（天体测量与天体力学专业论文）守时中的若干重要技术问题研究.pdf

摘要 守时工作是授时服务的基础和核心内容。随着科学技术的发展，高精密时 间频率在国民经济发展中的重要性凸显。精密时间在国防现代化，国民经济建 设的诸多方面都有着广泛的应用。在很多科学研究领域，在计量和校准领域， 以及高精度的事件时间戳等方面，都需要高精度时间基准。精密计时、现代通 信、导航定位和计算机自动控制等都离不开精密时间尺度和时间频率测量技术。 授时服务体系是一个国家的重要的基本技术支撑，中国科学院国家授时中心的 b p l ，b p m 长短波授时系统是中国科学院大科学装置工程之一，负责我国标准时间 和频率的产生、保持和发播任务。标准时间的产生和保持( 守时) 是授时服务 的核心内容，因此开展守时中重要技术问题的研究就具有重要的现实意义。 守时做为时间服务工作的核心主要包含了三个方面的内容，首先是用什么 样的 钟 来产生并保持一个稳定的时间尺度。当前国际上大多数的守时实验室 基本采用商品原子频率标准( 包括氢脉泽、铯原子钟、铷原子钟等) 来组成守 时钟组。其次是时间尺度如何产生，以及将什么时间作为国际标准参考时间， 如何得到标准参考时间。关于地方原子时t a ( k ) 的产生，各个实验室根据自身的 情况采用不同的方法。而国际上，始于1 9 7 2 年的用加闰秒的新协调世界时( u t c ) 作为国际标准参考时间至今已3 0 多年，但是究竟用u t c 还是直接用t a i 或是重 新定义新的时间尺度，是近年来国际时间频率领域正在激烈争论的问题。 守时工作的第三个方面是本地时间比对和远距离时间同步。本地时间比对 主要是本地守时钟时差的比对测量，当前采用的技术主要是时间间隔和相位比 对测量方法。远距离时间同步主要用于将全球的钟和不同的时间尺度同步到国 际标准时间上来。 氢原子钟由于其优良的短期稳定性能和较长的工作寿命因而在时间社会得 到了越来越多的重视。然而，如何合理地使用氢原子钟，使其发挥效能则是个 非常重要的研究课题。本文通过对氢钟的守时性能和氢铯联合守时方法的研究， 获得了有意义的研究成果。研究表明，在用氢钟和铯钟一起来计算地方原子时 间尺度时，对于有明显长期速率漂移，但这种漂移在一定程度上具有规律性的 氢钟，应该对它们的数据进行预处理。即根据前一段时间的t a ( k ) - h m 的速率线 性变化预报所需计算时间段上该钟的速率变化，通过数值积分计算由此速率变 化引起的相位时间变化，得到扣除这种相位时间变化后的m c 一删值。用此经过 预处理的数据参加地方原子时计算，可以有效地利用长期速率漂移较稳定的氢 钟来提高地方原子时的稳定度。 另外，使用短稳好而且长期频率漂移一定程度上具有规律性的氢钟作为主 钟频率源比用h p 5 0 7 1 a 铯钟更合适，用简单的频率变化估计和频率驾驭可以得 到优质的u t c ( k ) 。 原子钟是标准时间产生与保持中的关键设备，n t s c 的守时原子钟多年来一 直依赖进口，美国作为当今世界上高精密守时钟的主要生产国家对我国实行严 格的出口限制。因此，开展国产原子钟的守时应用研究就具有重要的现实意义。 通过对上海天文台产氢原子钟性能指标的初步测试，可以看到，经过很多年的 努力，国产氢钟的性能有了长足的进步。通过实测数据结果可以看到，两台上 海天文台氢钟的短期频率波动比s i g m a - t a u 氢钟略大，与5 0 7 1 h 铯钟相当。从 而可以看到，国产氢钟仍然有提高其稳定性的潜力，这需要研制单位根据测试 结果，特别是长期运行性能来不断加以改进。 研究了频率比对时差测量法在n t s c 守时系统中的应用，给出了实际测试结 果。详细分析了比相法精密频率测量的结果，特别是给出了铯钟和氢钟的对比 测试结果，给出了研究结论。在课题进展过程中，建立了主要针对氢原子钟的 高精密频率信号测量系统，提高了测量精度。 介绍了我国新一代守时及原子时系统的解决方案。主要给出在当前形势和 技术条件下守时系统合理的结构：介绍了n t s c 时间基准系统结构及实时 u t c ( n t s c ) 主钟系统物理实现方法和实际应用；介绍了t a ( n t s c ) 的归算方法及 9 0 0 6 年度的稳定度结果：给出了n t s c 守时条件控制的考虑因素；最后介绍了我 国网络化原子时系统实现的技术路线。 关键词：守时，标准时间，原子钟，原子时，国际原子时， t a i ，u t c ，g p s 共视，时间频率传递，稳定度 s t u d yo n s e v e r a li m p o r t a n tt e c h n i c a l i s s u e si nt i m e - k e e p i n g d o n gs h a o w u ( a s t r o m e t r ya n dc e l e s t i a lm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yr e s e a r c hp r o f e s s o rl iz h i g a n ga n d w a n gz h e n g m i n g a b s t r a c t t i m e - k e e p i n gi st h ef o u n d a t