双向时分复用时间传递系统的控制方法

摘要

一种双向时分复用的光纤时间传递系统控制方法，依次包括下列步骤:光纤链路放大器前向时序同步、光纤链路放大器后向时序预同步、第二光纤时间传递单元本地定时信号预调整、光纤链路放大器后向时序同步和双向时分复用时间比对过程中第二光纤时间传递单元本地定时信号动态调整。随着光纤链路距离的延长，光纤时间传递系统内设备单元，主要是双向光放大器的数目，会线性增加。本发明协调系统中各设备单元的工作时序，实现高精度长距离光纤时间传递。

权利要求

1.一种双向时分复用光纤时间传递系统的控制方法，双向时分复用光纤时间传递系统包括由N个双向光放大器和(N+1)段光纤构成光纤传输链路，位于该光纤链路两端的第一光纤时间传递单元和第二光纤时间传递单元，其特征在于，该方法依次包括下列步骤：

1)光纤链路放大器前向时序同步，具体包括：

当第一光纤时间传递单元检测到本地定时信号时，启动光信号发送，通过光纤链路向第二光纤时间传递单元发送时间码，时间码发送完成后关闭光信号发送；

光纤链路放大器1根据检测到第一光纤时间传递单元发送时间码的时刻tf1，确定下一次将其内部传输方向设置为前向传输的时刻tf11

光纤链路放大器2根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tf2，确定下一次将其内部传输方向设置为前向传输的时刻tf22

……

光纤链路放大器N根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tfn，确定下一次将其内部传输方向设置为前向传输的时刻tfnn

2)光纤链路放大器后向时序预同步，具体包括：

第二光纤时间传递单元将接收到的来自第一光纤时间传递单元的定时信号延迟τd，该τd大于等于时间码时长和启动光信号发送的时间之和，并将其编码到时间码中，启动光信号发送，通过光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

光纤链路放大器N根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tbn，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻tbnn

光纤链路放大器N-1根据检测到第二光纤时间传递单元发送时间码的时刻tb(n-1)，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻tb(n-1)(n-1)

……

光纤链路放大器1根据检测到第二光纤时间传递单元发送时间码的时刻tb1，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻tb11

3)第二光纤时间传递单元本地定时信号预调整，具体包括：

①当第一光纤时间传递单元检测到本地定时信号时，启动光信号发送，第一光纤时间传递单元通过光纤链路向第二光纤时间单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

②第二光纤时间传递单元检测到从第一光纤时间传递单元发送的定时信号后，测量本地定时信号与接收到的从第一光纤时间传递单元发送的定时信号之间的差值τ12，同时将接收到的从第一光纤时间传递单元发送的定时信号延迟一个固定时间τd，使第二光纤时间传递单元在完成对第一光纤时间传递单元时间码的接收后，立即启动光信号发送，将此延迟后的定时信号和本地测量的时间差值τ12及τd编码到时间码中，并通过光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

③第一光纤时间传递单元测量步骤①发送的本地定时信号的时刻与从第二光纤时间传递单元接收到的定时信号之间的时间差值τ21，并从时间码中解码出τ12和τd，第一光纤时间传递单元根据下列给定的定时信号调整条件和调整量，计算第二光纤时间传递单元本地定时信号需要的调整量Td，并在下一次检测到本地定时信号时编入时间码，通过光纤链路发送给第二光纤时间传递单元，其余时间关闭光信号发送；

当τ21-τd>2τ12，则τ12+τc+τr

当τ12＜＜T＜＜τ12+τc+τr，则τ12+τc+τr-T

当T>τ12+τc+τr，且τ21-τd-τ12+τc+τr>0，则τ12+τc+τr

当T>τ12+τc+τr，且τ21-τd-τ12+τc+τr<0，则无需调整；

其中，τc为时间码的时长；T为定时信号的周期；τr为预留的时分复用冗余时间，τr包括启动光信号发送的时间、关闭光信号发送的时间、光纤传输延迟变化及仪器测量误差；

4)光纤链路放大器后向时序同步，具体包括：

第二光纤时间传递单元接收第一光纤时间传递单元传送的延迟调整信息，并在检测到本地定时信号后，通过时延调整单元将本地定时信号延迟Td，编入时间码，启动光信号发送，并通过光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

