基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统

技术领域

本发明涉及到地基授时与光纤通信技术领域，特别涉及到一种基于地面光纤网络的地面 北斗高精度授时系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，各种设备和技术均需要以高精度的时间和频率为基础。例如， 智能化交通系统的建立和数字化地球的实现均需要以高精度的时间和频率为基础；现代战争 的各种监测和武器发射等也需要以高精度的时间和频率为基础。目前，应用最为广泛的均为 基于卫星导航系统的授时系统，由于是以卫星导航系统为基础，通常也称为天基授时系统。 如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO和中国的北斗系统。天基授时系统 依赖于卫星传播信号，即采用无线网络传播信号，容易受到外界干扰而不能使用（如人为的 电磁波干扰），也容易受天气或气候的影响。并且，只能在露天场所采用信号，如果卫星信号 被障碍物遮挡就不能使用。显然，现有技术基于卫星的高精度授时系统存在着易受干扰、易 受天气或气候的影响和只能在露天场所采用信号等问题。

发明内容

为解决现有技术基于卫星的高精度授时系统存在的易受干扰、易受天气或气候的影响和 只能在露天场所采用信号等问题，本发明提出一种基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时 系统。本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统包括设定零级、一级、二级和三 级共四个层级光纤网，采用级别校准机制保持各个层级光纤网的时钟同步，采用单纤双向校 准方法实现各层级光纤网的时钟同步，其中，

零级光纤网为多方形栅格节点网，至少包括二个以上的栅格节点，两两栅格节点之间至 少设置有三条路由，其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；所述栅格节点为系统授 时中心，其中，至少一个授时中心设置有精度为600万年差1秒的铯原子钟，至少一个授时 中心设置有精度为1500万年差1秒的高等级铯原子钟，且每秒脉冲1PPS与UTC比对相对 时间漂移累积≤0.5ns／天；零级光纤网以各个栅格节点的平均时刻作为授时基准；

一级光纤网为环状、树状或蜂窝状栅格节点网，两两栅格节点之间至少设置有三条路由， 其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；并且，一级光纤网至少有三条路由与零级光 纤网相连接，其中，一条为正常通道主用路由，另外二条为备用路由；一级光纤网的栅格节 点均设置有铯原子钟或氢原子钟，并与零级光纤网的时钟实现同步，其时间频率基准应达到： 相对频率偏差≤±5E-15／天～±1E-14／天，相对相位偏差≤±1ns／天，相对时间间隔偏差 ≤0.5ns～1ns；

二级光纤网为环状、树状或蜂窝状栅格节点网，两两栅格节点之间至少设置有三条路由， 其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；并且，二级光纤网至少有三条路由与一级光 纤网相连接，其中，一条为正常通道主用路由，另外二条为备用路由；二级骨干光纤网的栅 格节点均设置有铷原子钟，并与一级光纤网的时钟实现同步；

三级光纤网为环状、树状或蜂窝状栅格节点网，两两栅格节点之间至少设置有三条路由， 其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；并且，三级光纤网至少有三条路由与二级光 纤网相连接，其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；三级骨干光纤网的栅格节点均 设置有铷原子钟或受控晶体钟X01或X02或X03，并与二级光纤网的时钟实现同步；所述受 控晶体钟X01、X02和X03分别采用数字补偿晶体振荡器DCXO、电压控制式晶体振荡器 VCXO-1和电压控制式晶体振荡器VCXO-2；

所述采用级别校准机制保持各个层级光纤网的时钟同步是指整个系统按照高等级铯原子 钟→铯原子钟或氢原子钟→铷原子钟→DCXO→VCXO-1→VCXO-2的次序逐级不间断的自 动保持时钟同步，包括：依据上述次序分别设定主从同步关系，即高等级铯原子钟与铯原子 钟或氢原子钟为主从同步关系，铯原子钟或氢原子钟与铷原子钟为主从同步关系，铷原子钟 与DCXO为主从同步关系，以此类推；从时钟均以主时钟为基准保持同步；