i o na n dc o r ew o r ko fs t a n d a r dt i m es e r v i c e w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t i m ea n df r e q u e n c yi s p l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l ei nm a n yf i e l d s t h ep r e c i s i o nt i m eh a sf o u n dw i d e l ya p p l i c a t i o n si n d e f e n s em o d e r n i z a t i o na n dt h e n a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t m a n ys c i e n t i f i c r e s e a r c hw o r kn e e dh i g hp r e c i s i o nt i m e ，a sw e l la sm e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o nf i e l d t i m i n g ，m o d e mc o m m u n i c a t i o n ，n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n ，a n dc o m p u t e ra u t o - c o n t r o l a l ld e p e n do np r e c i s i o nt i m es c a l ea n da c c u r a t et i m es y n c h r o n i z a t i o n s t a n d a r dt i m e s e r v i c es y s t e mh a sb e e nt h ei m p o r t a n tt e c h n i q u ef o u n d a t i o n t h en a t i o n a lt i m e s e r v i c ec e n t e r ( n t s c ) ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ，i sr e s p o n s i b l ef o rt h e e s t a b l i s h i n ga n dm a i n t a i n i n ga n dd i s s e m i n a t i o no fn a t i o n a ls t a n d a r dt i m es i g n a l a s t i m e k e e p i n g i st h ec o r ec o n t e n to ft i m es e r v i c e ，t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h e i m p o r t a n tt e c h n i q u ei s s u e si nt i m e - k e e p i n gi so fg r e a ti m p o r t a n c e t h e r ea r et h r e em a i np a r t si nt i m e - k e e p i n gs y s t e m f i r s t l y , w h a tk i n do f f r e q u e n c ys t a n d a r d ss h o u l db eu s e dt o c r e a t ea n dm a i n t a i nas t a b l et i m es c a l e ， n o w a d a y s ，m o s to ft h et i m e - k e e p i n gl a b o r a t o r i e su s ec o m m e r c i a la t o m i cf r e q u e n c y s t a n d a r d si n c l u d eh y d r o g e nm a s e r , c e s i u ma t o m i cc l o c ka n dr u b i d i u ma t o m i cc l o c k s e c o n d l y , h o wat i m es c a l ei s e s t a b l i s h e da n dh o wt od e f i n et h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r dt i m er e f e r e n c e a tp r e s e n t ，t h ei o c a la t o m i ct i m es c a l e ，t a ( k ) ，i se s t a b l i s h e d b