本发明涉及光纤时间频率传递技术领域，具体 是一种高精度光纤双向 时间比对方法与系统。 背景技术

高精度的时间同歩技术在卫星导航、航空航天 、深空探测、地质测绘、 通信、 电力传输和科学研究与计量等领域有着重要的 应用价值。 目前传统 高精度时间同歩技术主要由 GPS共视、 卫星双时间比对等。 GPS共视法 所需的设备相对简单、成本低， 但精度难以达到纳秒量级。卫星双向时间 比对的精度可以达到亚纳秒量级，但利用专用 卫星的自由空间链路的稳定 性（尤其是短期稳定性）容易受到干扰， 其精度很难进一歩提高， 而且存 在安全性及设备昂贵等问题。

光纤通路具有稳定性高 （特别是在短时间内尺度上）、 损耗低、 受外 界环境影响小、 带宽高等优点。 上世纪八十年代就引起了研究者的关注。 随着光纤通信、光网络技术的迅猛发展， 以及对时间同歩精度等要求的提 高，基于光纤的时间同歩引起了越来越多的研 究者的关注，取得了相当大 的进展， 并已得到部分应用。

基于光纤通路的高精度时间传递主要有环回法 （Round-trip) 时间传 递和双向时间比对两种方式。 Round-trip时间传递方式中， 通过远端返回 的信号实现链路时延的锁定，再标定出传输链 路的时延，从而实现时间的 传递。 波兰 AGH理工大学报道了基于该方案的 420公里光纤时间和频率 传递实验， 时间传递的精度分别达到 lps/d[l]。 基于类似方案， 法国的激 光物理实验室 （LPL) 报道了采用德国 TimeTech公司卫星双向时间比对 调制 /解调器 （SATRE) 的 540公里时间和光载波频率传递实验， 时间传 递的精度分别达到 50ps/s[l]。基于 WDM全光通路的双向时间比对方式类 似于卫星双向时间比对，通过两端同时向对方 发送本地定时信息（1PPS ), 利用通路的对称性消除链路时延， 得到两地的钟差。 捷克教育科研网 (CESNET)报道了基于该方案的 744公里单纤双向时间比对实验， 平均 时间 500秒的稳定度达 8.7ps[3]。瑞典 SP技术研究所利用其国内的 WDM 光网络进行了 560公里的双向时间比对，并与载波相位的同歩 结果进行了 比较， 相差 <lns。

为了抑制后向瑞利散射和菲涅耳反射对传输信 号的信噪比， 上述两种 方案均采用双向 WDM传输方式 （即两个方向采用不同的发送波长）， 存 在光纤色散效应引起的双向不对称性， 而且距离越长， 不对称性越大， 限 制了基于长距离双向时间比对的精度。 对于 round-trip来说， 由于实际网 络中不同链路上的光纤色散特性的差异，当进 行数千公里长距离时间传递 时很难对链路延时进行准确的标定。 德国 PTB 采用 TimeTech 公司的 SATRE进行了 73公里的双向时间比对实验 [4]。该方法采用扩频编码技术， 可以实现同波长同纤双向时间比对。但高精度 的扩频编码 /解码技术复杂， 成本很高。

[1] L. Sliwczynski, P. Krehlik, A. Czubla, et al., Dissemination of time and RF frequency via a stabilized fibre optic link over a distance of

420 km, Metrologia, 50(2): 133-145, 2013.

[2] Lopez, Olivier, et al. "Simultaneous remote transfer of accurate timing and optical frequency over a public fiber network." Applied

Physics B 110.1 (2013): 3-6.

[3] V. Smotlacha, A. Kuna and W. Mache, Time transfer using fiber links, Proc. 24th European Frequency and Time Forum, Noordwijk,

The Netherlands, 2010.

