專利名稱：一種再生utc原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于UTC同步技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種時間頻率同步網(wǎng)，尤其是一種再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)。
背景技術(shù)：
由北斗、GPS、GL0NASS…等衛(wèi)星導航系統(tǒng)建立的天空時間頻率同步基準同步網(wǎng)，其優(yōu)點是在地球任何地點、任何時間任何人或傳感器都可獲得與UTC比對相差300ns或更小的時間基準，提供< 1E-11/天的頻率基準等服務(wù)。但空中時頻同步網(wǎng)的安全可靠不可避免的存在問題，首先空間/空中惡劣自然和氣候因素影響衛(wèi)星定位導航授時精度；另外一個重要安全因素是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的可用性完全受制于系統(tǒng)擁有國并且容易受到攻擊使地面接收系統(tǒng)無法接收到空中時間頻率基準參考信號。本發(fā)明的同步網(wǎng)不依靠GPS、北斗等衛(wèi)星導航系統(tǒng)建立的天空時間，而以地下光纜光傳輸系統(tǒng)傳遞高精度時間基準，形成四通八達的地下(包括地面)的高精度“統(tǒng)一融合” 的新型時間頻率同步網(wǎng)是關(guān)系到國家安全、全國各種通信網(wǎng)絡(luò)安全、國防通信網(wǎng)、電力通信網(wǎng)的安全、抗電磁脈沖干擾、抗損毀等具有深遠的戰(zhàn)略意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，該同步網(wǎng)是一種用不依靠GPS、北斗等衛(wèi)星導航系統(tǒng)建立的天空時間，而以地下光纜光傳輸系統(tǒng)傳遞高精度時間基準，形成四通八達的地下(包括地面)的高精度 “統(tǒng)一融合”的新型時間頻率同步網(wǎng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，所述同步網(wǎng)通過光纖相互連接時間同步主站和時間同步從站，其特征在于建立和承載在光纜光傳輸網(wǎng)絡(luò)上跨省市的一級通信網(wǎng)，在主站和從站上分別設(shè)置HTF-BITS設(shè)備，所述HTF-BITS設(shè)備上設(shè)置有銫鐘Cs、銣鐘Rb、DCXO或VCX0，完成銫種與銫種之間超高精度時間頻率同步或互同步；或完成銫鐘和銣鐘之間主從同步；銣鐘與銣鐘之間互同步；銣鐘與DCXO之間的主從同步，DQCO與DQCO之間的互同步；DQCO與VQCO之間的主從同步；任何一個節(jié)點，只要同步網(wǎng)正常運行，則該節(jié)點即為再生UTC原子時間頻率基準。上述HTF-BITS設(shè)備包括標準化輸出單元、鐘振控制單元、系統(tǒng)控制單元、告警輸出單元、參考接入單元和校驗比對單元；所述系統(tǒng)控制單元分別與所述標準化輸出單元、告警輸出單元、鐘振控制單元、參考接入單元和校驗比對單元連接；所述參考接入單元的頻率參考輸出端連接至鐘振控制單元。上述標準化輸出單元由頻率綜合輸出單元和時間編碼輸出單元組成。上述鐘振控制單元為銫鐘Cs、銣鐘Mk DCXO或VCX0。
