(chǎn)生的影響，因而光纖時間同步精度相比前兩種方法都要高。因為是有線傳輸,受光纖傳輸距離限制,該方法目前主要用于在100 km以內(nèi)的站點(diǎn)之間進(jìn)行時間頻率傳遞[5-6],常用于地面運(yùn)控系統(tǒng)大型地面站的分布站與中心站之間的時間同步。

1 實現(xiàn)原理

光纖時間同步法的原理為,在光纖內(nèi)進(jìn)行雙向傳輸時間比對信號,利用雙向比對抵消鏈路傳輸延時,由于雙向同時傳輸,可以抵消掉光纖傳輸路徑上的環(huán)境溫度影響,從而實現(xiàn)高精度的時間同步。

主機(jī)房中心節(jié)點(diǎn)的時頻信號與遠(yuǎn)端機(jī)房單個末節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑O(shè)備組成如圖1所示。

圖中主機(jī)房A與末節(jié)點(diǎn)B分別以本地鐘面時互發(fā)信號,被對方接收,從而測得兩個時延值,兩個時延值之差即為兩地鐘相對鐘差觀測量。

主機(jī)房A與末節(jié)點(diǎn)B之間相對鐘差ΔTAB可表示為

圖1 主機(jī)房與遠(yuǎn)端機(jī)房光纖傳輸設(shè)備組成框圖

(1)

主機(jī)房時頻系統(tǒng)產(chǎn)生高精度的時頻基準(zhǔn)信號1 PPS和10 MHz,其中光電發(fā)送單元將10 MHz信號調(diào)制在光載波上,通過光纖傳輸?shù)侥┕?jié)點(diǎn)。時間傳遞信號產(chǎn)生單元以1 PPS信號為時間基準(zhǔn)控制10 MHz信號產(chǎn)生包含時間信息的擴(kuò)頻碼,通過光電發(fā)送單元調(diào)制在光載波上傳輸?shù)侥┕?jié)點(diǎn)。時間傳遞信號恢復(fù)單元將末節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街鳈C(jī)房的包含時間信息的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解調(diào),提取出末節(jié)點(diǎn)的1 PPS信號,通過時間比對單元測量出主機(jī)房與末節(jié)點(diǎn)1 PPS信號的時差,并將該測量結(jié)果調(diào)制在擴(kuò)頻碼上發(fā)送到末節(jié)點(diǎn)。

末節(jié)點(diǎn)光電接收單元同時接收10 MHz頻率信號和擴(kuò)頻碼時間信號。由于遠(yuǎn)距離傳輸對頻率信號穩(wěn)定度、相噪、信號幅度等指標(biāo)影響較大,因此末節(jié)點(diǎn)頻率信號恢復(fù)單元具備了相位噪聲凈化功能,可以恢復(fù)出與主機(jī)房相位噪聲和短期穩(wěn)定度相同的頻率信號,而長期穩(wěn)定度則鎖定在主機(jī)房傳到末節(jié)點(diǎn)的10 MHz頻率信號上。時間傳遞信號恢復(fù)單元、時間信號比對單元和時間信號產(chǎn)生單元的功能與主機(jī)房設(shè)備相同,完成末節(jié)點(diǎn)與主機(jī)房1 PPS信號的比對和時差測量數(shù)據(jù)的雙向發(fā)送。

主機(jī)房與末節(jié)點(diǎn)設(shè)備交換雙向比對測量結(jié)果后,由式(1)可以計算出兩個站點(diǎn)的鐘差,末節(jié)點(diǎn)根據(jù)鐘差計算結(jié)果調(diào)整本地生成的1 PPS相位,從而可以實現(xiàn)主機(jī)房與末節(jié)點(diǎn)之間的時間同步。

2 驗證實驗與結(jié)果分析

根據(jù)上述原理研制了原理樣機(jī),如圖2、圖3所示利用樣機(jī)開展了時頻信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)尿炞C實驗。實驗平臺連接關(guān)系如圖4所示。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備樣機(jī)

