基于NIMDO及光纤传递的高精度时间同步系统研究

龙 波， 王菊凤， 黄徐瑞晗， 张 宇， 韩 锋， 沈 力

(贵州省计量测试院，贵州 贵阳 550003)

摘要： 针对公安交管部门对时间同步的需求，研究和设计了一种高精度的时间同步系统。该系统基于NIMDO进行卫星共视数据比对，实现时间标准向基准的实时溯源、实时同步，并结合光纤传输技术、精确时间协议和网络时间协议，向公安交管部门进行城域分级时间传递。通过对系统进行验证及分析，NIMDO与UTC(NIM)时间偏差测量结果中90.53%在±5 ns以内，98.60%在±20 ns以内；系统中时钟单元与时间标准的时间偏差在单纤双向传递时测量结果为-4.45～4.85 ns，在双纤双向传递时测量结果为5.01～24.99 μs，在采用网络时间协议时的测量结果为0.64～4.60 ms。结果表明该系统解决了时间溯源和同步问题，可为其它领域的时间同步提供参考。

关键词： 计量学； 时间同步； NIMDO； 溯源； 精确时间协议； 单纤双向

1 引 言

随着秒定义的量子化，“时间”成为准确度最高、应用最广的物理量^[1]，广泛应用于金融、电力、通信、公安交管、航空航天等领域。在公安交管系统中，海量的数据交互和处理需保证其时间同步；各种执法及用时终端设备(视频监控设备、区间测速装置、执法记录仪、道路交通安全违法行为图像取证仪、闯红灯自动记录系统和测速系统等)涉及行政执法，具有特殊性，需保证时间合法有效溯源。目前公安交管部门通常采用GPS获取时间、网络授时、人工对时的方法，存在时间无法溯源、不同步、不安全、不准确的问题，未满足国家相关标准中对计时误差、时间间隔、时间同步的要求。

臭美吧你。女孩嘻嘻一笑。我八点才来龙岗，送一个女同事来龙岗妇科中心检查，谁知是宫外孕，女同事还没结婚，吓哭了，搞得我陪着她哭。哭过之后就痛快一点了。本以为能带她回去的，医生死活不同意，硬说她是高危病人，必须立即住院。无奈我只好把她留下，自己回来了。

作为关照，程瀚也获得了价值不菲的回报。从2012年开始，程瀚陆续向仰某“借”手表，先后“借”其6块手表和一块翡翠。而其中有一块价值达1300万港币的瑞士“百达翡丽”5002P手表更是让程瀚“垂涎三尺”。当时程瀚说让仰某把这块表放在安全的地方，保证他以后想玩这块表的时候，随时能拿出来。仰某就把这块“百达翡丽”表放在合肥家中的保险柜里。

总体而言，公安交管部门的时间同步系统仍不完善，首先，时间同步系统未形成网络，处于分散独立的状态；其次，没有建立针对时间溯源的量值溯源体系，不能保证时间量值的准确统一；最后，未对时间同步的方法进行分析，并定量评价其准确程度^[2]。

针对上述问题，采用一种可被UTC(NIM)实时驯服、实时溯源的铷原子振荡器(NIMDO, UTC(NIM) Disciplined Oscillator)结合卫星共视技术^[3～5]，使区域时间标准实时同步和溯源至原子时标国家计量基准，并通过光纤传递方法，将时间标准逐级传递至公安交管用时单元，以此构建一种高精度时间同步系统，满足公安交管系统的时间同步和溯源的需求。

2 高精度时间同步系统设计

我们所编写的案例库供教师课上酌情从中选取案例来进行讲解评析，也供学生课下阅读，分组讨论。教师可以从本案例库中选取适当的案例作新课导入、课上讨论及课外拓展任务等多种形式来实施案例教学。

图1 高精度时间同步系统框图
Fig.1 Diagram of high precision time synchronization system

通过波分复用技术结合光纤时延算法的方法，解决了光纤传输主从端之间链路的对称性问题，实现纳秒量级的时间传递。

2.1 GNSS时间频率传递

2级至3级时钟之间采用PTP协议在双纤双向专网进行时间传递，以NIMDO作为参考，对3级时钟输出的1PPS+TOD进行比对测试，测量时间为MJD 58270，采样间隔为1 s，共测量86400个观测数据，时间偏差数据统计如表3所示，其偏差范围为5.01～24.99 μs。

设计的高精度时间同步系统包括全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)时间频率传递和光纤传递两部分,系统设计框图如图1所示。