[4] D. Piester , M. ost , M. Fujieda , et al., Remote atomic clock synchronization via satellites and optical fibers, Adv. Radio

Sci., 9(l): l-7, 2011 发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足， 提供一种突破后向瑞利 散射噪声和色散限制的高精度时分复用光纤双 向时间比对方法，并在该方 法的基础之上提出了一种实现该方法的高精度 双向时间比对系统。

本发明原理如下：

一种高精度光纤双向同歩比对方法，依次包括 预调整、时分复用双向 时间比对和动态同歩。所述的预调整是指通过 第一光纤时间同歩单元与第 二光纤时间同歩单元分别进行单向时间传递， 初歩测得第一光纤时间同歩 单元发送时间码与接收到从第二光纤时间同歩 单元返回时间码之间的时 间间隔以及第二光纤时间同歩单元本地定时信 息有效时与接收到从第一 光纤时间单元接收到时间码之间的时间间隔。 根据以上两个测得的值、预 设的时间码长度与预设双向时分复用的余量， 计算第一光纤时间同歩单元 或者第二光纤时间同歩单元本地定时信息的延 迟调整量。如果需要调整第 一光纤时间同歩单元本地定时信息，第一光纤 时间同歩单元根据计算获得 的延迟量调整本地定时信息；否则第一光纤时 间同歩单元将计算的调整量 发送给第二光纤时间同歩单元，第二光纤时间 同歩单元根据收到的延迟量 调整本地定时信息。所述的双向时分复用时间 比对是指第一光纤时间同歩 单元与第二光纤时间同歩单元分别在本地发送 定时信息有效时向对方发 送包含本地定时信息的的时间码， 实现双向时分复用双向时间比对； 动态 同歩是指第一光纤时间同歩单元动态调整本地 定时信息的发送时间，避免 第一光纤时间同歩单元和第二光纤时间同歩单 元同时有光信号在链路中 传输。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于时分复用高精度光纤时间同歩方法， 包括如下歩骤： 歩骤 Sl， 预调整处理， 具体包括：

①当第一光纤时间同歩单元检测到本地定时信 息时，通过光纤链路向 第二光纤时间单元发送时间码；

②第二光纤时间同歩单元检测到从第一光纤时 间同歩单元发送过来 的定时信息后，测量本地定时信息与从第一光 纤时间同歩单元接收到的定 时信息之间的差值 ¾，并在本地定时信息有效时，将该测量的差� �� 编码 到时间码中， 并通过光纤链路发送给第一光纤时间同歩单元 ； ③第一光纤时间同歩单元测量本地定时信息与 从第二光纤时间同歩 单元接收到的定时信息之间的差值 _¾ ，并从时间码中解码出第二光纤时间 同歩单元测量的差值 r; _{2 ;}

④为了满足双向时分复用的要求， 第一光纤时间同歩单元根据表 1 所示准则确定调整的时间同歩单元及相应的定 时信息的调整量， 其中， Δ 为任意两个连续定时信息之间的长度 （如果定时信息为 1PPS , Δ等于 1 秒）； ^为时间码的时长（< Δ /2 ) _{; ½} 为预留的时分复用的冗余时间（< Δ /2， 大于启动光信号发送的时间、关闭光信号发送 的时间、时间间隔测量误差 之和）。

表 1

如果要调整的是第二光纤时间同歩单元定时信 息的发送时刻，第一光 纤时间同歩单元把调整量 AT _ad2 发送给第二光纤时间同歩单元； 第二光纤 时间同歩单元根据接收到的调整量 A _Tad2 ， 通过延时调整本地定时信息的 发送时刻， 并记录该调整量。

如果需要调整的是第一光纤时间同歩单元本地 定时信息的发送时刻， 第一光纤时间同歩单元根据调整量 A _dl ， 通过延时调整本地的定时信息 的发送时刻， 并记录该调整量。

歩骤 S2两个光纤时间同歩单元通过光纤链路以时分� ��用的方式进行 双向时间比对， 具体歩骤如下：

歩骤 S201 第一光纤时间同歩单元测量本地定时信息与从 第二光纤 时间同歩单元接收到的定时信息之间的差值 τ ₂₁ 、 第二光纤时间同歩单元 测量本地定时信息与从第一光纤时间同歩单元 接收到的定时信息之间的 差值 τ _{12 ;}

歩骤 S202第一光纤时间同歩单元在本地定时信号有� �时，打开光信 号发送， 通过光纤链路向第二光纤时间同歩单元发送携 带本地定时信息、 时间信息、测量的本地定时信息与从第二光纤 时间同歩单元接收到的定时 信息之间的差值 τ ₂₁ 和第一光纤时间同歩单元的本地定时信息 调整量 Δτ _αίί1 的时间码， 其余时间关闭光信号发送；