圖3 末節(jié)點(diǎn)設(shè)備樣機(jī)

圖4 驗證實驗連接框圖

中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)設(shè)備均放置在主機(jī)房內(nèi),利用銣鐘作為中心節(jié)點(diǎn)的時間頻率基準(zhǔn),中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)通過光纖進(jìn)行雙向時間比對,實現(xiàn)時頻基準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離傳輸。通過將末節(jié)點(diǎn)經(jīng)過同步后恢復(fù)的1 PPS與銣鐘的1 PPS進(jìn)行比對,驗證時間傳輸性能;通過測量末節(jié)點(diǎn)恢復(fù)輸出的10 MHz的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo),驗證頻率傳輸性能。

2.1 時間傳輸實驗與結(jié)果

實驗時采用1 km光纖,進(jìn)行24 h比對測試,測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)的單向時延

圖6 中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時間同步結(jié)果

圖5中正向時延為末節(jié)點(diǎn)的時間比對模塊測得的中心節(jié)點(diǎn)至末節(jié)點(diǎn)的傳輸時延,反向時延為中心節(jié)點(diǎn)的時間比對模塊測得的末節(jié)點(diǎn)至中心節(jié)點(diǎn)的傳輸時延。從圖5的結(jié)果可以看出,正向時延與反向時延變化基本一致,說明了光纖鏈路的對稱性。由于存在發(fā)射時延與接收時延等通道零值,正向時延與反向時延之間存在一定系統(tǒng)偏差,中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)時間同步時可以通過時延標(biāo)定消除零值的影響。

圖6示出了中心節(jié)點(diǎn)與末節(jié)點(diǎn)同步以后,利用圖卻中SR620測得的末節(jié)點(diǎn)輸出1 PPS與中心節(jié)點(diǎn)輸入1 PPS之間的相位差。從圖6的結(jié)果可以看出,利用本文的光纖雙向時間同步方法可以實現(xiàn)高精度的遠(yuǎn)距離時間同步,24 h相位波動小于0.2 ns.

2.2 頻率傳輸實驗與結(jié)果

利用圖4實驗平臺測量末節(jié)點(diǎn)輸出10 MHz信號的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo)如表1和表2所示。其中頻率穩(wěn)定度的傳輸插損定義為

(2)

相位噪聲的傳輸插損定義為

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

(3)

式中:Li(f)為中心節(jié)點(diǎn)輸入頻率基準(zhǔn)信號的相位噪聲;Lo(f)為末節(jié)點(diǎn)輸出頻率信號的相位噪聲。

表1 末節(jié)點(diǎn)輸出10 MHz信號的頻率穩(wěn)定度

表2 末節(jié)點(diǎn)輸出10 MHz信號的相位噪聲

從表1和表2的結(jié)果可以看出,利用本方法可以實現(xiàn)高精度頻率信號的遠(yuǎn)距離傳輸。頻率穩(wěn)定度傳輸插損小于0.4,說明傳輸插損遠(yuǎn)低于輸入信號指標(biāo),對穩(wěn)定度指標(biāo)傳遞基本不會造成影響;相位噪聲傳輸插損小于2 dB,對相位噪聲指標(biāo)傳遞影響很小。

3 結(jié)束語

本文討論了一種通過光纖實現(xiàn)高精度時間頻率遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆椒?描述了該方法的實現(xiàn)原理,并利用原理樣機(jī)搭建實驗平臺進(jìn)行了驗證實驗,結(jié)果表明利用本文方法可以實現(xiàn)高精度時頻信號的遠(yuǎn)距離傳輸,1 km距離時間傳遞精度優(yōu)于0.2 ns.本文為大型地面站的高精度時頻信號的遠(yuǎn)距離傳輸提供了一種較為有效的方法。

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