yd i f f e r e n tm e t h o d s t h eu t cs y s t e mh a sb e e nt h ei n t e r n a t i o n a lr e f e r e n c et i m e s c a l ef o r3 0y e a r s ，h o w e v e r ，t h e r eh a sb e e na l la r g u ei nt h ei n t e r n a t i o n a lt i m es o c i e t y o ni fan e wr e f e r e n c et i m es y s t e ms h o u l db ei n t r o d u c e do rn o t ，o r , t h eu t cs y s t e m w i l lb eu s e dc o n t i n u o u s l y l o c a lt i m ec o m p a r i n ga n dl o n gd i s t a n c et i m es y n c h r o n i z a t i o ni st h et h i r d p a r ti nt i m e k e e p i n g l o c a lt i m ec o m p a r i n gi st om e a s u r et i m ee l l o ra m o n gc l o c k s ， t h em a i n t e c h n i q u e u s e da t p r e s e n t i st i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n ta n dp h a s e c o m p a r i n gm e a s u r e m e n t l o n gd i s t a n c et i m es i g n a ls y n c h r o n i z a t i o ni su s e dt ol i n k c l o c k sa n dd i f f e r e n tt i m es c a l e sa l lo v e rt h ew o r l dt ot h ei n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e s c a l et a i d u et oi t sv e r yg o o ds h o r t - t e r mf r e q u e n c ys t a b i l i t y , h y d r o g e nm a s e rh a sb e e n g i v e nm o r e a n d m o r ea t t e n t i o ni nt i m es e r v i c e h o w e v e r , t h ek e yp r o b l e mi sh o wt o u s et h eh y d r o g e nc l o c ka n dm a k eu s eo fi t sg r e a tp o t e n t i a l t h ep r o p e r t yo fh y d r o g e n m a s e ru s e di n t i m e - k e e p i n g a n dh y d r o g e nc o m b i n i n gc e s i u mc l o c ku s e di n t i m e k e e p i n ga r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hh a sg o tv a l u a b l er e s u l t t h e r e s e a r c hh a sg o tc o n c l u s i o nt h a tw h il et h eh y d r o g e nc l o c ki su s e dw i t hc e s i u mc l o c k t oc a l c u l a t el o c a lt i m es c a l e ，t h ed a t ao fh y d r o g e nc l o c k ss h o u l db e e np r e p r o c e s s e d i ft h eh y d r o g e nc l o c kh a s b i ga n dr e g u l a rl o n g t e r mf r e q u e n c yd r i f t t h a ti st op r e d i c t t h es p e e dv a r i a t i o na c c o r d i n gt oi t sl a s tt i m et a ( k ) 一h ml i n es p e e dv a r i a t i o n i ft h e p r e - p r o c e s s e dh y d r o g e nc l o c k d a t aa r eu s e dt oc a l