A、B两地的GNSS时间频率传递接收机内置的时间间隔计数器测量GNSS秒脉冲信号与本地原子钟秒脉冲信号之差分别为Δt _AGNSS 、Δt _BGNSS ，A、B两地的时间分别为t _A和t _B，GNSS时间为t _GNSS，则根据式(1)至式(3)计算可得到A、B两地的时间偏差Δt _AB^[6]:

Δt _AGNSS =t _A-t _GNSS

(1)

Δt _BGNSS =t _B-t _GNSS

(2)

Δt _AB=Δt _AGNSS -Δt _BGNSS =t _A-t _B

(3)

经过多次测量后可得到i 次的时间偏差数据列Δt _AB，当Δt _ABi 在一定的预设范围时，对NIMDO内置铷原子振荡器的驯服常常不能保证其稳定性，此外网络延时也会对其造成影响，因此采用式(4)可计算出更准确的时间偏差Δt _ABi ^[7]:

(4)

式中：Δt _AB(i-1) 为第i 次的前一次时间偏差数据；t _tr为跟踪卫星的时间(13 min)；t _d为网络延时估计值(1～2 min);τ 为采样周期(16 min)。

图2 远程实时溯源框图
Fig.2 Diagram of remote traceability in near real time

对于实际线路中的不对称性采用估算法对其进行补偿，一旦波长选定，该不对称性是一个常数。因此不同波分带来的链路的不对称性是可以计算的，其时延计算链路模型如图4所示。

2.2 光纤传递

利用光纤作为传输媒介进行的时间频率传递，是目前远程时间频率传递不确定度最小的方法^[8]。

现广泛采用PTP协议在不同站点通过光纤进行时间传递，传输网络多为双纤双向网络。PTP 协议假设双向网络的光纤是对称的，其算法要求双向时延必须一致，时延不一致会对同步精度产生影响^[9]。在实际应用中，需对其时延差异进行补偿。实际部署时通常事先采取专用测试仪表从源端开始，逐级对链路中的每个设备进行测试，手动补偿非对称误差，测试效率低下， 在大规模组网时不易操作。除此之外，光纤线路自动切换保护装置(Optical Fiber Line Auto Switch Protection Equipment, OLP)进行切换时, 会产生收发纤芯长度不一致的时延问题，对PTP时间传送精度产生微秒级影响。

因此，在追求高精度同步性能的场合，对钟差和时延的算法进行研究，采用单纤双向技术进行时间传递，单纤双向传递系统由主站和从站组成，主从站间配置单纤双向光模块(Small Form-factor Pluggable, SFP)；主站由铷钟驯服模块、编解码模块、TOD计数模块、时间间隔测量模块和时间输出分配模块组成；从站由编解码模块、时延补偿模块、铷钟驯服模块和时间输出分配模块组成。其结构如图3所示。

图3 单纤双向传递系统结构图
Fig.3 Diagram of single-fiber bidirectional transfer system

为实现单纤双向传输，采用波分复用技术(WDM)，双向传输分别采用λ ₁(如1 310 nm)和λ ₂(如1 550 nm)两个波长。其主要优势在于信号在同一根光纤中传输,物理上克服了往返链路的不对称性,但实际上光纤的色散特性导致了光纤对不同波长的光信号会有不同的群速度或群时延,这也会带来传输往返链路的不对称性^[10]。

行政链包括政策执行和资源消耗两个方面，以管理价值为主。行政链是官僚系统运行链的中段，在政策执行与资源消耗过程中要注重民主、效率、监督等原则，保持管理的价值理性。政策执行是指公职人员为达到特定的行政目标，依据相关规则和程序将公共政策落实为实际行动的过程。政策执行是与社会和市场接触最广泛的环节，容易滋生官商合谋性腐败，应注重全方位监督、过程公开透明。资源消耗是政策执行过程需要使用的职权、人力和物质资源。政府作为公共权力的代理者和执行者，需要对公权力和公共资源的所有者负责。对政策执行和资源消耗过程的严格的民主监督和效率约束有利于从源头上减少和遏制腐败的增量与存量。

此外，NIMDO采用PID闭环反馈控制算法对铷原子振荡器进行控制和驯服，保证了内部铷原子振荡器的输出稳定可靠。

在商业银行客户满意度的评定方面，为了反映不同指标的重要程度，对它们赋予不同的权值是否合理关系到模型最终评判的结果。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，缩写为AHP)把评价总目标分解成各级评价指标，从高到低排成若干层次，然后对每层中的评价因素进行两两对比打分，最后通过简单的数学运算就能得到各指标所占的比例。鉴于其可操作性比较强，本文以此方法为例说明。借鉴前人的研究成果，采用目前应用较为广泛的1～9标度法[10]，对每一层次各指标间的相对重要程度进行两两比较判断，采用求平均值的方法进行数据统计，得到判断矩阵。

