时间频率测量技术的发展及应用

..21世纪中国电子仪器开展战略研讨会2004年9月时间频率测量技术的开展与应用洪卿(中国科学院国家授时中心)1时间频率精细测量的目的和意义信息化时代的到来，高精度时问频率已经成为一个国家科技、经济、政治、军事和社会生活中至关重要的一个参量。时间的应用围已经渗透到从根底研究领域(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、地震监测、计量测试等)，以及关系到国计民生的国家诸多重要部门和领域(交通运输、金融证券、邮电通信等)的各个方面，几乎无所不及。中国科协副主席、时间工作专家叶叔华院士认为"生活离不开时间频率，它是高新技术的根底〞。"863〞高科技方案倡导者芳允院士认为"时间频率在工业、交通、电信等方面的应用十分广泛。计时、工业控制、定位导航、现代数字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量〞。它"在科技开展和社会进步中占有特殊重要的地位。〞[1]2003年全国时间频率学术会议上，王义道教授作特邀报告"建立我国独立自主时间频率系统的思考〞[2]指出：时间频率系统是维护国家平安和独立自主的命脉；现代化战争中原子钟比原子弹更重要；精细时间频率广泛应用于现代通信、导航、制导、定位、天文观察、测量、地质勘探、电网调配、电子对抗、交通管理、精细测量、科学研究等领域，设备需求量很大；标准频率与时间信号可以通过电磁波发射、传播、接收，直接为各种应用效劳。时间是国际单位制中的最根本的物理量之一，也是目前能够实现的测量不确定度最小的物理量。时间测量的精细度可小于10—18，准确度可达10一15。这使时间频率在计量、测量领域中起着十分突出的领先和独特作用[3]。因此，其它的物理量，如果能够通过一定的物理关系和物理常数转化为时间频率量来进展测量，用时间测量来表征，那么，该物理量的测量精度将会大大提高，并使计量单位趋向于统一。典型的例子，莫过于长度单位一米的定义。100多年前，为适应世界贸易和科学技术开展需求，为统一国际长度度量单位和标准，成立国际米制委员会，并确定和保持米尺原器，成为现代国际公制计量系统的根底。长度单位一米的测量精度好不容易才到达10一8[4]。而今，由光速不变原理和L=CT确定长度，长度单位l米=真空中光在1／299792458秒时间传播的距离，这样就可以用时间测量来表征长度测量，其精度就提高到lO一9以上。作为原始基准的独立定义的长度单位，蜕变成由时间一光速联合定义的导出单位，长度单位就统一于时间单位了。此外，通过交流约瑟夫森量子效应，从加在约瑟夫森结上的电压V与所产生的交流电频率之间的关系f=(2e／h)／v和国际协定常数值2e／h=483597．9GHz／V，由测量频率求得电压；也可以求得电流、电阻以及温度等等[3]。..18..21世纪中国电子仪器开展战略研讨会2004年9月随着无线电技术、电子技术、激光技术以及相关电子测量技术的开展，以时间频率测量为技术支持的无线电测距定位导航、激光测距定位导航技术和业务迅速展，使准确定位导航、精准武器制导等技术成为现代化战争的重要方面，所以说作为高精度时间频率技术标志的原子钟在现代战争中比原子弹还重要。此外，高精度时间频率测量技术在现代通信(包括移动通信)、计算机网络、播送电视、电力自动化、交通运输、自动控制、地震监测、航空航天、深空跟踪、科学探测以及人们生产、生活的方方面面，都有应用需求。因此，不断开展和提高时间频率测量技术和设备，并推广应用，是提高综合国力的战略措施。2时间频率测量技术的新进展上个世纪50年代以来，时间频率测量技术有了突飞猛进的开展，平均而言，每过10年，时间频率的测量精度就要提高I-2个数量级。电子技术、无线电技术、计算机技术、信息网络技术以及其它各种相关科学技术的开展，在对时间频率测量技术提出需求的同时，也促进了时间频率测量技术的开展和进步。从以下几个方面可以看到时间频率测量技术的不断开展和成就。2．1频率标准技术的研究与进展自1955年英国国家物理实验室NPL研制成世界上第一台1．10一10的铯原子频标始，1967年到达l*lO一1I，更新了秒长定义；目前已到达I*10—15的量级。除研制光抽运和激光喷泉铯原子钟外，铷原子频标、氢原子频标、钙原子光频标、汞离子频标等在准确性、稳定性、实用性、可靠性方面各有特色的频率标准也在不断开展更新。典型的标志之一就是，在最近召开的第16届国际时间频率咨询委员会(CCTF)的会议上，就"国际秒定义〞生成了补充定义，即第二个"国际秒定义〞：建议使用87Rb的超精细能级间的量子跃迁6834682610．904324个周期为一秒[4]。