c u l a t el o c a lt i m es c a l e ，t h es t a b i l i t y o ft h el o c a la t o m i ct i m es c a l ew i l lb ei m p r o v e d a d d i t i o n a l l y , i fah y d r o g e nc l o c kh a sv e r yg o o ds h o r t t e r ms t a b i l i t ya n d r e g u l a rl o n g t e r mf r e q u e n c yd r i f t ，t h e ni tc a nb eu s e da st h em a s t e rc l o c k ，s u c ha r e a l - t i m em a s t e rc l o c ks y s t e mw i l lb eb e t t e rt h a ni fc e s i u mc l o c ki su s e d ，a n das t a b l e a n da c c u r a t eu t c ( k ) w il lb er e a l i z e db yf r e q u e n c ye s t i m a t i n ga n dc o n t r o l l i n g h o m e m a d eh y d r o g e nm a s e r sa r em e a s u r e da n dt h er e s u l ta r ea n a l y z e di nt h i s p a p e r f r o mt h er e s u l td a t aw ec a nc o n c l u d e t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h et w o h y d r o g e nm a s e rm a d eb ys h a n g h a ia s t r o n o m i c a lo b s e r v a t o r yh a sb e e ni m p r o v e d g r e a t l y , t h es h o r t t e r mf r e q u e n c yf l u c t u a t ei sb i gt h a nt h a to fs i g m a t a um a s e rm a d e i nu s a ，a p p r o x i m a t e l ye q u a lt ot h ef l u c t u a t eo fac e s i u mc l o c k t h e r e f o r e ，w ec a n s a yt h a tt h eh o m e m a d eh y d r o g e nm a s e rh a sp o t e n t i a li nt i m e - k e e p i n g ，b u ti t s l o n g t e r ms t a b i l i t ys h o u l db ei m p r o v e dc o n t i n u o u s l y t h er e s e a r c ho fd o u b l em i x e dt i m ed i f f e r e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e di n n t s c st i m e k e e p i n gs y s t e mi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h ep r a c t i c a lm e a s u r i n gd a t a a r ep r e s e n t e d c o m p a r i n gr e s u l td a t ao fh y d r o g e nm a s e r sa n dc e s i u mc l o c k sa r ea l s o p r e s e n t e di nd e t a i l t h es o l u t i o no fc h i n e s en e w t i m e k e e p i n ga n da t o m i ct i m es c a l es y s t e mi s i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r t h ec o n s t r u c t i o no fn t s c ss t a n d a r dt i m es y s t e ma n d r e a l t i m e t r r c ( n t s c ) p h y s i c a lm a s t e rc l o c ks y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nw a s p r e s e n t e d t h ec a l