图4 链路模型图
Fig.4 Diagram of link model

在图4中：Δ _txm，Δ _rxm是主时钟的设备固定时延，包括PCB布线时延，芯片内部时延，收发驱动时延等，同理Δ _rxs，Δ _txs是从时钟的设备固定时延。Δ _λ1 和Δ _λ2 是两个波长的传输时延，是与距离相关的变化量^[11]，定义非对称系数α =(Δ _λ1 /Δ _λ2 )-1。单纤双向的传输时延(delay_ms、delay_sm)和主从钟差(Offset)计算过程为：

通过式(5)至式(13)，计算钟差和时延。

Offset=t ₂-(t ₁+delay_ms)

=(t ₃+delay_sm)-t ₄

(5)

delay_ms+delay_sm=(t ₄-t ₁)-(t ₃-t ₂)

(6)

delay_ms=Δ _txm+Δ _λ1 +Δ _rxs

(7)

delay_sm=Δ _txs+Δ _λ2 +Δ _rxm

(8)

Δ _λ1 =(1+α)Δ _λ2

(9)

则：

=(t ₄-t ₁)-(t ₃-t ₂)

(10)

(11)

Δ _txm-Δ _rxs-Δ _txs-Δ _rxm)+Δ _rxs

(12)

(13)

本研究对照组患者行急诊内科的常规护理。观察组在对照组常规护理的基础上行急诊救治模式的护理干预,结果表明,观察组患者至急救室后静脉通道开放时间、急救室停留时间显著较短,且入院10分钟后FPSR评分明显较低,P<0.05,差异有统计学意义,说明观察组患者采用急诊救治模式护理进行干预治疗后,提高了急诊救治的效果,缓解了患者的疼痛。两组患者干预前后SAS、SDS评分均明显降低,且观察组患者干预后的SAS、SDS评分较对照组明显要低,观察组家属的满意度比对照组明显要高,P<0.05,差异有统计学意义,说明急诊救治模式的护理干预对心绞痛患者的负面情绪起到了良好的调节作用,提高了患者家属对护理的满意度。

GNSS时间频率传递部分采用NIMDO实现区域时间计量标准(1级时钟)向原子时标国家计量基准UTC(NIM)溯源,对本区域范围内进行时间的量值传递；光纤传递部分采用PTP精确时间协议(Precision Time Protocol, PTP)通过单纤双向链路将1级时钟传递至省级公安交管部门(2级时钟)，再通过双纤双向链路传递至市、县级公安交管部门(3级时钟)，最后采用网络时间协议(Network Time Protocol, NTP)将3级时钟传递至各用时终端。系统逐级对时间进行长距离传递，以此形成一个城域间的公安交管时间同步网。

3 性能评估

3 .1 NIMDO 远程溯源观测结果

根据贵州观测站(IM04)在MJD 57470-58377时间段的远程时间溯源观测数据(16 min间隔)， IM04-UTC(NIM)的时间偏差数据结果统计如表1所示，相对频率偏差数据结果统计如表2所示(**代表IM04-UTC(NIM))。

表1 时间偏差数据统计
Tab .1 Statistics of time offset

表2 相对频率偏差数据统计(1 d平均)
Tab .2 Daily relative frequency difference

3 .2 光纤传递测量结果

为验证系统光纤链路的传输效果，分别对各级时钟单元进行测试。

其中1级至2级时钟采用单纤双向网络进行时间传递，以NIMDO作为参考，对2级时钟输出的1PPS进行比对测试，测量时间段为MJD 58026-58035，时间偏差测量结果如图5所示，其偏差范围为-4.45～4.85 ns。

图5 单纤双向时间偏差测量结果
Fig.5 Diagram of single-fiber bidirectional time offset measurement results

在该高精度时间同步系统的区域时间标准中，NIMDO利用GNSS和卫星共视法实时溯源到UTC(NIM)。在NIMDO中，包括了GNSS时间频率传递装置、控制和驯服系统和铷原子振荡器，其中GNSS时间频率传递装置进行卫星信号的接收、时间和频率差值的测量计算、CGGTTS共视数据的生成等；控制和驯服系统根据时间和频率差值实时对铷原子振荡器进行驯服；铷原子振荡器提供秒脉冲(1 PPS)和10 MHz的频率。远程实时溯源过程如图2所示。

