远距离高精度光纤双向时间比对方法研究

王崇阳，蔚保国,王正勇

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

远距离高精度光纤双向时间比对方法研究

王崇阳1,2，蔚保国1,2,王正勇1,2

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对光纤传输链路因受光信号衰减、温度变化和振动等因素引起的光学相位起伏，影响时间比对精度的问题，研究了基于双向伪码测距原理的光纤双向时间比对方法，并搭建模型系统进行了实验验证。结果表明，通过单光纤双向双波长的传输方案，在65 km光纤链路上，抵消了往返链路传输时延的不对称性，使时间比对精度可达108 ps。温度变化引起光纤折射率变化是导致时延波动的主要因素，对温度变化与光纤时延的关系进行了分析和仿真，通过温度试验验证了光纤时延随温度变化的温度漂移系数与理论值相符。

伪码测距；光纤双向时间比对；高精度；温度漂移系数

0 引言

高精度时间传递可以提高导航系统的授时精度，从而提高卫星导航系统位置和速度信息获取的精度[1]。光纤双向时间比对是一种单纤双向双波长高精度时间比对方法，采用不同波长在同一根光纤中进行双向传递，由于在信号往返链路上都受到相同的环境变化，因此可以认为环境变化引起的往、返链路时延变化是相同的[2]。该方法精度可以达到100 ps量级，相比于卫星传输中常见的ns量级精度指标，在传输精度上提高了一个数量级[3]。而且利用光纤进行高精度时间传递具有损耗低、抗电磁干扰、价格低和结构简单的优势，使其成为远距离高精度时间传递的主要方案之一[4]。德国物理技术研究所(PTB)在73 km光纤链路上进行了光纤双向时间比对试验，时间比对精度低于100 ps[5]；法国激光物理实验室(LPL)报道了540 km的光纤时间频率传递试验[6]；国家计量院和北京卫星导航中心报道了109 km光纤双向时间比对试验，时间比对精度优于200 ps[7]。

由于受到光信号衰减和发射引入的噪声、光纤色散特性、温度变化以及振动等因素影响，光纤传输链路存在较大的光学相位的随机起伏，对时间比对精度带来较大的影响。本文提出了一种基于双向伪码测距的光纤时间比对方法，利用同一根光纤进行时间信号的传递，可以抵消环境温度变化、振动等引起的影响，经过试验验证精度可以达到100 ps量级[8]。利用所设计的光纤双向时间比对系统及温控设备验证了光纤链路的温度漂移系数。

1 一种适合远距离高精度的光纤双向比对方法

1.1 光纤双向时间比对原理

光纤双向时间比对原理如图1所示。

(a) 光纤双向比对系统A站

(b) 光纤双向比对系统B站图1 光纤双向比对系统原理

A站钟源输出的10 MHz时频信号进入本振模块生成70 MHz信号，钟源输出的1 PPS、10.23 MHz时频信号进入信号产生模块实现伪随机码生成，再进入中频调制模块将伪码信号调制到70 MHz载波上，输出70 MHz扩频信号，70 MHz电信号进入光调制器A进行电光转换成波长为λ1的光信号，经过半导体激光器A发射进入光环行器A的端口1，从端口2注入光纤；光信号经过光纤链路从光环形器B的端口2进入，端口3输出进入光电探测器B，将接收到的光信号转换成70 MHz电信号，再进入B站时间信号接收单元获得测量数据TAB[9]。时间信号由B站经光纤时间比对系统传向A站的工作原理与上述A站向B站传递时间信号是一致的，得到测量数据TBA[10]。

设TA为A站发射测距信号时刻，TB为B站发射测距信号时刻，A站和B站两地钟的瞬时钟差ΔT=TB-TA，则

(1)

(2)

(3)

当A站和B站在同一时刻发送1 PPS信号，由于传输路径相同且传输光信号波长接近，传输时延接近可近似相等，即τBA≈τAB，则有

(4)

1.2 温度变化对光纤时延的影响

温度是影响光纤时间比对的主要原因[11]，当温度变化时，光纤折射率会随之发生变化，且光纤本身会因为温度改变产生物理上热膨胀或压缩，使得光信号在光纤中传输的时延发生变化，从而接收端接收到的信号会发生抖动[12]。

光信号通过长度为L、群折射率为ng的光纤的传输时延τ为[13]：

(5)

当温度发生变化时，时延的变化为[14]：

(6)