c u l a t i o no ft a ( n t s c ) a n dt h er e s u l to fs t a b i l i t yo f2 0 0 6a l e p r e s e n t e d f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no fc h i n e s ej o i n t e da t o m i ct i m es c a l e ( j a t c ) s y s t e mw a si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：t i m e k e e p i n g ； s t a n d a r dt i m ea n df r e q u e n c y ；a t o m i cc l o c k ； i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m es c a l e ：t a i ； u t c ；g p sc o m m o n - v i e w ；t i m ea n d f r e q u e n c yt r a n s f e r ；s t a b i l i t y 第一章引言 第一章引言 本章介绍了论文的研究背景、目的、意义，对国内外主要守时 实验室在标准时间的产生和保持方面的研究现状和动态进行了综 述，并简要介绍了本论文的主要研究成果和内容安排。 1 1 1 研究背景 1 1 研究背景、目的和意义 时间频率是国际单位制( s i ) 七个基本物理量中最具特性的一个：首先它 是当前测量精度最高的一个物理量：其次，是其悠久的测量历史和测量手段以 及单位定义的复杂性。 2 0 世纪5 0 年代之前，标准时间的测量和定义是以天体测量的观测结果为 基础的，及以地球自转周期为基础的世界时u t ，因此一直以来标准时间的产生和 保持( 也称为守时，英文名t i m e k e e p i n g ) 隶属于天文台站。基于天体测量的天 文时间在人类历史活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大的作用，然而，由于 天体运动的周期不够稳定，其观测周期过长，因此不便使用，而且测量精度不 高，不能满足现代科学技术高速发展的需要，所以在上世纪5 0 年代以后，逐步 被以量子物理学为基础的原子时间频率标准所代替。 建立在量子物理学基础上的铯原子时间标准诞生于1 9 5 5 年。经过十几年的 理论分析、交替测量和技术协调，原子时间频率计量标准在1 9 6 7 年正式取代了 2 守时中的若干重要技术问题研究 天文学的时间计量标准的秒长的定义，并在几年之后( 1 9 7 1 年) 出现了全世界 统一的原子时间标准一国际原子时( t a i ) 。 守时理论和技术的发展授时服务体系是一个国家的重要的基本技术支 撑，中国科学院国家授时中心的b p l ，b p m 长短波授时系统是中国科学院大科学 装置工程之一，负责我国标准时间和频率的产生、保持和发播任务。标准时间 的产生和保持( 守时) 是授时服务的核心内容，因此开展标准时间的产生和保 持中关键技术的研究就具有重要的现实意义。 守时理论和方法是研究时间尺度产生、保持和发展的手段，而由于守时工 作的特殊性- - m - - 及守时系统要求长年累月连续不问断、稳定、可靠地运行，因此 守时技术在标准时间的产生和发展过程中也扮演了同样重要的作用。随着天文 学、物理学等自然科学学科的发展，它们对于时间尺度的稳定性提出了越来越 高的要求。过去的半个世纪中，全世界实际应用的时间尺度从稳定度为1 0 。8 天 的地球自转产生的世界时过度到目前稳定度达几1 0 叫4 天的原子时，其不仅 包含了世界时向原子时转化的一个质的变迁，同时原子频标本身在稳定性方面 约每7 年提高一个数量级则是更为重要的发展。守时工作包含了三个重要的方 面n 引：一是用什么样的 钟 ? 一方面，新型频标的研制或者某种具有高稳定度 的周而复始的自然现象的实际应用能为时间尺度提供具有更高稳定度的频率 源。然而对于守时工作来说，更重要的是如何利用现有的“钟 来产生并保持 一个稳定的时间尺度。因此，当前国际上大多数的守时实验室基本采用商品原 子频率标准( 氢脉泽、铯原子钟、铷原子钟等) 来组成守时系统。 守时工作第二个方面是将什么时间作为国际标准参考时间? 如何得到标准 参考时间n 钔? - - - 1 9 7 2 年确定用加闰秒的新协调世界时( u t c ) 作为国际标准参考 时间至今已3 0 多年，但是究竟用u t c 还是直接用t a i 或是定义新的时间尺度，是 近年来国际时间频率领域正在激烈争论的问题；近年来，国际电联i t u 第七研 究组每年会议的主要议题之一就是关于“u t c 未来 ( t h ef u t u r eo fu t c ) 的讨 论和争论，各国的守时实验室和相关的单位都根据实际应用和各自国家的利益 提出了诸多关于未来时间尺度的定义和解决方案。 守时工作第三个方面是如何使全球不同的钟、不同的时间尺度同步到国际 公认的时间频率标准上来? 一这里包含了远距离钟的比对的各种不同技术及其 数据处理方法。