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上述參考接入單元包括參考源選擇模塊、雙星衛(wèi)星接收模塊以及多路頻率時間輸入接口，所述多路頻率時間輸入接口和雙星衛(wèi)星接收模塊分別與參考源選擇模塊連接。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明由地面通信傳輸網(wǎng)(主要是多橫多縱地下光傳輸網(wǎng)絡(luò))為承載體的四通八達、抗摧毀能力強的主-從(Master-Slaver)按全國骨干網(wǎng)一省級骨干網(wǎng)一縣市級通信網(wǎng) —農(nóng)村村村通通信網(wǎng)的等級主-從同步方式。按IEEE1588PTP協(xié)議成功的解決了自適應(yīng)自動均衡補償修正不對稱差值的算法，確保點對點或端對端主-從同步的時間頻率相對精度實現(xiàn)高精度、超高精度、特高精度的理論算法。確保了精準的測量檢測出ATxy(t)，確保從站時鐘建立與主站時鐘的再生UTC原子時，高精度基準的相對誤差彡士20ns、士 10ns、士2ns， 這種完全由地下光纜構(gòu)成的四通八達的光傳輸網(wǎng)絡(luò)為承載體的全國高精度、超高精度、特高精度的時間頻率同步網(wǎng)是具有深遠的重大的軍事、政治、經(jīng)濟戰(zhàn)略意義的科學發(fā)明。


圖1為本發(fā)明的HTF-BITS設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明100公里 200公里高精度時間頻率同步的實施例示意圖；圖3為本發(fā)明的HTF-BITS設(shè)備主從同步原理框圖；圖4為本發(fā)明兩站MA —SB —SC的示意框圖；圖5為本發(fā)明的0 1000公里同步的實施例示意具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述參見圖1，本發(fā)明的再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)通過光纖相互連接時間同步主站和時間同步從站，其特征在于建立和承載在光纜光傳輸網(wǎng)絡(luò)上跨省市的一級通信網(wǎng)，在時間同步主站和時間同步從站上分別設(shè)置HTF-BITS設(shè)備，HTF-BITS設(shè)備上設(shè)置有銫鐘Cs、銣鐘Rb、DCX0或VCX0，完成銫種與銫種之間超高精度時間頻率同步或互同步； 或完成銫鐘和銣鐘之間主從同步；銣鐘與銣鐘之間互同步；銣鐘與DQCO之間的主從同步， DQCO與DQCO之間的互同步；DQCO與VQCO之間的主從同步；任何一個節(jié)點，只要同步網(wǎng)正常運行，則該節(jié)點即為再生UTC原子時間頻率基準。HTF-BITS設(shè)備包括標準化輸出單元、鐘振控制單元、系統(tǒng)控制單元、告警輸出單元、參考接入單元和校驗比對單元；所述系統(tǒng)控制單元分別與所述標準化輸出單元、告警輸出單元、鐘振控制單元、參考接入單元和校驗比對單元連接；所述參考接入單元的頻率參考輸出端連接至鐘振控制單元。標準化輸出單元由頻率綜合輸出單元和時間編碼輸出單元組成。鐘振控制單元為銫鐘Cs、銣鐘Rb、DQCO或VCX0。參考接入單元包括參考源選擇模塊、 雙星衛(wèi)星接收模塊以及多路頻率時間輸入接口，多路頻率時間輸入接口和雙星衛(wèi)星接收模塊分別與參考源選擇模塊連接。本發(fā)明的HTF-BITS設(shè)備與原有頻率同步網(wǎng)BITS設(shè)備的區(qū)別在于作為通信樓使用的基準源設(shè)備其擁有統(tǒng)一的時間頻率基準，具有再生UTC原子時的功能和性能。當它的Master主站時鐘是鍶原子鐘，HTF-BITS設(shè)備基準可得到1億差一秒的再生UTC原子時時間頻率基準。當它的Master時鐘是噴泉型銫原子鐘，則可得600萬年差1CN 102546072 A秒的再生UTC原子時時間頻率基準。