光纤链路放大器N根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′bn，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻t′bnn

光纤链路放大器N-1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′b(n-1)，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻t′b(n-1)(n-1)

……

光纤链路放大器1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′b1，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻t′b11

5)双向时分复用时间比对过程中第二光纤时间传递单元本地定时信号动态调整，具体步骤如下：

第一光纤时间传递单元根据下列给定的定时信号调整条件和调整量，计算第二光纤时间传递单元本地定时信号需要的调整量Td，并随包含定时信号和本地测量的时钟差的时间码发送给第二光纤时间传递单元；

当τ21-τd>2τ12，则τ12+τc+τr

当τ12＜＜T＜＜τ12+τc+τr，则τ12+τc+τr-T

当T>τ12+τc+τr，且τ21-τd-τ12+τc+τr>0，则τ12+τc+τr

当T>τ12+τc+τr，且τ21-τd-τ12+τc+τr<0，则无需调整；

其中，τc为时间码的时长；T为定时信号的周期；τr为预留的时分复用冗余时间，τr包括启动光信号发送的时间、关闭光信号发送的时间、光纤传输延迟变化及仪器测量误差；

第二光纤时间传递单元根据接收到的调整量Td，通过时延调整单元调整本地定时信号，记录该调整量并将该调整量Td编码到包含延时后的本地定时信号和本地测量的时钟差的时间码中，发送给第一光纤时间传递单元。

说明书

双向时分复用时间传递系统的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤时间频率传递领域，具体是一种双向时分复用光纤时间传递系统的控制方法。

背景技术

[0002] 高精度的时间传递技术在卫星导航、深空探测、地质测绘、基本物理量测量等领域有着重要的应用价值。目前基于卫星的时间传递技术，如GPS共视法(CV)、双向卫星时间传递(TWSTFT)，可以达到ns量级的时间传递精度。随着光钟等更高稳定度和不确定度钟源的发明和投入运行，这些技术已经不能满足科学研究和社会发展的需求。基于卫星激光测距的天基时间传递技术(T2L2)的理论不确定度可以优于100ps。但天基时间传递技术都存在着系统复杂、成本昂贵、实现周期长、安全性差、可靠性差等缺点。光纤传输具有低损耗、大容量、高速、高稳定、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛的应用。利用现有广泛分布的光纤通信网络，进行基于光纤的时间传递是实现高精度长距离时间传递的有效途径。

[0003] 基于同纤同波双向时分复用的光纤时间传递方案[参见吴龟灵；胡亮；张浩；陈建平,"高精度光纤双向时间比对方法与系统,"公开号：CN104168077A,2014.]可以保证双向传输时延及其波动的对称性和解决双向同波长传输瑞利散射噪声引起的时间信号信噪比恶化问题。随着光纤时间传递链路距离的增加，双向光放大器[参见张浩；吴龟灵；陈建平,"高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置,"申请号：CN201610073321.3,2016.]的数目会线性增加。对于基于双向时分复用的高精度光纤时间传递，为了满足双向时分复用时间传递的要求，需要协调各设备单元，同步其内部工作时序。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双向时分复用的光纤时间传递系统的控制方法。该方法协调了光纤时间传递系统中各设备单元，可实现高精度长距离光纤时间传递。

[0005] 本发明的技术解决方案如下：

[0006] 一种双向时分复用光纤时间传递系统的控制方法，双向时分复用光纤时间传递系统包括由N个双向光放大器和(N+1)段光纤构成光纤传输链路，位于该光纤链路两端的第一光纤时间传递单元和第二光纤时间传递单元，其特点在于，该方法依次包括下列步骤：