伴随着原子钟技术的快速发展，时间同步手段也因为通信技术 的神速发展，而不断进步，精度不断提高。1 9 0 5 年，美国首先实现了短波无线 第一章引言 电播时，解决了大范围时间比对问题，比对精度为毫秒级。短波无线电播时作 为时间比对的主要手段长达半个多世纪。在此期间，时钟从天文摆钟发展成石 英钟、氨分子钟、铯原子钟。钟的特性有几个数量级的提高。显然，短波授时 不能适应时钟发展的要求。1 9 5 8 年，l o r a n - c 长波导航系统开始工作，它的时 间同步精度达到微秒级。但是，由于l o r a n - c 系统覆盖范围和精度有限，远不 能满足科学研究和科学发展的需要。目前罗兰c 在相应领域已经处于次要地位， 而以g p s 为代表的星基导航则占据主导地位。 值得一提的是，2 0 世纪8 0 年代，美国建成g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球导航定位系统，前苏联建成g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 全球导航定位系统。二者的基础是地面建有高质量的守时实验室，其保持的标 准时间频率信号用于对卫星时间的测量和控制。例如美国海军天文台u s n o 的主 钟系统提供的信号用于地卫星钟进行改正妲】。 为了进一步提高授时服务的质量，对守时产品一原子时t a ( k ) 的均匀性 和协调世界时u t c ( k ) 的准确度都提出了越来越高的要求。国际电联i t u 要求各 国守时实验室保持的协调世界时u t c ( k ) 与u t c 的差要控制在小于l o o n s ：原子 时t a ( k ) 的频率准确度优于l o 州量级，稳定度已达5 x 1 0 。1 5 ( 3 0 天) 。为保持如 此高的精度，除了要配置优良的守时钟外，还有开展守时理论和方法、守时技 术、高精度测量和比对、守时辅助系统包括环境监测等的研究工作。 守时工作的重要性守时工作是授时服务的基础和核心内容。当今全球已 经卷入了信息时代，信息在计算机和通信网中以光速传播，没有门电路和网络 结点的高精度定时，信息技术就不可能提高其日益增长的能力。导航和定位是 包括国防和交通运输在内的许多领域的实施基础，它们同样离不开高精密的时 间。g p s 就是把精确定时用于定位的一个典型例子。每个g p s 卫星上有4 个原子 钟，其中一个工作钟的频率用作为g p s 卫星信号的载波频率以及各种编码信号 的基础，其它3 个钟是备份。g p s 的地面控制中心收集来自于分布在全球的5 个g p s 监控站所接收到的各个卫星钟的时间信号，通过k a l m e n 滤波处理，得到 “综合钟 时间( 即g p s 时间) 以及卫星的各种参数和各卫星钟的时间误差、 频率误差、频率漂移，这些信息再注入卫星导航电文，使地面实时收到卫星的 最新信息，这些信息包含了g p s 时间、由u s n o 估计的u t c 、每个卫星钟的时间、 准确度的卫星位置以及其他参数。正是这些时间信息满足了几十米或米级准确 度的导航( i m 3 n s ) 以及在地面上厘米甚至毫米级准确度的定位的需求。 4 守时中的若干重要技术问题研究 过去的几十年中，国家授时中心n t s c 的授时服务基本满足了我国的国防、 战略武器试验以及各行各业对高精度时间的不同需求，尽管n t s c 还将继续做好 b p l 和b p m 的发播工作，为广大用户服务，但是g p s 作为一种非常方便的定时工 具，正为我国越来越多的用户所接受。众所周知，我国是一个大国，随着近2 0 年来我国在科学和经济方面的发展和国防力量的增强，我国的国际地位愈来愈 高，但我们不能放松一丝一毫的警惕，海湾战争的事实也清楚地告示我们，我 们必须进一步发展我国自己的高精度时间服务系统，才能应付任何可能的不测。 我国自己的第一代导航卫星已经试验成功，并正在运行着。该导航卫星用稳定 度相对较低的铷钟作为星载钟的，它接收并转发地面站的时间信号，地面站的 时间则溯源到国家授时中心的u t c ( n t s c ) 。因此，开展标准时间产生与保持中关 键技术的研究，进而改进u t c ( n t s c ) 的准确度是当前至关重要的任务。我国二代 导航卫星计划正在实施之中，该任务对我国的标准时间提出了更高的要求。 高精度时间的应用领域精密时间在国防现代化，国民经济建设的诸多方 面都有着广泛的应用。精密计时、现代通信、导航定位和计算机自动控制等都 离不开精密时间尺度和时间频率测量技术。现代数字同步网主要需要频率同步， 在其基础上的业务网，如s d h 通信网时间同步，c d m a 基站间的时间同步等，不 仅需要频率同步，而且需要高精度的时间同步晗1 。 在导航系统中，尤其是星基导航系统，如g p s ，g l o n a s s 等，都是采用测时 测距体制，高精度的时间频率测量和同步是导航系统的关键和核心，整个g p s 星座的星载钟之间的同步精度在几个纳秒的水平。 在很多科学研究领域( 如电离层特性研究等) ，在计量和校准领域，以及高 精度的事件时间戳等方面，都需要高精度时间基准。在航天领域，如火箭发射 等都需要高精度的时间和频率同步。 建立和保持独立自主授时系统的必要性当今信息时代，科学技术高速发 展，高精度时间和频率已成为重要的战略资源。