當它的Master時鐘是工業(yè)商品用的銫原子鐘可獲得 30萬年差1秒的再生UTC原子時時間頻率基準。因此，我們主要提供三種設(shè)備LPRTF 由銣原子鐘為從時鐘的一級時頻基準；LDXTF 由雙恒溫槽DX為從時鐘的加強型二級時頻基準；LOXTF 由單恒溫槽低相位噪聲通信樓視頻基準；上述設(shè)備均是再生UTC原子時時間頻率基準供給系統(tǒng)設(shè)備。所謂再生UTC原子時是指本地的受控時鐘是銫原子鐘、銣原子鐘、低相位噪聲壓控晶體鐘通過“松耦合”鑒頻鑒相過零檢測鎖相實現(xiàn)與上一級主站時鐘進行時間頻率同步。與原有頻率同步網(wǎng)的BITS比較，時間頻率同步融合的同步網(wǎng)有兩項最主要的特占是·①頻率偏差FD和相位偏差PD 全數(shù)字“松耦合”鑒頻鑒相過零檢測，最重要的是實現(xiàn)了“過零點”的檢測。此專利是克服漂移的最佳方案。所謂過零的的鑒頻鑒相鎖相技術(shù)就是本地從時鐘與主站主時鐘的
比相鑒相過程，圍繞主時鐘的“零點”實現(xiàn)的調(diào)整鎖定技術(shù)。也就是說在整個同步網(wǎng)絡(luò)
中，所有從站時鐘都相對主站主時鐘的零點實現(xiàn)過零檢查，產(chǎn)生+ Af和士 APD的偏差。例如在實驗室中我們采用的測試儀表1725Β (14位測量精度)，每天(或更長)觀察測量的周期中，所測得的數(shù)據(jù)只是儀表最后一位讀數(shù)士 1的變化，即相對頻率準確度為士5Ε-14/天 (2MHz或2Mbit/s)，因而我們可以認為①式的。②TID時間間隔偏差是研究時間間隔變化最重要的一項指標。這是度量高穩(wěn)定高準確度原子時鐘時間間隔和同步網(wǎng)再生原子時時間間隔優(yōu)劣的唯一技術(shù)指標。在實驗室發(fā)現(xiàn)如圖所示。低相位噪聲系統(tǒng)輸出再生UTC原子時的TID彡1 2ns/天、彡1 anS/160KS。 而經(jīng)過編碼后產(chǎn)生的2048Kbit/s或經(jīng)過50Km光纖傳輸后或經(jīng)過儀表碼型變換后TID的抖動增大為2us 數(shù)十us，有的系統(tǒng)就更大。而我們給出的再生UTC原子時時間基準均 2ns/l天、< 1 2ns/7天，這就是HTF-BITS通信樓供給系統(tǒng)的特點之一。由此供給通信樓內(nèi)任何通信網(wǎng)傳感器終端的時間基準抖動< 2ns。以下以是本發(fā)明給出的100公里 200公里的光傳輸網(wǎng)實施例，參見圖2，該圖是本實施例的數(shù)學模型示意圖及其高精度時間同步原理圖中設(shè)定主站主時鐘Master與UTC時刻的絕對偏差為E。，由主站主時鐘同步上一級主時鐘后產(chǎn)生的再生UTC原子時時間基準通過光傳輸承載網(wǎng)絡(luò)傳遞到從站從時鐘端口， 定義其傳輸時延值分別是Tx (t)、Ty (t)其不對稱差值A(chǔ)Txy(t) = I Tx (t)-Ty (t) I。其主-從高精度時間同步的原理是當主站主時間設(shè)備(例如是30萬年產(chǎn)一秒的銫原子鐘)建立了與UTC時間相差為的一級超高精度時間基準以后，首先通過輸出的頻率基準接口(2048KHZ或2048Kbps)將100 200Km的對點光端機實現(xiàn)頻率同步(可以是 SDH、MSTP、PTN和其他光傳輸設(shè)備)。如上圖3中所示的數(shù)字模型。主-從兩端實現(xiàn)頻率同步也就是主站與從站的相對時間間隔偏差如①式所示