式(6)表明了光纤时延将随温度的变化而变化，即温度变化会产生时延抖动[15]。单模裸光纤和预涂覆光纤的热膨胀系数很小，约为5×10-7℃，光纤长度为100km(25 ℃时)，光波长1 550nm，通过仿真得到的光纤时延随温度的变化如图2所示。

图2 光纤链路时延随温度的变化

由图2可以看出，虽然函数关系式较为复杂，但光纤时延在-20～50 ℃随温度的变化几乎是线性的，且变化率为正值。

光纤时延随温度的变化通常采用光纤时延温度漂移系数Kf来表征，它是指当某一波长的光信号在光纤上传输时，由单位温度变化引起的单位长度光纤传输时延的变化，通过计算得出在波长为1 550 nm处，在-20～50 ℃的范围内，温度漂移系数典型值为38.24 ps/km℃。

2 光纤双向时间比对试验及试验结果

2.1 光纤双向时间比对试验系统

光纤双向时间比对系统框图如图3所示，进行比对的A站和B站分别配备一个钟源，钟源提供时间信号发射单元工作所需的时码信号(1PPS、10MHz等)，时间间隔计数器(SR620)用于测量A站和B站的实际钟差。由A站和B站得到的时间比对测量数据TAB和TBA通过测试软件进行存储。

图3 光纤双向时间比对系统

在65 km的光纤链路上对上述方案进行了试验验证，A站发射光波长为1 550.12 nm，B站发射光波长为1 550.92 nm，码速率为5.115 Mcps。试验获得2个单向测试伪距值；实际钟差由时间间隔计数器SR620直接测得；测量钟差经光纤双向比对算法利用2个伪距值计算获得。

试验结果如图4所示。波峰和波谷代表了昼夜环境温度变化引起的光纤时延波动，单向伪距值与实际钟差的差值表示单向时延波动。由图4可以看出，A站与B站间的双向时延波动趋势相同；测量钟差与实际钟差的差值表示光纤双向时间比对精度。经过约48 h的长时间试验，比对精度为108 ps，如图5所示。

图4 光纤双向比对系统双向时延波动

图5 光纤双向时间比对精度

2.2 温度试验

为了验证光纤双向时间比对试验中温度变化对光纤链路的影响，利用温箱开展了光纤双向时间比对温度试验，试验中将50 km的光纤置于温箱中，试验结果如图6所示。

(a) 温箱温度曲线

(b) 时延变化图6 光纤时间比对系统时延随温度变化结果

从试验数据可知，温度变化导致时延缓慢且大动态范围的变化，在-35～50 ℃的高低温环境下，光纤单向传输路径时延变化为165.1 ns，可以计算得出温度漂移系数为38.85 ps/km℃，与理论值符合较好。

3 结束语

本文提出了基于双向伪码测距的光纤时间比对方法，并通过试验验证了光纤时间比对精度可达到100ps量级。但由于光纤色散特性引起的链路不对称性、光器件处理引入的误差及硬件电路时延的不对称性等仍会带来较大误差[16]，可以通过模型修正及硬件时延标定等方法进一步提高时间比对精度。

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王崇阳 男，(1990—)，硕士研究生。主要研究方向：光纤时频传递。

蔚保国 男，(1966—)，博士生导师，研究员。主要研究方向：卫星导航总体技术、航天测控技术、阵列信号处理技术和自动测试系统技术等。

Research on Remote High-accuracy Two-way Time Transfer Based on Optical Fiber

WANG Chong-yang1,2,YU Bao-guo1,2,WANG Zheng-yong1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The time transfer accuracy is influence by optical phase fluctuation of transmission link based on optical fiber caused by optical signal attenuation,temperature variation and vibration.In view of this problem,this paper studies an optical-fiber two-way time transfer method based on two-way pseudo noise (PN) ranging principle,and builds the model system for test and verification.The results show that the single optical-fiber two-way dual-wavelength transmission scheme can eliminate the asymmetry of to-and-from link transmission time delay in 65 km optical-fiber link,and make time transfer accuracy up to 108 ps.The main factor causing time delay fluctuation is optical fiber refractive index variation caused by temperature variation.This paper analyzes and simulates the relationship of temperature variation and optical-fiber time delay.The temperature test results show that the temperature drift coefficient of optical-fiber time delay varying with temperature accords with theoretical value.

PN code ranging;two-way time transfer through optical fiber;high accuracy;temperature drift coefficient

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.12

王崇阳,蔚保国,王正勇.远距离高精度光纤双向时间比对方法研究[J].无线电工程,2017,47(3):47-50.

2016-12-21

国家自然科学基金资助项目(91638203)。

TN253

A

1003-3106(2017)03-0047-04