然而，由于全球导航定位系统 g p s 的普遍使用，使我们的很多部门潜藏着受制于他人的危险，美国就曾经区域 性的关闭g p s 信号，并且其对授时信号精度的干扰( s a ) 在2 0 0 0 年5 月1 日才 宣布取消。建设并保持独立自主的授时服务体系需要国家大量资金和技术的投 入。然而，中国作为一个大国，为了维护国家安全，保持一个强大的国防力量 是必要前提。现代化战争是信息化战争，高精密时间频率系统是实现精确打击 的基础。 第一章引言 美国正在进行的g p s 现代化，一方面是应美国及其盟国的军事应用对定位 定时等不断增长的需求，另一方面是因为全球民用用户对定位和定时等不断增 长的的需求。对民用用户需求方面，首先需要有更高的定位定时精度，美国在 g p s 现代化进程中，计划增加第2 个民用信号，即在l 2 波段上加发新的c a 码 信号，用于民用用户进行双频电离层校正，提高定位和定时精度。并计划在l 5 上加发第三个民用信号，以满足民用用户对高准确度实时应用的需求。 国家授时中心负责我国重要的基础设施b p l 和b p m 长短波授时系统的运转 维护重任。当前进行的b p l 长波系统现代化改造就是要满足国防安全和国民经 济建设各方面对授时服务越来越高的需求。正在建设的b p c 低频时码授时台也 将进一步加强我国陆基无线电授时体系，拓展服务范围。 国内守时工作现状我国现有如下一些单位建有守时系统：中国科学院国 家授时中心n t s c 、国家计量科学研究院n i m 和航天2 0 3 研究所b i r m 。这三家单 位分别保持地方协调世界时u t c ( n t s c ) ，u t c ( n i m ) 和u t c ( b i r m ) ，并向国际权度 局b i p m 报送本地钟比对和g p s 共视比对数据，而这其中只有国家授时中心保持 有独立地方原子时t a n t s c ) 。 国家授时中心时频基准实验室负责我国授时时间标准u t c ( n t s c ) 的产生和 保持工作。当前，国家授时中心守时钟组由1 8 台a g i l e n t5 0 7 1 a 铯原予钟和4 台氢脉泽( 其中两台美国s i g m a - t a u 氢钟和两台上海天文台生产主动型氢钟) 构成：实时u t c ( n t s c ) 由一台氢原子钟+ 一台相位微跃计产生，目前u t c ( n t s c ) 与u t c 的差已控制在5 0 n s 以内，优于国际电联i t u 要求的l o o n s ，达到国际 先进水平( 见图1 1 ) 。 实时u t c ( n t s c ) 秒和频率信号被通过微波线路传递到b p l 和b p l 授时台用 于发播控制，同时也用于我国“北斗 卫星定位系统的标校。 守时中的若干重要技术问厢研究 图1l 2 0 0 6 年度国际上几个主要u t c ( k ) 的控制情况 1 i 2 研究目的和意义 随着科学技术的发展，高精密时间在国民经济发展中的地位同趋重要。在 国防安全、国民经济建设和高新技术产业诸如导航定位、精确打击、通信、电 力、交通、高速数字网同步等领域有着广泛的应用。近年来随着国防和空间 技术的发展，对高精度时间和频率传递提出了更高的要求。我国虽然在九十年 代自主地建立了独立的长波授时体系但其时间传递精度只能达到微秒量级， 且时自j 覆盖每天只有八小时。随着我国第二代战略武器计划和载人航天计划的 实施，对时间和频率传递精度的要求达亚微秒量级。特别是s d h 通信网的时间 同步和频率校准空中目标的探测和拦截( 类似美国爱国者导弹系统) ，对时间 传递精度要求达纳秒量级“。 但是，标准时间产生与保持中的关键设备原子钟。我们国家自己研制 生产的守时型原子钟无论在性能指标还是在可靠性上都还不能满足现代高精密 授时服务的需要，目前仍然要依赖进口，美国作为当今世界上高精密守时钟的 一 ：。p一增：。一 第一章引言 主要生产国家对我国实行严格的出口限制。因此，我们要在有限的守时钟组的 配置下，开展的守时理论和方法的研究对于我国的国防建设和国民经济建设就 具有极其重要的意义。 本文以守时应用研究为导向，结合国家授时中心守时和原子时系统的实 践，开展标准时间的产生与保持中若干关键问题的研究。本文首先论述守时工 作的内容及守时研究涉及的关键问题，然后针对守时和原子时工作的实践，研 究了氢原子钟的守时应用问题：接下来讨论了实时u t c 系统的建立和控制方法： 然后对守时工作中的另外一个关键问题即精密时间的本地测量，研究了基于时 间间隔测量方法和频率比对时差测量方法。最后对国家授时中心新一代时间基 准系统进行了研究，并以2 0 0 6 年全年的结果做为本文研究成果的佐证。 面向应用，解决标准时间产生与保持工作在实际应用中的问题，是本文研 究工作的基本出发点。 1 2国内外守时工作研究的现状与动态 1 2 i 原子守时研究的现状与动态 现代原子守时研究( 区别于天文测时) 开始于2 0 世纪5 0 年代，其标志是 5 0 年代分子钟和原子钟的诞生。原子钟的出现为精密时间提供了具有更高稳定 度的频率源，为精密时间展现出更广阔的应用前景。过去的5 0 年中，高精度钟 的稳定度几乎每7 年提高一个数量级，因此秒长测定的准确度越来越高，达到 0 3 n s d a y ，它成为人类社会最准确的测量。