Es=E0+^t + \at2 +φι{ )............................................①式中&為主站與UTC絕對時刻的初始時間間隔偏差(一般彡50 100ns)，+ 是主站時鐘與從站時鐘實現(xiàn)頻率同步后的剩余頻率偏差。在這里由于我們采用了 “鑒頻鑒相過零” “松耦合”全數(shù)字智能鎖相專利具有高增益二階環(huán)的所有理論推導結(jié)果，且實現(xiàn)與主站時鐘過零點檢測實驗室模擬測試效果，這二項的綜合效果< 士5E-14/天。某通信運營公司上海通信中心一40公里青浦實測兩個7天的結(jié)果FD = 士 2· 31E-13/ 天士 E-14/7 天PD = 士 20ns/ 天士 20ns/ 天是一個成功的典范。如果將此兩項引入后的偏差就忽略不計。則公式①可改寫 Es =Ε0±ΑΤχ )η( ) + φ0( )，式中Δ Txiyi (t)是IEEE1588高精度時間同步協(xié)議中的不對稱差值，這是因為光傳輸網(wǎng)絡(luò)傳遞時引入的一種特殊的誤差(與天空的無線電話傳遞相同)傳輸時間延遲不對稱差值。根據(jù)***資料介紹此不對稱差值1000公里的不同型號光纜約為 6. 6ns 2140ns左右。那么100公里光纜最大差值約為2Hns。本發(fā)明以此最大值為依據(jù)利用我們的建立的數(shù)學模型，通過PTP IEEE1588協(xié)議在不對稱差值存在的情況下能夠準確的精確的檢測出其最佳方案就是利用三項專利集成應(yīng)用。來實現(xiàn)為什么因為隨機噪聲和抖動的瞬時測量值是按正態(tài)分布的多項隨機噪聲存在的必須采用信息概率論的處理法定量測試。精確的測試技術(shù)必須有精確的比較判別瞬時變化的基準，這個基準就是本地從時鐘的低相位噪聲輸出系統(tǒng)。因為這個系統(tǒng)的短期穩(wěn)定性能1秒 數(shù)十秒(晶體鐘和銣鐘) 數(shù)百秒(銫) 數(shù)千秒的瞬時值，其相位抖動、相位噪聲、時間間隔瞬時抖動很小。如前圖 1都< 士 Ins。以此為雙向時間頻率碼流比對的本地從鐘就可以實現(xiàn)短期內(nèi)以“我”為主鐘去對從主站傳遞到從站的數(shù)據(jù)碼流(含時間基準)的隨機噪聲和抖動進行濾除和平滑，就能實現(xiàn)其精準的檢測技術(shù)之一。其二是以1E-9的雙恒溫壓控晶體為例在100秒內(nèi)它的低相位噪聲系統(tǒng)TID100 秒內(nèi)均< 士 1ns，但它與主時鐘士 1E-12/天)相比對則存在1 IOOns (每秒1個ns) 的漂移量。如果先實現(xiàn)主-從頻率同步后，其效果就不一樣。在100秒內(nèi)的VQCO漂移可忽略，仍然是100秒本地VQCO均獲得< 士 Ins的隨機變化。此時精確檢測傳輸設(shè)備和光纜系統(tǒng)的抖動和漂移，濾除過大的抖動和漂移就可實現(xiàn)。其三是在100公里內(nèi)其傳輸時延< 0. 5ms, Tx(t)+Ty(t) = C < 1ms。我們進行環(huán)回測試能夠得到公式中C的精確值，再將C值標稱化為1ms，并在主站主時鐘與UTC同步的 1秒(IPPS)脈沖分成1/1000 = Ims,即C標=Ims fc^1=IKHz,即將IOMHz的主時鐘頻率分成與UTC同步的1ms = Cfeo根據(jù)數(shù)學模型的關(guān)系式1秒鐘就能完成1000次的重復(fù)檢測 ATxy(t)、Cfe> C值在1秒鐘內(nèi)也能完成1000次以上的檢測。10秒鐘可完成10000次重復(fù)測量。我們來對比一下，如果直接檢測IPPS (即每秒一次)的方法，10秒只能重復(fù)10次，如下表所示，精確度分別比每次ι秒的提高33倍。
10秒100秒1000秒
Im~提高的 mi~提高的 mi提高的精確度精確度精確度
每秒 ι 次 ο Mloo yfm 1000 ι ο VIo
l/CHz 次 10000 VlOOOO 100000 100VlO 1000000 1000