所述采用单纤双向校准方法实现各层级光纤网的时钟同步，包括，在连接主从同步关系 两端的所有节点的两两之间均采用单纤特高精度时间传递方法保证两者之间的时钟同步，即 在主同步侧设置有主同步设备，从同步侧设置有从同步设备，主、从同步侧均采用单纤复用 设备实现两者之间的连接；采用主、从同步侧同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测 出后再予以补偿；并将主同步侧的时钟作为时间源；其中，

主同步设备：主要跟踪时间源，并将时间信息调制/解调到单纤双向光收发模块上，完成 总时延测量、时间信号双向比对；

从同步设备：主要实现时钟的锁相跟踪技术，实现特高精度时间同步以及时间信号的编 解码；

单纤复用设备；包括时延处理模块和单纤双向光收发模块，其中，时延处理模块主要用 于消除波长不同造成的不对称差值，完成传输时延的动态补偿；单纤双向光收发模块采用波 分复用技术，对传输的光波长作转换，到对端再作反转换，在同一根光纤中同时让两个光波 长通过不同光信道各自传输信息，使其各行其道，从而实现光信号在同一根光纤上相向传输；

并且，通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声；通 过周期的间断性的光纤时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差，剥离和分割光纤时 延漂移累积的负面影响。

进一步的，本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统，采用主、从同步侧同 步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，包括以下步骤：

（1）将主同步设备的时间同步设置跟踪本层级光纤网的时钟，其跟踪精度为±1ns；将带 有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；

（2）从同步设备进行频率同步，其跟踪精度为≤5×10E-14；

（3）测定总时延值，并通过下式计算主从时延T_AB，主同步设备通过移相网络将时间信 息提前T_AB，由此，同步时间精度可达到±5ns；

$C=T_{\mathrm{AB}}+T_{\mathrm{BA}}=(T_{\mathrm{ASS}}+T_{A{\mathrm{B\lambda }}_1}+T_{\mathrm{BSR}})+(T_{\mathrm{BSS}}+{T_{\mathrm{BA\lambda }}}_2+T_{\mathrm{ASR}})---\left(1\right)$

式中，T_AB为主同步侧到从同步侧的时延，T_BA为从同步侧到主同步侧的时延，T_ASS为主 同步侧设备内发送时延，为主同步侧到从同步侧的光纤传输时延，T_BSR为从同步侧设备 内接收时延，T_BSS为从同步侧设备内发送时延，为从同步侧到主同步侧的光纤传输时延， T_ASR为主同步侧设备内接收时延；所述主同步侧包括主同步设备、时延处理模块和单纤双向 光收发模块，所述从同步侧包括从同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块；

（4）从同步侧长时间地进行频率同步和时间同步，确保能够得到准确的每秒脉冲1PPS 信号，确保从同步侧时钟与主同步侧时钟同步。

进一步的，本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统通过短时间内进行多次 重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声，包括采用主、从同步设备之间的光纤 时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，并在1秒内进行80次以上的测量及补偿。

进一步的，本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统通过间断性的总时延测 试去除由于温度和老化而产生的时延偏差，包括采用主、从同步设备之间的光纤时延值及其 变化值精准测出后再予以补偿，且间隔时间为500秒以上，以此剥离和分割光纤时延漂移累 积的负面影响。

本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统的有益技术效果是可以构成与天基 授时系统（例如GPS/GLONASS/北斗卫星导航系统）互为备用、相互支撑的地基授时系统， 且具有成本低廉、抗干扰能力强和抗毁性高等特点，为我国军民用通信导航和定位系统提供 最基本的授时服务。

附图说明

附图1是本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统零级网和一级网的结构示 意图；

附图2是本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统主、从同步示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统作 进一步的说明。

