CC BY
32ВКВО-2019- ВОСПИ
АППАРАТУРА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОМ СИНХРОНИЗАЦИИ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ
Григорьев В.В., Митюрев А.К., Савкин К.Б.*, Тихомиров С.В.
Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), г. Москва
*Е-таИ: за укт @ vniiofi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16055
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) являются одним из самых точных инструментов для обеспечения дистанционной синхронизации шкал времени удаленных друг от друга водородных стандартов времени и частоты (СВЧ), обладающих относительной нестабильностью менее 110-15 на суточном интервале усреднения и входящих в состав эталонов единиц времени и частоты, а также систем единого времени и тактовой сетевой синхронизации. Высокая точность достигается за счет малого затухания сигнала в современных типах оптического волокна, высокой помехозащищенностью, надежностью и большим сроком службы ВОЛС. Данный метод синхронизации позволяет не только осуществлять передачу высокостабильных сигналов времени и частоты с необходимым уровнем точности, но и обеспечить непрерывный, круглогодичный режим работы, что другими методами синхронизации (с использованием перевозимых квантовых часов, радиоэлектронного, открытого оптического и спутникового каналов передачи) обеспечить невозможно.
Работы по передаче высокостабильных сигналов времени и частоты по ВОЛС для обеспечения синхронизации шкал времени ведутся ведущими научными метрологическими лабораториями мира с начала 90х годов XX века (PTB (Германия), LPL и SYRTE (Франция), AGH (Польша), NIST и JPL (NASA) (США), NICT и NMIJ (Япония), NPL (Великобритания), NIM (Китай), NMI (Австралия) и др.). К настоящему времени в мире уже разработаны несколько коммерческих систем и проложены тысячи километров выделенных ВОЛС для данных целей.
В России же всесторонние исследования в данном направлении начались только с 2013 года, но за это время подведомственными Росстандарту государственными научными метрологическими институтами были проведены теоретические и экспериментальные исследования методов и средств ослабления влияния различных факторов на процессы передачи высокостабильных сигналов времени и частоты по оптическому волокну, а также разработаны образцы аппаратуры для дистанционной синхронизации шкал времени по ВОЛС, не уступающие по точности мировым аналогам.
В текущей работе рассматривается аппаратура, разработанная во ВНИИОФИ.
Упрощенная схема передачи высокостабильных сигналов времени и частоты по ВОЛС аппаратурой для дистанционной синхронизации шкал времени по ВОЛС представлена на рис. 1.
Принцип действия аппаратуры основан на модуляции оптического излучения сигналом частоты (времени) (обозначения в скобках на рис. 1 относятся к сигналам времени) ведущего СВЧ, передаче модулированного оптического излучения по ВОЛС в направлении ведомого СВЧ и выделении с помощью ФПУ сигнала
частоты (времени) на стороне ведомого генератора. Часть излучения со стороны ведомого СВЧ отражается в направлении ведущего СВЧ для определения величины сигнала ошибки и выработки соответствующего воздействия на фазовращатель [1-5].
Для наглядности на рис. 1 обозначены величины, влияющие на параметры передаваемых по ВОЛС сигналов времени и частоты, которые необходимо компенсировать в процессе дистанционной синхронизации СВЧ: фш - фазовый шум сигнала частоты, Дт - время задержки сигнала времени при их передаче по ВОЛС.
Внешний вид аппаратуры представлен на рис. 2.
По результатам испытаний установлено, что разработанная аппаратура позволяет: - передавать высокостабильный сигнал частоты по ВОЛС длиной до 150 км с относительной
Рис. 1. Схема передачи высокостабильных сигналов времени и частоты по ВОЛС:
ФВ - фазовращатель; ОЦ - оптический циркулятор; ФПУ - фотоприемное устройство; СМ - смеситель; ИВИ -измеритель временных интервалов
112
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВО-2019 ВОСПИ
нестабильностью от 4,1 • 10-17 до 2,010-16 на суточном интервале усреднения;
- передавать высокостабильный сигнал времени с абсолютной погрешностью от 61 до 80 пс на суточном интервале усреднения, что достаточно для обеспечения синхронизации водородных стандартов времени и частоты с относительной нестабильностью менее 110-15 на суточном интервале усреднения.
Потенциальными потребителями
подобных коммерческих систем на территории России могут являться:
1) предприятия и организации Роскосмоса, Росстандарта, Минобороны России - для частотно-временного обеспечения наземных систем;
2) метрологические лаборатории - для обеспечения дистанционных сличений первичного, вторичных и рабочих эталонов единиц времени и частоты;
3) операторы связи - для обеспечения тактовой сетевой синхронизации систем связи и передачи информации;
4) испытательные полигоны - для обеспечения синхронизации измерительных систем и комплексов;
5) научные организации и учебные заведения - для поддержки научных исследований и учебного процесса, в которых требуются высокоточные сигналы времени и частоты
и др.
Синхронизация удаленных СВЧ может происходить по различным топологиям. Например, по топологиям «точка-точка» или «кольцо» могут быть синхронизированы эталоны времени и частоты метрологических лабораторий, расположенных в одном регионе, а по топологии «звезда» может быть обеспечена синхронизация измерительных средств космодромов или испытательных полигонов, нескольких подразделений или кафедр в научном или учебном заведениях и проч.
Внедрение аппаратуры дистанционной синхронизации шкал времени по ВОЛС также позволяет удаленным абонентам получать сигналы времени и частоты эталонной точности для своих нужд без существенных экономических затрат на закупку и обслуживание водородных СВЧ; а пользователям водородных СЧВ - снизить затраты на организацию синхронизации с использованием других дорогостоящих методов: с использованием перевозимых квантовых часов, радиоэлектронного, открытого оптического или спутникового каналов передачи.
Таким образом, представлена отечественная аппаратура для дистанционной синхронизации шкал времени по ВОЛС, не уступающая по точности мировым аналогам, и обозначены перспективы ее применения в различных отраслях народного хозяйства.
Литература
1. Григорьев В.В, Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Савкин К.Б., Тихомиров С.В. Применение волоконно-оптических линий для сличения эталонов единиц времени и частоты // Фотон-экспресс. - 2018. - №5(149). - С.14-18
2. Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Савкин К.Б., Тихомиров С.В. Передача высокоточных сигналов частоты по волоконно-оптической линии связи на расстояние 150 км //Измерительная техника. - 2018. -№7.. - С. 37-40
3. Григорьев В.В, Кравцов В.Е., Митюрев А.К, Савкин К.Б., Тихомиров С.В. Передача высокостабильного сигнала времени по волоконно-оптической линии связи //Измерительная техника. - 2018. - №10. - С.47-49
4. Grigor'ev V.V., Kravtsov V.E., Mityurev A.K., Savkin K.B., Tikhomirov S.V. Transfer of highly stable frequency signals on a 150 km fiber-optic communications line //Measurement Techniques. - 2018. - Vol.61. - No.7. - P.699-703. - DOI 10.1007/s11018-018-1487-1
5. Grigor'ev V.V., Kravtsov V.E., Mityurev A.K., Savkin K.B., Tikhomirov S.V. Transmission of Highly Stable Time Signals Over Optical Fiber Communication Lines //Measurement Techniques. 2019. - Vol.61. - No. 10. - P. 10181021. - DOI 10.1007/s11018-019-01542-z
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
113
