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。
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]。
对于待分类的数据记录，计算其和已知数据记录的相似性度量，获取和待分类记录中相似度最高的K个记录，并且按照相似度从大到小的顺序降序排列。
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
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。
图1高精度时间同步系统框图
Fig.1Diagram of high precision time synchronization system
综上所述，尽管海南省旅游经济与生态环境系统评价指数呈现相反的发展趋势，但两者协调发展水平较为稳定，且有进一步提升的潜力。我们应该意识到旅游经济并非“无烟产业”，不顾对生态环境的影响大刀阔斧地发展旅游将威胁到旅游业的长远发展和人类的长期利益。因此，我们应该将生态文明建设融入旅游经济发展过程中，同时，加大旅游业扶持力度，发挥旅游经济的带动功能和支柱功能，促进海南省旅游经济与生态环境系统协调有序发展。
2.1 GNSS时间频率传递
在图4中：Δtxm，Δrxm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Δrxs，Δtxs是从时钟的设备固定时延。Δλ1和Δλ2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=(Δλ1/Δλ2)-1。单纤双向的传输时延(delayms、delaysm)和主从钟差(Offset)计算过程为：
二狗伢一帮青皮后生躲在窗外，一心想听到让他们期待的响动，等了半天，传出来的，却是新娘子撕心裂魄的哭声。
旱育秧苗床的供肥量能基本满足秧苗正常生长，三叶期后若补肥则应同时补水。用尿素10g/m2 100倍液均匀喷施，再用清水喷淋洗苗，移栽前几天可按尿素75kg/hm2标准适当施送嫁肥。
ΔtAGNSS=tA-tGNSS
(1)
ΔtBGNSS=tB-tGNSS
(2)
ΔtAB=ΔtAGNSS-ΔtBGNSS=tA-tB
(3)
经过多次测量后可得到i次的时间偏差数据列ΔtAB，当ΔtABi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ΔtABi[7]:
(4)
式中：ΔtAB(i-1)为第i次的前一次时间偏差数据；ttr为跟踪卫星的时间(13 min)；td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.2Diagram of remote traceability in near real time
市政公路路桥梁结构设计加固的原则及方法分析…………………………………………………… 罗松涛（10-134）
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ΔtAGNSS、ΔtBGNSS，A、B两地的时间分别为tA和tB，GNSS时间为tGNSS，则根据式(1)至式(3)计算可得到A、B两地的时间偏差ΔtAB[6]:
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。
(23)黄二麻子还骂道：“底贱货！你不凶过他的头，他就凶过你的头，真正不是些好东西。”(清·《官场现形记》)
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。
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.3Diagram 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λ1(如1 310 nm)和λ2(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]。
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。
图4链路模型图
Fig.4Diagram of link model
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。
Offset=t2-(t1+delayms)
=(t3+delaysm)-t4
(5)
delayms+delaysm=(t4-t1)-(t3-t2)
(6)
delayms=Δtxm+Δλ1+Δrxs
(7)
delaysm=Δtxs+Δλ2+Δrxm
(8)
Δλ1=(1+α)Δλ2
(9)
则：
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。
=(t4-t1)-(t3-t2)
(10)
(11)
Δtxm-Δrxs-Δtxs-Δrxm)+Δrxs
(12)
(13)
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。
根据See-To等[4]的观点，在研究中主要以网络口碑的质量、网络口碑的数量和网络评论的肯定性3个方面来评价网络口碑。网络口碑的质量指每条评论是否清晰、明了、客观以及推荐理由是否充分等；网络口碑的数量主要指网络评审数量的多少以及每条评论所包含信息量的大小等；网络评论的肯定性，主要包括每条评论是否具有肯定性以及每个评论人对产品的推荐程度等。
通过式(5)至式(13)，计算钟差和时延。
3 性能评估
3.1NIMDO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
观测站观测点数0ns<∗∗<5ns5ns<∗∗<10ns10ns<∗∗<15ns15ns<∗∗<20ns∗∗>20nsIM047187065064587762520310190.53%8.18%0.87%0.28%0.14%
表2相对频率偏差数据统计(1 d平均)
Tab.2 Daily relative frequency difference
观测站观测点数0<∗∗<5×10-145×10-14<∗∗<1×10-131×10-13<∗∗<2×10-13∗∗>2×10-13IM04839503222872759.95%26.46%10.37%3.22%
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.5Diagram of single-fiber bidirectional time offset measurement results
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。
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
1PPS+TOD/μs0<∗∗<1010<∗∗<2020<∗∗<30∗∗>30观测点数583037290432800百分比/(%)6.7543.1650.090
表4时间偏差数据统计
Tab.4 Statistics of time offset
NTP/ms0<∗∗<11<∗∗<22<∗∗<3∗∗>3观测点数4028728023百分比/(%)6.3545.5644.443.65
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。
按照沈家大院里的规矩，进城收账是有层银可提的，收一百块现洋可以提成一块，先支后支都可以。张满春随管家刘二去拿账单，竟然开口要了5块银元，因为这一单就是500现洋。刘二很痛快地给了张满春。他想，跑得了和尚跑不了庙，你收不回现钱，罚你多做半年的帮工不就得了。
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StudyofHighPrecisionTimeSynchronizationSystemBasedonNIMDOandOpticalFiberTransfer
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.
Keywords：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
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：时间论文; 双向论文; 偏差论文; 光纤论文; 系统论文; 政治论文; 法律论文; 政治理论论文; 国家理论论文; 国家行政管理论文; 《计量学报》2019年第5期论文; 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)论文; 贵州省计量测试院论文;