[0007] 1)光纤链路放大器前向时序同步，具体包括：

[0008] 当第一光纤时间传递单元检测到本地定时信号时，启动光信号发送，通过光纤链路向第二光纤时间传递单元发送时间码，时间码发送完成后关闭光信号发送；

[0009] 光纤链路放大器1根据检测到第一光纤时间传递单元发送时间码的时刻tf1，确定下一次将其内部传输方向设置为前向传输的时刻tf11

[0010] 光纤链路放大器2根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tf2，确定下一次将其内部传输方向设置为前向传输的时刻tf22

[0011] ……

[0012] 光纤链路放大器N根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tfn，确定下一次将其内部传输方向设置为前向传输的时刻tfnn

[0013] 2)光纤链路放大器后向时序预同步，具体包括：

[0014] 第二光纤时间传递单元将接收到的来自第一光纤时间传递单元的定时信号延迟τd，该τd大于等于时间码时长和启动光信号发送的时间之和，并将其编码到时间码中，启动光信号发送，通过光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

[0015] 光纤链路放大器N根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tbn，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻tbnn

[0016] 光纤链路放大器N-1根据检测到第二光纤时间传递单元发送时间码的时刻tb(n-1)，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻tb(n-1)(n-1)

[0017] ……

[0018] 光纤链路放大器1根据检测到第二光纤时间传递单元发送时间码的时刻tb1，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻tb11

[0019] 3)第二光纤时间传递单元本地定时信号预调整，具体包括：

[0020] ①当第一光纤时间传递单元检测到本地定时信号时，启动光信号发送，第一光纤时间传递单元通过光纤链路向第二光纤时间单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

[0021] ②第二光纤时间传递单元检测到从第一光纤时间传递单元发送的定时信号后，测量本地定时信号与接收到的从第一光纤时间传递单元发送的定时信号之间的差值τ12，同时将接收到的从第一光纤时间传递单元发送的定时信号延迟一个固定时间τd，使第二光纤时间传递单元在完成对第一光纤时间传递单元时间码的接收后，立即启动光信号发送，将此延迟后的定时信号和本地测量的时间差值τ12及τd编码到时间码中，并通过光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

[0022] ③第一光纤时间传递单元测量步骤①发送的本地定时信号的时刻与从第二光纤时间传递单元接收到的定时信号之间的时间差值τ21，并从时间码中解码出τ12和τd，第一光纤时间传递单元根据表1给定的定时信号调整条件和调整量，计算第二光纤时间传递单元本地定时信号需要的调整量Td，并在下一次检测到本地定时信号时编入时间码，通过光纤链路发送给第二光纤时间传递单元，其余时间关闭光信号发送；

[0023] 表1定时信号调整条件和调整量

[0024]

[0025] 4)光纤链路放大器后向时序同步，具体包括：

[0026] 第二光纤时间传递单元接收到第一光纤时间传递单元传送的延迟调整信息，并在检测到本地定时信号后，通过时延调整单元将本地定时信号延迟Td，编入时间码，启动光信号发送，并通过光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

[0027] 光纤链路放大器N根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′bn，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻t′bnn

[0028] 光纤链路放大器N-1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′b(n-1)，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻t′b(n-1)(n-1)

[0029] ……

[0030] 光纤链路放大器1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′b1，确定下一次将其内部传输方向设置为后向传输的时刻t′b11

[0031] 5)双向时分复用时间比对过程中第二光纤时间传递单元本地定时信号动态调整，具体步骤如下：

[0032] 第一光纤时间传递单元根据表2给定的定时信号调整条件和调整量，计算第二光纤时间传递单元本地定时信号需要的调整量Td，并随包含定时信号和本地测量的时钟差的时间码发送给第二光纤时间传递单元；第二光纤时间传递单元根据接收到的调整量，通过时延调整单元调整本地定时信号，记录该调整量并将该调整量Td编码到包含延时后的本地定时信号和本地测量的时钟差时间码中，发送给第一光纤时间传递单元；

[0033] 表2定时信号调整条件和调整量

[0034]