3级时钟至用时终端之间采用NTP协议在双纤双向专网进行时间传递，以NIMDO作为参考，对用时终端采用NTP协议进行比对测试，测量时间段为MJD 58270—58276，采样间隔为16 min，共测量630个观测数据，时间偏差数据统计如表4所示，其偏差范围为0.64～4.60 ms。

表3 时间偏差数据统计
Tab .3 Statistics of time offset

表4 时间偏差数据统计
Tab .4 Statistics of time offset

4 结论及展望

设计的高精度时间同步系统采用NIMDO结合光纤传递的方法，不仅实时溯源、实时同步至UTC(NIM)，具有高精度性能指标、成本低、体积小的特点，且满足时间溯源及时钟同源的需求。光纤传递部分中，对纳秒级时间需求的单元，采用单纤双向进行传递，其优点是精度较高，缺点是建设成本高，不利于推广应用；对微秒级时间需求的单元可采用双纤双向在公安专网内进行时间传递，其优点是利用现有专网，便于推广应用，成本较低，缺点是精度较低^[12]。实际应用时可灵活选择。考虑到高精度时间同步系统的安全性及可靠性，可根据需求对各级时钟单元配置铯钟、铷钟、高稳晶振、卫星授时接收机等设备冗余配置。

时间同步系统中，同时对异地的各时钟单元进行快速、准确测量是一大难题，在此高精度时间同步系统的基础上可利用NIMDO具有共视数据交互及处理的特点，将各时钟单元与区域时间标准的时间偏差及频差数据实时上传并分析，下一步可构建时间频率应用大数据平台，对系统中的各时钟单元进行实时监控、测量、管理及远程校准。

“银行”里存的不是钱,而是粮食；“存折”里存的不是钱数,而是粮食持有数,这就是山西省晋中市祁县创立的“粮食银行”。祁县是曾经以“票号”汇通天下的晋商故里,如今活跃着一群“新晋商”，他们奔波在庄稼汉与庄稼地之间,拿着“粮食银行”这一钥匙,凭信用赢支持,拿价格作引导,提档升级谋创新,成为粮食收购市场的一抹亮色。

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Study of High Precision Time Synchronization System Based on NIMDO and Optical Fiber Transfer

LONG Bo, WANG Ju-feng, HUANG-XU Rui-han, ZHANG Yu, HAN Feng, SHEN Li

(Institute for Metrology and Calibration of Guizhou, Guiyang, Guizhou 550003, China)

Abstract ：A high precision time synchronization system was studied and designed which aimed at synchronizing time in public security traffic management department. The system based on NIMDO traced and synchronized time standard to UTC(NIM) in near real time by satellite common-view method. It transferred time standard hierarchically to public security traffic management department, which combined with optical fiber transfer technology, precise time protocol and network time protocol. The results of validation and analysis showed that 90.53% of the time offset between NIMDO and UTC (NIM) maintained within ±5 ns and 98.60% maintained within±20 ns; the time offset between the clock units and the time standard were -4.45～4.85 ns when the single-fiber bidirectional transfer was used, 5.01～24.99 μs when double-fiber bidirectional transfer was used, 0.64～4.60 ms when network time protocol was used. The results showed that the system solved the problem of time traceability and synchronization, and can provide reference for time synchronization in other fields.

Key words ：metrology; time synchronization; NIMDO; traceability; PTP; single-fiber bidirectional

中图分类号： TB939

文献标识码： A

文章编号： 1000-1158(2019)05-0904-06

doi :10.3969 /j.issn.1000 -1158.2019.05.27

收稿日期： 2019-01-11；修回日期： 2019-03-28

基金项目： 贵州省科技计划(黔科合支撑[2019]2881号);贵州省质量技术监督局科技计划(2017kj002)

第一作者：

龙波(1978-)，男，贵州贵阳人，贵州省计量测试院高级工程师，主要从事时间频率计量研究工作。

Email:88392967@qq.com

山洪灾害防御监测预警系统建成后，可以最大程度地减少人员伤亡和财产损失。此外，系统的建设为水利工程运行调度和流域洪水预测预报等提供实时水文信息，为防汛抗旱工作和防治山洪灾害工作积累详实丰富的水文资料，促进了水资源合理开发利用和水环境保护、水污染防治，有利于促进人水和谐与水生态可持续发展，具有巨大的经济效益和社会效益。

通讯作者：

韩锋(1968-)，男，贵州遵义人，贵州省计量测试院高级工程师，主要从事时间频率计量研究工作。

Email: 18932010301@189.cn

标签：计量学论文;  时间同步论文;  NIMDO论文;  溯源论文;  精确时间协议论文;  单纤双向论文;  贵州省计量测试院论文;