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针对Round-trip时延测量方法中时延测量值受光功率波动和时钟频率漂移所引起的时延波动范围大、测量值准确性低的问题,提出利用卡尔曼滤波对时延测量值进行处理的方法,合理设计了滤波器相关参数。通过Matlab数值仿真表明,滤波后的时延估计值与原始测量值相比精度约提高8倍,证明了应用所提方法可以得到准确的时延值。在此基础上,将该方法应用于光纤高精度授时设备中,实测结果表明该方法比统计平均的时延处理方法获得的系统授时精度提高约130ps。