[0035] 表1中，τc为时间码的时长；T为定时信号的周期；τr为预留的时分复用冗余时间，τr包括启动光信号发送的时间、关闭光信号发送的时间、光纤传输时延变化及仪器测量误差。

[0036] 本发明的技术效果：

[0037] 随着光纤链路距离的延长，光纤时间传递系统内设备单元，主要是双向光放大器的数目，会线性增加。与现有技术相比，本发明方法协调系统中各设备单元的工作时序，可实现高精度长距离光纤时间传递。

附图说明

[0038] 图1是双向时分复用光纤时间传递系统实施例的结构示意图；

[0039] 图2是实施例的双向光放大器的结构示意图；

[0040] 图3是实施例的时序图。

具体实施方式

[0041] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0042] 图1为双向时分复用光纤时间传递系统实施例的结构示意图。由图可见，双向时分复用光纤时间传递系统由N个双向光放大器和(N+1)段光纤构成光纤传输链路。第一光纤时间传递单元位于光纤链路的一端，第二光纤时间传递单元位于光纤链路的另一端。从第一光纤时间传递单元到第二光纤时间传递单元的传输方向为前向；从第二光纤时间传递单元到第一光纤时间传递单元的传输方向为后向。传递的定时信号为1PPS，时间码长度约为6μs。光信号的发送与关闭由光纤时间传递单元内的最大响应时间为1ms的1×1机械光开关来控制。

[0043] 图2是实施例中双向光放大器的结构示意图，具体包括：第一分/合波器1、合波器2、分波器3、第二分/合波器4、第一光分路器5、第二光分路器6、控制单元7、2×2光开关8和单向光放大器9。2×2光开关8为最大响应时间为1ms的2×2机械光开关。

[0044] 基于时分复用的高精度长距离光纤时间传递系统控制方法(如图3所示)，依次包括光纤链路放大器前向时序同步、光纤链路放大器后向时序预同步、第二光纤时间传递单元本地定时信号预调整、光纤链路放大器后向时序同步和双向时分复用时间比对过程中第二光纤时间传递单元本地定时信号动态调整。

[0045] 光纤链路放大器前向时序同步持续运行直到光纤链路放大器完成后向时序同步，具体过程如下：

[0046] 第一光纤时间传递单元：第一光纤时间传递单元根据检测到本地1PPS到来的时刻tm1，确定下一次打开光开关的时刻tm11＝tm1+0.999。在到达tm11时，第一光纤时间传递单元将光开关打开，把本地1PPS编入时间码，并通过光纤链路向第二光纤时间传递单元发送时间码。在完成时间码的发送之后关闭光开关；

[0047] 光纤链路放大器1：光纤链路放大器1根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tf1，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为前向传输的时刻tf11＝tf1+0.9；在到达设置时刻tf11时，将光纤链路放大器1内部传输方向设置并保持为前向传输，使得第一光纤时间传递单元发送的时间码经光纤进入光纤链路放大器2；

[0048] 光纤链路放大器2：光纤链路放大器2根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tf2，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为前向传输的时刻tf22＝tf2+0.9；在到达设置时刻tf22时，将光纤链路放大器2内部传输方向设置并保持为前向传输，使得第一光纤时间传递单元发送的时间码经光纤进入光纤链路放大器3；

[0049] ……

[0050] 光纤链路放大器N：光纤链路放大器N根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tfn，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为前向传输的时刻tfnn＝tfn+0.9；在到达设置时刻tfnn时，将光纤链路放大器N内部传输方向设置并保持为前向传输，使得第一光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达传递第二光纤时间传递单元；

[0051] 光纤链路放大器后向时序预同步具体包括：

[0052] 第二光纤时间传递单元：第二光纤时间传递单元对接收到的来自第一光纤时间传递单元的1PPS延时1.01ms后编入时间码，并通过光纤链路发送到第一光纤时间传递单元。第二光纤时间传递单元的1×1光开关在延时10μs后打开，并在时间码发送完成后关闭；