第二光纤时间同歩单元在本地定时信息有效时 ， 打开光信号发送， 通过光纤链路向第一光纤时间同歩单元发送携 带本地定时信息、时间信息 测量的本地定时信息与从第一光纤时间同歩单 元接收到的定时信息间的 差值 τ ₁₂ 和第二光纤时间同歩单元的本地定时信息 调整量 Δτ _Ωίί2 的时间码， 其余时间关闭光信号发送；

歩骤 S203 第一光纤时间同歩单元和第二光纤时间同歩单 元分别根 据表 2判断需要调整定时信息的光纤时间同歩单元� �及计算各自调整量:

表 2

Δτ _Ωίί1 为双向时间比对阶段第一光纤时间同歩单 元的定时信息调整量， Ατ _αά2 为双向时间比对阶段第二光纤时间同歩单 元的定时信息调整量。

歩骤 S204当第一光纤时间同歩单元判断出第一光纤� �间同歩单元 需要调整本地定时信息，则第一光纤时间同歩 单元根据第一光纤时间同歩 单元的定时信息调整量 Δτ _Ωίί1 ， 通过延时调整本地定时信息， 更新预同歩 阶段的第一光纤时间同歩单元的定时信息调整 量 Δτ _Ωίί1 ， 并把该调整量 Ατ _ααι 编码到时间码中发送给第二光纤时间同歩 单元；

当第二光纤时间同歩单元判断出第二光纤时间 同歩单元需要调整本 地定时信息，则第二光纤时间同歩单元根据第 二光纤时间同歩单元的定时 信息调整量 Δτ _Ωίί2 ， 通过延时调整本地定时信息， 更新预同歩阶段的第一 光纤时间同歩单元的定时信息调整量 Δτ _αίί2 ，并把调整量 Δτ _αίί2 编码到时间 时间同歩单元接收到的定时信息间的差值 τ ₂₁ ， 根据该测量的差值、 接收 到的双向时间比对阶段第二光纤时间同歩单元 的定时信息调整量 Δτ _Ωίί2 、 接收到的第二光纤时间单元测量的差值 τ ₁₂ 、预同歩阶段的调整量 Δτ _Ωίί1 和 Ατ _αά2 , 以及双向时间比对阶段第一光纤时间同歩单元 的本地定时信息的 调整量 Δτ _Ωίί1 ， 计算第一光纤时间同歩单元与第二光纤时间同 歩单元的钟 差 Δτ = \ (τ ₂₁ - τ ₁₂ ) - (Ατ _αά1 + Ατ _αα2 ) ;

第二光纤时间同歩单元测量本地定时信息与从 第一光纤时间同歩单 元接收到的定时信息间的差值 τ ₁₂ ， 根据该测量的差值、 接收到的双向时 间比对阶段第一光纤时间同歩单元的定时信息 调整量 Δτ _Ωίί1 、 接收到的第 一光纤时间单元测量的差值 τ ₂₁ 、 预同歩阶段的调整量 Δτ _Ωίί1 和 Δτ _Ωίί2 、 以 及双向时间比对阶段第二光纤时间同歩单元的 本地定时信息的调整量 Ατ _αά2 , 计算第一光纤时间同歩单元与第二光纤时间同 歩单元的钟差 ^Ατ = ( ^τ 2ΐ - ₁₂ ) - (Ατ _ααι + Δτ _αίί2 )。

本发明另一方面提供了一种基于时分复用的高 精度光纤双向时间比 对系统， 包括第一光纤时间同歩单元、双向光纤链路、 第二光纤时间同歩 单元；

所述的第一光纤时间同歩单元由第一光纤时间 编解码模块、 第一光 收发模块、第一控制与处理模块、第一定时信 息调整模块、第一光纤时间 间隔测量模块第一光开关模块和双向复用模块 （如： 环形器、 耦合器）组 成；