其四是時間間隔的度量尺度，在IOns的時間間隔尺度7、全數(shù)字“松耦合”鎖相可獲得< 士20ns的檢測精確度。如果采用5ns的時間間隔度量尺度可獲得< 士 IOns的檢測精準度。選用Ins的時間間隔度量尺度可獲得< 士2ns的精準度。這四管齊下可使的精準度分別為< 士20ns、< 士 10ns、< 士2ns三個級別的技術(shù)精準度。因此本發(fā)明以圖2建立的數(shù)學模型用自動均衡鎖定專利技術(shù)在數(shù)據(jù)比對鏈路的從站接收端分別雙向時間獲得的是< 士20ns時，自動均衡鎖相補償后主站主時鐘與從站時鐘的比對相對時間間隔偏差< 士20ns。如下表所示
ATxy(t) S±20ns S±10ns S±2ns 與主站相對偏差 S±20ns S±10ns S±2ns 與UTC時刻絕對偏差---r~,---r~7--
^Je02 + (< ±20ns)2 ^Je02 + (< ±ιο 5·)2 機2 + (< ±2ra)2這里還需要說明兩點，第一點由于是采用全數(shù)字“松耦合”均衡鎖相修正不對稱差值，因而長時間10年或更長都得保障這個指標范圍內(nèi)變化，且全網(wǎng)維持與主時鐘的相對偏差< 士 20ns(< 士 IOns和< 士 2ns)之內(nèi)。第二點選用Cfe周期的用途是考慮到不對稱差值的變化之外還有Tx(t)、Ty(t)，向正負兩個方向變化的補償修正。(留有一個變化補償余量)建立的基礎(chǔ)。另外在工程設(shè)計中，如果超過100公里，如圖2，有兩站如MA — SB — SC, 簡化如圖4，可推導出下列關(guān)系Txl (t)+Tyl (t) = C1-----------------------①Tx2 (t) +Ty2 (t) = C2-----------------------② Txl (t) +Tx2 (t) +Ty2 (t) +Tyl (t) = C 總---------③Txl(t) + Tx2(t)=全C總士Δ，------------④在SC即第二站的是LPRTC時，如果是(帶銣原子鐘的同步設(shè)備)在Tx(t)與1；(0經(jīng)過一級自動均衡鎖相補償后，第二級串聯(lián)同步利用此數(shù)學模型可將可從①②③④得，在第二站SC由于C總=C^C2,故在SC的自動均衡鎖相一方面同精準測量的觀察時間可選擇更長一些。將數(shù)字鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)跟蹤參數(shù)選擇得更好，等效3dB帶寬選擇更小一些濾除抖動和噪聲效果更優(yōu)。此時的ATx2y2(t)是從主站一SC從站的精準值， 它包括MA — SB之間經(jīng)過自動均衡補償?shù)氖Ｓ嗖钪岛蚐B — SC之間的不對稱差值的總和，故從MA — SC的自動均衡補償C標2可選用的(如C標2 = 2ms，fc標2 = 500Hz)，對Δ Tx2y2 (t) 進行精準檢測，以MA — SC為直達的雙向數(shù)據(jù)鏈路時間碼流直接比對就消除了級聯(lián)的不對稱差值的累積，也就是說在SC的自動均衡鎖相的偏差與MA比對仍然是與UTC絕對時刻偏差^E02+(< ±20似)2 與 Master 的相對偏差彡士 20ns/ 天。0 1000公里距離高精度超高精度數(shù)字模型示意圖。如圖5所示，由此推理構(gòu)建全國時間頻率第一鏈路骨干網(wǎng)和特高精度時間頻率同步網(wǎng)由于全國骨干網(wǎng)建立和承載在四通八達的光纜光傳輸網(wǎng)絡(luò)上?？蓪崿F(xiàn)銫種與銫種之間超高精度時間頻率同步或互同步；也可以實現(xiàn)銫種和銣鐘之間主從同步，銣鐘與銣鐘之間互同步；銣鐘與DCX0(加強型二級鐘)之間的主從同步，DCXO與DCXO之間的互同步；DQCO與VCXO之間的主從同步。任何一個節(jié)點，只要同步網(wǎng)絡(luò)正常運行，則任何節(jié)點都是再生UTC原子時間頻率基準。區(qū)別僅僅在于網(wǎng)絡(luò)中斷后各個節(jié)點因為基準時鐘不同而導致節(jié)點守時性能的差異。