具体实施方式

附图1是本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统零级网和一级网的结构示 意图，图中，L0－L6为零级光纤网栅格节点，F0－F6为一级光纤网栅格节点。由图可知， 本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统包括设定零级、一级、二级和三级共四 个层级光纤网，采用级别校准机制保持各个层级光纤网的时钟同步，采用单纤双向校准方法 实现各层级光纤网的时钟同步，其中，

零级光纤网为多方形栅格节点网，至少包括二个以上的栅格节点，两两栅格节点之间至 少设置有三条路由，其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；所述栅格节点为系统授 时中心，其中，至少一个授时中心设置有精度为600万年差1秒的铯原子钟，至少一个授时 中心设置有精度为1500万年差1秒的高等级铯原子钟，且每秒脉冲1PPS与UTC比对时间 漂移累积≤0.5ns／天；零级光纤网以各个栅格节点的平均时刻作为授时基准；

一级光纤网为环状、树状或蜂窝状栅格节点网，两两栅格节点之间至少设置有三条路由， 其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；并且，一级光纤网至少有三条路由与零级光 纤网相连接，其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；一级光纤网的栅格节点均设置 有铯原子钟或氢原子钟，并与零级光纤网的时钟实现同步，其时间频率基准应达到：相对频 率偏差≤±5E-15／天～±1E-14／天，相对相位偏差≤±1ns／天，相对时间间隔偏差≤ 0.5ns～1ns；

二级光纤网为环状、树状或蜂窝状栅格节点网，两两栅格节点之间至少设置有三条路由， 其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；并且，二级光纤网至少有三条路由与一级光 纤网相连接，其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；二级骨干光纤网的栅格节点均 设置有铷原子钟，并与一级光纤网的时钟实现同步；

三级光纤网为环状、树状或蜂窝状栅格节点网，两两栅格节点之间至少设置有三条路由， 其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；并且，三级光纤网至少有三条路由与二级光 纤网相连接，其中，一条为常通路由，另外二条为备用路由；三级骨干光纤网的栅格节点均 设置有铷原子钟或受控晶体钟X01或X02或X03，并与二级光纤网的时钟实现同步；所述受 控晶体钟X01、X02和X03分别采用数字补偿晶体振荡器DCXO、电压控制式晶体振荡器 VCXO-1和电压控制式晶体振荡器VCXO-2；

所述采用级别校准机制保持各个层级光纤网的时钟同步是指整个系统按照高等级铯原子 钟→铯原子钟或氢原子钟→铷原子钟→DCXO→VCXO-1→VCXO-2的次序逐级不间断的自 动保持时钟同步，包括：依据上述次序分别设定主从同步关系，即高等级铯原子钟与铯原子 钟或氢原子钟为主从同步关系，铯原子钟或氢原子钟与铷原子钟为主从同步关系，铷原子钟 与DCXO为主从同步关系，以此类推；从时钟均以主时钟为基准保持同步；

所述采用单纤双向校准方法实现各层级光纤网的时钟同步，包括，在连接主从同步关系 两端的所有节点的两两之间均采用单纤特高精度时间传递方法保证两者之间的时钟同步，即 在主同步侧设置有主同步设备，从同步侧设置有从同步设备，主、从同步侧均采用单纤复用 设备实现两者之间的连接，采用主、从同步侧同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测 出后再予以补偿；并将主同步侧的时钟作为时间源，其中，

主同步设备：主要跟踪时间源，并将时间信息调制/解调到单纤双向光收发模块上，完成 总时延测量、时间信号双向比对；

从同步设备：主要实现时钟的锁相跟踪技术，实现特高精度时间同步以及时间信号的编 解码；

单纤复用设备：包括时延处理模块和单纤双向光收发模块，其中，时延处理模块主要用 于消除波长不同造成的不对称差值，完成传输时延的动态补偿；单纤双向光收发模块采用波 分复用技术，对传输的光波长作转换，到对端再作反转换，在同一根光纤中同时让两个光波 长通过不同光信道各自传输信息，使其各行其道，从而实现光信号在同一根光纤上相向传输；