所述的第一控制与处理模块， 用于控制第一光纤时间编解码模块完 成时间码的编码与解码、控制第一光纤时间间 隔测试模块测量本地定时信 息与从第二光纤时间同歩单元接收到的定时信 息间的时间差、控制第一光 开关模块开关发送到光纤链路中的光信号、控 制第一定时信息调整模块调 整本地定时信息的延时；第一光纤时间编解码 模块，用于完成时间码的编 码和解码；第一光纤时间间隔测试模块，用于 测试第一光纤时间同歩单元 时间编解码模块解码输出的定时信号与第一光 纤时间同歩单元本地定时 信号间的时延差；第一光收发模块，用于将来 自光纤链路的光信号转换为 电信号，传给第一光纤时间编解码模块； 以及将第一光纤时间编解码模块 输出的时间码调制到光信号上， 并发送至第一双向复用模块；第一光开关 模块，用于第一光收发模块发送到光纤链路中 光信号的开关控制；第一双 向复用模块， 用于使第一光收发模块通过同一根光纤发送和 接收光信号。

所述的第二光纤时间同歩单元由第二光纤时间 编解码模块、第二光收 发模块、第二控制与处理模块、第二光纤时间 间隔测量模块、第二定时信 息调整模块、 第二光开关模块和双向复用模块（如： 环形器、 耦合器）组 成。第二控制与处理模块， 用于控制第二光纤时间编解码模块、第二光纤 时间间隔测试模块、第二光开关模块，完成与 第一光纤时间同歩单元的分 时双向时间比对控制、 以及钟差计算； 第二光纤时间编解码模块， 用于完 成时间码的编码和解码；第二光纤时间间隔测 试模块，用于测试第二光纤 时间编解码模块解码输出的定时信号与本地时 频标准输出的定时信号间 的时延差； 第二光收发模块， 用于将来自光纤通路的光信号转换电信号， 传给时间编解码模块； 以及将时间码调制到光信号上沿光纤链路发送 ； 第 二光开关模块，用于第二光收发模块发送到光 纤链路中光信号的开关控制； 第二定时信息调整模块，用于调整本地定时信 息的时延;双向复用模块（如： 环形器、耦合器）用于使第二光收发模块通过 同一根光纤发送和接收光信 号。

与现有技术相比， 本发明的有益效果是， 在双向时间比对的基础上， 通过结合时分复用技术，有效的克服了光纤的 后向散射对双向时间比对精 度的影响， 同时提高双向时间传递时延的对称性。 附图说明

图 1 是实施例的结构示意图；

图 2是实施例的预调整和双向时间比对工作过程� �意图；

图 3是实施例的预调整和双向时间比对工作过程� �意图；

图 4是实施例的预调整和双向时间比对工作过程� �意图；

图 5是实施例的预调整和双向时间比对工作过程� �意图；

图 6是实施例的双向时间比对阶段动态调整工作� �程示意图。

图 7是实施例的双向时间比对阶段动态调整工作� �程示意图。 具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一歩说明 ，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。

图 1 为实施例的结构示意图， 如图所示， 双向光放大器和光纤构成 光纤传递链路 2。 第一光纤时间同歩单元 1位于光纤链路 2的一端， 第二 光纤时间同歩单元 3位于光纤链路 2的另一端。