如此高的准确度使得时间频率设备 被用作为其它各种基本物理量( 电压、电流、欧姆、米) 的计量基准。因此， 精密时间是现代高科技发展的必要条件，实际上，精密时间的应用涉及到从基 础研究领域( 天文学、地球动力学、物理学等) 到工程技术领域( 信息传递、 电力输配、深空跟踪、空间旅行、导航定位、武器实验、交通运输、地震监测、 计量测试等) 的各个方面【4 1 1 。 守时中的若干重要技术问题研究 国际时间频率比对的进展国际时间同步与连接是守时工作的一项重要 内容。从国际标准时间和各个国家高精度守时的需要出发，远距离的高精度时间 频率传递比对技术有了很大的发展。 高精度的远距离时间比对技术，作为守时工作的三大要素之一，在过去的 2 0 年特别是本世纪末的最后几年中取得了长足的发展。世界各国共同参考的标 准时间一u t c 的形成需要分布在世界各地的钟的高精度比对，各国或各实验室的 标准时间u t c ( k ) 准确度的保持也同样需要它乜3 1 。 相距遥远的实验室的钟之间的比对结果的测量噪声使比对结果不能体现出 钟本身的优质性，同时也会大大降低时间尺度的短期稳定性。在过去的4 5 年中 原子频标的性能大约每7 年提高一个数量级，在时间频率的研究和应用领域中， 远距离时间频率比对技术必须与原子频标发展的步伐相适应 1 9 8 5 年g p s 被首次用于远距离时间比对之前，l o r a n c 地面导航系统被广 泛应用，该技术一天的最佳稳定度仅为1 0 j 2 在t a i 或者一个国家的综合原子 时的计算中，为了反映出钟的良好性能，必须采用统计分析方法( 平滑、滤波) 把比对中的测量噪声降低到可接受的水平，这种最短所需的采样平均时间段称 为t o 在用l o r a n c 进行比对时，所需的t 0 为5 0 天在g p s 的时间信号被用于 远距离时间比对后，t 0 改为l o 天g p s 共视技术于九十年代初开始被广泛采用， 对于1 0 0 0 k m 左右的基线，用t o 为一天左右进行平滑，基本反映了钟的性能。 对于更远距离( 洲际) 的时间比对，不仅要把t 0 延长到3 5 天，而且还要考虑 实测的电离层改正和g p s 卫星的精密星历表改正。因此，从1 9 9 6 年一月起，t a i 计算中的t 0 改为5 天【2 3 1 。 远距离时间比对技术也应用于航天、军事、交通、电力等各个行业，但应 用目的不同，对时间比对技术的准确度要求也不同。过去几十年中，世界上的远 距离时间比对手段及它们所能达到的准确度情况简要地列于表1 表中l o r a n c 及列于其前的各种技术在准确度要求为lt ts 或低于此的应用领域中仍在发挥作 用，但在标准时间的形成和保持( 即守时) 方面已无能为力。表中后三项于九十 年代初以来逐步显示出它们的威力随着新一代频标的出现，在二十一世纪前 一、二十年中，多通道g p s 全视共视比对、g p s + g l o n a s s 一体化全视比对将向着 亚纳秒精度进军，并在l 天以上的长期稳定度方面起主要作用，t w s t t 及g p s 载波相位技术将在中、短期稳定度方面起主要作用。 第一章引言 s a m p l e t i m e f f s 幽12 各种时间传递方法精度比较 当前，各国标准时间与国际标准时间的连接采用组合方法大部分的守时 实验室采用g p s 共视法。卫星双向法时间频率传递( t w s t f t ) 技术作为当前实用 的具有撮高精度的时间同步手段正得到广泛的重视和应用。图l3 是当前国际 时间连接示意图。 1 0守时中的若干重要技术问题研究 l 出m 坷7e 哪p 缸w 血删s m 恤吐7 吐岱 邢研w h b 缸砌l 舳砌b 诎四 一t w s t f t h 血 一凹s c v 增e d 型m l 触 g p sc v h 2 l e d 旺址l b 吐i d 血矗 一饼塔c v 锄i h j 出m _ i d 挂血 o p sc 、细越出硼d b 醯坪l 诎 一o p s c v 血n 缸掣m 秽h 咄 g p sc v 血址如q l = 呲、眄b 吐邮lu 矗 图i 3 国际时间连接网 1 2 2 国际原子时t a i 的发展状况 国际原子时是由全世界5 8 个时间实验室( 截止2 0 0 6 年1 2 月) 的合作而形 成的。国际权度局( b i p m ) 用分布在世界各地的这些实验室的总共2 4 0 台左右 自由运转的原子钟的数据，采用a l g o s 计算方法得到自由原子时e a l 。t a i 则是 自由原子时e a l 经过参照基准频标频率修正后导出的。各个时间实验室每月将 该实验室钟的比对数据，u t c ( k ) - c l o c k ( k ，i ) ( 式中k 为实验室代码，i 为守时 钟代号) ，发送给b i p m 。实际上，e a l 是所有钟的加权平均值，b i p m 时间部汇总 所有这些原子钟的数据，并通过特定的算法得到高稳定度、高准确度的国际原 子时。在2 0 0 0 年到2 0 0 3 年间，b i p m 两次改进了a l g o s 算法的取权方法，使t a i 的稳定度有了明显的提高。 第一章引言 1 2 3 协调世界时u t c 的发展状况 从1 9 7 2 年1 月开始，协调世界时u t c