并且，通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声；通 过间断性的总时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差，剥离和分割光纤时延漂移累 积的负面影响。

附图2是本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统主从同步示意图，图中，1 为主同步设备，2为从同步设备，3为单纤复用设备，4为主同步侧时钟，5为从同步侧时钟。 由图可知，采用单纤双向校准方法实现各层级光纤网的时钟同步，包括，在连接主从同步关 系两端的所有节点的两两之间均采用单纤特高精度时间传递方法保证两者之间的时钟同步， 即在主同步侧设置有主同步设备，从同步侧设置有从同步设备，主、从同步侧均采用单纤复 用设备实现两者之间的连接，采用主、从同步侧同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准 测出后再予以补偿；并将主同步侧的时钟作为时间源，其中，

主同步设备：主要跟踪时间源，并将时间信息调制/解调到单纤双向光收发模块上，完成 总时延测量、时间信号双向比对；

从同步设备：主要实现时钟的锁相跟踪技术，实现特高精度时间同步以及时间信号的编 解码；

单纤复用设备：包括时延处理模块和单纤双向光收发模块，其中，时延处理模块主要用 于消除波长不同造成的不对称差值，完成传输时延的动态补偿；单纤复用设备采用波分复用 技术，对传输的光波长作转换，到对端再作反转换，在同一根光纤中同时让两个光波长通过 不同光信道各自传输信息，使其各行其道，从而实现光信号在同一根光纤上相向传输；

具体步骤包括：

（1）将主同步设备的时间同步设置跟踪本层级光纤网的时钟，其跟踪精度为±1ns；将带 有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；

（2）从同步设备进行频率同步，其跟踪精度为±5E-14；

（3）测定总时延值，并通过下式计算主从时延T_AB，主同步设备通过移相网络将时间信 息提前T_AB，由此，同步时间精度可达到±5ns；

$C=T_{\mathrm{AB}}+T_{\mathrm{BA}}=(T_{\mathrm{ASS}}+T_{A{\mathrm{B\lambda }}_1}+T_{\mathrm{BSR}})+(T_{\mathrm{BSS}}+{T_{\mathrm{BA\lambda }}}_2+T_{\mathrm{ASR}})---\left(1\right)$

式中，T_AB为主同步侧到从同步侧的时延，T_BA为从同步侧到主同步侧的时延，T_ASS为主 同步侧设备内发送时延，为主同步侧到从同步侧的光纤传输时延，T_BSR为从同步侧设备 内接收时延，T_BSS为从同步侧设备内发送时延，为从同步侧到主同步侧的光纤传输时延， T_ASR为主同步侧设备内接收时延；所述主同步侧包括主同步设备、时延处理模块和单纤双向 光收发模块，所述从同步侧包括从同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块；

（4）从同步侧长时间地进行频率同步和时间同步，确保能够得到准确的每秒脉冲1PPS 信号，确保从同步侧时钟与主同步侧时钟同步。

为滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声，本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授 时系统通过短时间内进行多次重复测量及补偿进行滤除，包括采用主、从同步设备之间的光 纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，并在1秒内进行80次以上的测量及补偿。

为去除由于温度和老化而产生的时延偏差，本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度 授时系统通过间断性的总时延测试进行去除，包括采用主、从同步设备之间的光纤时延值及 其变化值精准测出后再予以补偿，且间隔时间为500秒以上。

本发明基于地面光纤网络的地面北斗高精度授时系统的有益技术效果是可以构成与天基 授时系统（例如GPS/GLONASS/北斗卫星导航系统）互为备用、相互支撑的地基授时系统， 且具有成本低廉、抗干扰能力强和抗毁性高等特点，为我国军民用通信导航和定位系统提供 最基本的授时服务。