当第一光纤时间同歩单元的第一控制与处理模 块 1-1在检测到第一 定时信息调整模块 1-6输出的定时信息时，控制第一光纤时间编解 码模块 1-2进行时间码的编码， 并打开第一光开关模块 1-5。 编码后的时间码通 过第一光收发模块 1-4转换为光信号， 传输至第一双向复用模块 1-7发送 端口， 并经光纤链路 2发送至第二光纤时间同歩单元，发送完时间� �后第 一控制与处理模块 1-1控制第一光开关模块 1-5关闭光开关。 第二光纤时 间同歩单元接收到第一光纤时间同歩单元发送 过来的光信号，经过 3-7双 向复用模块和 3-4第二光收发模块转换为电信号， 传递给 3-2第二时间编 解码模块， 第二控制与处理模块 3-1检测到 3-2第二时间编解码模块解出 的从第一光纤时间同歩单元发送过来的定时信 息后，第二控制与处理模块 3-1 控制第二光纤时间间隔测量模块 3-6， 测量本地定时信息与从第一光 纤时间同歩单元接收到的定时信息的差值 ₂ ， 在第二定时信息调整模块 3-3的输出定时信息有效时， 控制第二光纤时间编解码模块 3-2进行时间 码的编码， 并将本地测量的差值 编码到时间码中，打开第二光开关模块 3-5。 编码后的时间码通过第二光收发模块 3-4转换为光信号， 传输至第 二双向复用模块 3-7发送端口，并经光纤链路 2发送至第一光纤时间同歩 单元， 发送完时间码后第二控制与处理模块 3-1控制第二光开关模块 3-5 关闭光开关。第一光纤时间同歩单元接收到第 二光纤时间同歩单元发送过 来的光信号，经过 1-7双向复用模块和 1-4第二光收发模块转换为电信号， 传递给 1-2第二时间编解码模块， 第二控制与处理模块 3-1检测到 1-2第 二时间编解码模块解出的从第一光纤时间同歩 单元发送过来的定时信息 后， 第一控制与处理模块 1-1控制第一光纤时间间隔测量模块 1-6， 测量 本地定时信息与从第二光纤时间同歩单元接收 到的定时信息的差值 i， 并控制第一光纤时间编解码模块 1-2 从时间码中解码出 ₂ 。 第一控制与 处理模块 1-1 根据 τ^、 τ ₁ ' ₂ , 任意两个连续定时信息之间的长度为 Δ (如 果定时信息为 1PPS , Δ等于 1秒）、 时间码的时长为^ (<Δ/2 ) 和预留时 分复用的冗余时间 « Δ/2 , 大于启动光信号发送的时间、 关闭光信号 发送的时间、 时间间隔测量误差之和）， 按照表 1判断需要调整定时信息 的光纤时间同歩单元以及调整量。

表 1 第一光纤时间

τ < \(s) (^ +T _M )-(l(s)-T 如图 2 同步单元

其他情况 无需调整

l 第二光纤时间

( )_r: ₂ <τ _Β +τ _Μ (^ +T _M )-(l(s)-T _n ) 如图 3 同步单元

第一光纤时间

-l 如图 4

T ≥ \(、s) 同步单元

-Ks)) 第二光纤时间

如图 5

>(¾+¾) 同步单元

其他情况 无需调整 ^^为预同歩阶段第一光纤时间同歩单元的定时� ��息调整量， Δτ _Ωίί2 为预 同歩阶段第二光纤时间同歩单元的定时信息调 整量。 如果第一光纤时间同歩单元的第一控制与处理 模块 1-1计算出第二 光纤时间同歩单元需要调整本地定时信息，则 第一控制与处理模块 1-1控 制第一光纤时间编解码模块 1-2将 Δτ _Ωίί2 信息编码到时间码中， 并在本地 定时信息有效时， 打开第一光开关模块 1-5。 编码后的时间码通过第一光 收发模块 1-4转换为光信号， 传输至第一双向复用模块 1-7发送端口， 并 经光纤链路 2发送至第二光纤时间同歩单元，发送完时间� �后第一控制与 处理模块 1-1控制第一光开关模块 1-5关闭光开关。 第二控制与处理模块 3-1检测到从第一光纤时间同歩单元发送过来的 Δτ _Ωίί2 后，根据定时信息调 整量 Δτ^ ₂ ， 控制第二定时信息调整模块 3-3延时调整本地的定时信息， 并记录该调整量。

如果第一光纤时间同歩单元计算出第一光纤时 间同歩单元需要调整本 地定时信息， 第一控制与处理模块 1-1根据定时信息调整量 Δτ ₂ ， 控制第 一定时信息调整模块 1-3延时调整本地的定时信息， 并记录该调整量。 预调整完成之后第一光纤时间同歩单元与第二 光纤时间同歩单元进 行双向时间比对。

当第一光纤时间同歩单元第一控制与处理模块 1-1在检测到本地定 时信息时， 控制第一光纤时间编解码模块 1-2编码携带定时信息、 时间信 息、测量的本地定时信息与从第二光纤时间同 歩单元接收到的定时信息之 间的差值和第一光纤时间同歩单元本地定时信 息调整量 ΔΤ^ 的时间码， 并打开第一光开关模块 1-5。 编码后的时间码通过第一光收发模块 1-4转 换为光信号，光信号通过光纤链路 2向第二光纤时间单元发送时间码， 发 送完时间码后第一控制与处理模块 1-1控制第一光开关模块 1-5关闭光开 关。