[0053] 光纤链路放大器N：光纤链路放大器N根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tbn，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻tbnn＝rbn+0.9；在到达设置时刻tbnn时，将光纤链路放大器N内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达光纤链路放大器N-1；

[0054] 光纤链路放大器N-1：光纤链路放大器N-1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tb(n-1)，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻tb(n-1)(n-1)＝tb(n-1)+0.9；在到达设置时刻tb(n-1)(n-1)时，将光纤链路放大器N-1内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达光纤链路放大器N-2；

[0055] ……

[0056] 光纤链路放大器1：光纤链路放大器1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻tb1，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻tb11＝tb1+0.9；在到达设置时刻tb11时，将光纤链路放大器1内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达第一光纤时间传递单元；

[0057] 第二光纤时间传递单元本地定时信号预调整具体包括：

[0058] 在连续保持前向和后向光纤链路分时传输的基础上，第二光纤时间传递单元还需要将本地1PPS与接收到来自第一光纤时间传递单元的1PPS之间的差值τ12编入包含1PPS的时间码，发送给第一光纤时间传递单元。第一光纤时间传递单元测量本地1PPS与接收到第二光纤时间传递单元发送到的1PPS之间的差值τ21，并从时间码中解码出τ12；

[0059] 为了满足双向时分复用的要求，预留时分复用的冗余时间τr＝5ms(包括1×1光开关打开和关闭时间、光纤传输延迟变化及仪器测量误差)。

[0060]

[0061]

[0062] 如果第一光纤时间传递单元计算出第二光纤时间传递单元需要调整本地1PPS，第一光纤时间传递单元把1PPS调整量编入包含本地1PPS的时间码，发送给第二光纤时间传递单元。第二光纤时间传递单元根据接收到的数据信息，通过时延调整单元对本地的1PPS进行延迟Td，并测试该时延量。

[0063] 完成第二光纤时间传递单元本地定时信号预调整之后即进入光纤链路放大器后向时序同步，具体包括：

[0064] 第二光纤时间传递单元：第二光纤时间传递单元检测到本地1PPS后，将其延迟Td后编入到时间码。第二光纤时间传递单元1×1光开关提前打开，在完成经光纤链路向第一光纤时间传递单元发送时间码后立即关闭1×1光开关；

[0065] 光纤链路放大器N：光纤链路放大器N根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′bn，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻t′bnn＝t′bn+0.9；在到达设置时刻t′bnn时，将光纤链路放大器N内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达光纤链路放大器N-1；

[0066] 光纤链路放大器N-1：光纤链路放大器N-1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′b(n-1)，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻t′b(n-1)(n-1)＝t′b(n-1)+0.9；在到达设置时刻t′b(n-1)(n-1)时，将光纤链路放大器N-1内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达光纤链路放大器N-2；

[0067] ……

[0068] 光纤链路放大器1：光纤链路放大器1根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t′b1，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻t′b11＝t′b1+0.9；在到达设置时刻t′b11时，将光纤链路放大器1内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码经光纤到达第一光纤时间传递单元；

[0069] 光纤链路放大器后向时序同步完成后，第一光纤时间传递单元与第二光纤时间传递单元以双向时分复用的方式进行时间传递。在双向时分复用时间比对过程中需要对第二光纤时间传递单元的本地1PPS进行动态调整，避免光纤链路中同时有来自第一光纤时间传递单元和第二光纤时间传递单元的光信号。具体步骤如下：第一光纤时间传递单元根据下表判断第二光纤时间传递单元本地1PPS调整量需要所处的范围，并动态地以步进5ns的幅度调整第二光纤时间传递单元本地1PPS调整量大小，使其始终保持在这一范围内，并将时延调整量Td编入包含本地1PPS和本地测量时钟差的时间码，发送给第二光纤时间传递单元。第二光纤时间传递单元根据接收到的时延调整信息，通过时延调整单元调整本地的1PPS，记录该调整量并把该调整量编码到包含延时后的1PPS和本地测量时钟差的时间码中，发送给第一光纤时间传递单元用于时钟差计算。

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