權(quán)利要求
1.一種再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，所述同步網(wǎng)通過光纖相互連接時間同步主站和時間同步從站，其特征在于建立和承載在光纜光傳輸網(wǎng)絡(luò)上跨省市的一級通信網(wǎng)，在時間同步主站和時間同步從站上分別設(shè)置HTF-BITS設(shè)備，所述HTF-BITS設(shè)備上設(shè)置有銫鐘Cs、銣鐘Rb、DCX0或VCX0，完成銫種與銫種之間超高精度時間頻率同步或互同步； 或完成銫鐘和銣鐘之間主從同步；銣鐘與銣鐘之間互同步；銣鐘與DQCO之間的主從同步， DQCO與DQCO之間的互同步；DQCO與VQCO之間的主從同步；任何一個節(jié)點，只要同步網(wǎng)正常運行，則該節(jié)點即為再生UTC原子時間頻率基準。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，其特征在于所述HTF-BITS設(shè)備包括標準化輸出單元、鐘振控制單元、系統(tǒng)控制單元、告警輸出單元、參考接入單元和校驗比對單元；所述系統(tǒng)控制單元分別與所述標準化輸出單元、告警輸出單元、 鐘振控制單元、參考接入單元和校驗比對單元連接；所述參考接入單元的頻率參考輸出端連接至鐘振控制單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，其特征在于所述標準化輸出單元由頻率綜合輸出單元和時間編碼輸出單元組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，其特征在于所述鐘振控制單元為銫鐘Cs、銣鐘Rb、DCXO或VCX0。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，其特征在于所述參考接入單元包括參考源選擇模塊、雙星衛(wèi)星接收模塊以及多路頻率時間輸入接口，所述多路頻率時間輸入接口和雙星衛(wèi)星接收模塊分別與參考源選擇模塊連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種再生UTC原子時超高精度時間頻率同步網(wǎng)，通過光纖連接時間同步主站和時間同步從站，建立和承載在光纜光傳輸網(wǎng)絡(luò)上跨省市的一級通信網(wǎng)，在時間同步主站和時間同步從站上分別設(shè)置HTF-BITS設(shè)備，HTF-BITS設(shè)備上設(shè)置銫鐘Cs、銣鐘Rb、DCXO或VCXO，完成銫種與銫種之間超高精度時間頻率同步或互同步；或完成銫鐘和銣鐘之間主從同步；銣鐘與銣鐘之間互同步；銣鐘與DCXO之間的主從同步，DCXO與DCXO之間的互同步；DCXO與VCXO之間的主從同步；任何節(jié)點，只要同步網(wǎng)正常運行，則該節(jié)點即為再生UTC原子時間頻率基準。本發(fā)明是一種用不依靠GPS、北斗等導航系統(tǒng)建立的天空時間，而以地下光纜光傳輸系統(tǒng)傳遞高精度時間基準，形成四通八達的地下的高精度的新型時間頻率同步網(wǎng)。
文檔編號H04J3/06GK102546072SQ20111044893
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者孟志才, 李忠文 申請人:西安大唐電信有限公司