当第二光纤时间同歩单元的第二控制与处理模 块 3-1检测到本地定 时信息有效时， 控制第二光纤时间编解码模块 3-2编码携带定时信息、 时 间信息、测量的本地定时信息与从第一光纤时 间同歩单元接收到的定时信 息之间的差值和第二光纤时间同歩单元本地定 时信息调整量 Δτ^ ₂ 的时间 码，并打开第二光开关模块 3-5。编码后的时间码通过第二光收发模块 3-4 转换为光信号， 光信号通过光纤链路 2向第一光纤时间单元发送时间码， 发送完时间码后第二控制与处理模块 3-1控制第二光开关模块 3-5关闭光 开关。

第一光纤时间同歩单元第一光纤时间间隔测量 模块 1-6测量本地定 时信息与接收到的第二光纤时间同歩单元发送 过来定时信息间的差值 τ ₂₁ ， 根据测量的差值、接收到的第二光纤时间同歩 单元定时信息发送时刻调整 量 Δτ _Ωίί2 、 接收到的第二光纤时间单元测量的差值 τ ₁₂ 、 以及本地定时信息 的调整量 Δτ _Ωίί1 ， 计算第一光纤时间同歩单元与第二光纤时间同 歩单元的 钟差 Δτ = {τ ₂₁ - τ ₁₂ ) - (Ατ _αά1 + Δτ _Ωίί2 )。

第二光纤时间同歩单元的第一光纤时间间隔测 量模块 3-6测量本地 定时信息与从第一光纤时间同歩单元接收到的 定时信息间的差值 τ ₁₂ ， 根 据测量的差值、接收到的第一光纤时间同歩单 元定时信息发送时刻调整量 Δτ _αά1 、 接收到的第一光纤时间单元测量的 τ ₂₁ 、 以及本地定时信息的调整 量 Δτ _Ωίί2 ， 计算第一光纤时间同歩单元与第二光纤时间同 歩单元的钟差 ^Ατ = ( ^τ 2ΐ - ₁₂ ) - (Ατ _αά1 + Ατ _αά2 )。

第一光纤时间同歩单元的第一控制与处理模块 1-1根据测量本地定 时信息与接收到的第二光纤时间同歩单元发送 过来定时信息间的差值 τ ₂₁ 、 从第二光纤时间同歩单元接收到的 τ ₁₂ 、 时间码的时长^、任意两个定时 信息之间的长度 Δ (如果定时信息为 1PPS , Δ等于 1秒）和预留时分复用 的冗余时间 _½ ，根据表 2判断需要调整定时信息的光纤时间同歩单元� �及 调整量。

第二光纤时间同歩单元的第二控制与处理模块 3-1根据测量本地定 时信息与从第一光纤时间同歩单元接收到的定 时信息间的差值 τ ₁₂ 、 从第 一光纤时间同歩单元接收到的 τ ₂₁ 、 时间码的时长 、 任意两个定时信息 之间的长度 Δ (如果定时信息为 1PPS , Δ等于 1秒）和预留时分复用的冗 余时间 _½ ，根据表 2判断需要调整定时信息的光纤时间同歩单元� �及调整

表 2

如果第一光纤时间同歩单元计算出第一光纤时 间同歩单元需要调整本 地定时信息， 第一控制与处理模块 1-1根据定时信息调整量 Δτ _Ωίί1 ， 控制第 一定时信息调整模块 1-3延时调整本地的定时信息 Δτ _Ωίί1 ， 更新预同歩阶段 的调整量 Δτ _Ωίί1 ， 并把调整量 Δτ _Ωίί1 编码到时间码中发送给第二光纤时间同 歩单元。

如果第二光纤时间同歩单元计算出第二光纤时 间同歩单元需要调整本 地定时信息， 第二控制与处理模块 3-1根据定时信息调整量 Δτ _Ωίί2 ， 控制第 一定时信息调整模块 3-3延时调整本地的定时信息 Δτ _Ωίί2 ， 更新预同歩阶段 的调整量 Δτ _Ωίί2 ， 并把调整量 Δτ _Ωίί1 编码到时间码中发送给第一光纤时间同 歩单元。