这也意味着，测量对象无论是微观的原子、量子运动，或是宏观的脉冲星双星运动，只要找到一种可靠的测量方法和技术，能比测量铯原子更准、更方便使用，就可能成为新的频率标准，更新国际秒标准定义。大学、中国计量科学研究院、中国科学院天文台、数学与物理研究所等等分别在铷、铯、氢原子频标研制不断取得进展，在商品化生产和市场化竞争方面，尚有待加强，才能与国际市场接轨。2．2 时间标准UTc的研究与进展时间测量包括时间间隔(对应于秒长一周期一频率)和时刻(由相对于时间历元的假设干时间间隔计量)两局部测量。它们分别由国际原子时TAI实现定义秒长和由国际地球自转效劳组织IERS确定的世界时UT相互协调，生成世界通用的标准时间系统——协调世界时UTC。随着原子时比对测量技术的进步和天文测量方法、技术测定地球自转运动的精度提高，用UTC确定某个事件发生时刻的精度，已由以前的1微秒提高到现在的好于100纳秒。与此同时，国际天文学会IAU、国际计量局BIPM、国际电讯联盟ITU、国际标准化组织ISO等等国际组织都说明，应该把UTC作为国际标准时间(包括对应的时刻／日期)、标准频率的统一参考标准。这对于。时间就是金钱〞、信息快变、争分夺秒的现代化社会生产、生活和科技开展来说，都是十分必要的。为此，正在编制的国家标准"标准时间频率信号发射技术规"将与国际标准接轨，采用相关的国际标准作为我国国家标准，并明确定义我国的标准时间——时间=UTC+SH。国际上要求各国标准时间实验室保持的U1．C(K)与国际UTC的时刻偏差应该不大于100纳秒，中..19..21世纪中国电子仪器开展战略研讨会2004年9月国科学院国家授时中心所保持的UTC(NTSC)与UTC的偏差到达50纳秒以[5]，进入国际先进展列。2．3标准时间频率发播、传输与测量技术的开展高精度的时间频率源要通过各种手段传输给用户，为用户效劳。传输过程中，从发播、传播、中继，到接收、解调和应用，都离不开时间频率测量技术和相关的电子测量控制设备。无线电、电子测量、信息编码、卫星技术的进步，先后出现短波、长波、微波、电视、卫星等无线电方法发播、传输标准时间频率，它们时间测量和时间同步的精度分别到达毫秒、微秒、纳秒、皮秒。目前，远距离时间比对测量的最高精度为卫星双向法和激光方法，系统的测量精度到假设干皮秒。这对时钟信号源、传输设备以及比对测量设备的要求都相当高。我国BPM短波时号的发播控制误差小于O．1毫秒，BPL长波时号发播控制误差小于O．1微秒，北斗一号卫星时号发播控制的误差小于几纳秒。这些都说明时间频率测量技术开展和进步。下表1是上世纪末美国对时间频率不同精度的调查结果；下表2是国际电联ITU—R第1011建议书关于不同系统、传输手段所能到达的时间频率传输、测量精度[5]：该建议书也将成为指导我国时间频率用户应用选择的参考标准。美国ISI调查用户对时间频率准确度的需求(1999)等级时间频率用户数手段低1秒一1毫秒lO一一10—8>10000短波中1毫秒一10微秒lO～一10—10约3000GOES／子午仪10微秒一50纳秒10—10—5X10—13约1200罗兰C、GPS特高50—1纳秒5X10—13一10’14约200GPS／光缆超高优于1纳秒优于10。14约40TWSTT／光缆时间频率传输的系统、手段与精度序号传输手段校时准确度频率准确度国外系统国系统lHF播送1一10ms10．6-10。8／天WWⅧ，JJl『BPM，SXG2LF播送1mS10—10一10一11WWVB，DCF77BPC3罗兰Cl∥S10—12罗兰C链长河二号BPL4地面TV播送10ns10—1z—10一H美国行10CcTV行6(共视)5导航星播送50—500nslO一10．10—12GPS北斗l号共视5—20ns10q3／天GLONASS6气象卫星100∥S美GOES欧洲LASSO..21世纪中国电子仪器开展战略研讨会2004年9月同步播送卫星20∥S印度CCTV75×10—1(卫星电视)INSAT卫星电视8TWSTT1—10欧美日澳中、日10一1．一10—19时码1—10ms10卅／天欧美日NTSC(双向)NIM光纤1050km210—50ps10一10-10’17美000km10—100lOq3—1014／天11微波线路l—10lO一1‘_10—15大气多径，必须双向(局部中继)专用局部视距12同轴电缆1—1010-14_10—15几百米几百米13搬运钟<100l4网络<1S15其它2．4时间频率接收、测量、比对技术的研究与进展以GPS全球卫星导航定位系统为代表的新的卫星授时系统的出现，也把标准时间频率信号的接收测量比对技术和设备提高到一个新水平。此前，用户要得到1微秒准确时间，除需要专用仪器设备外，还需要一定的操着程序和技术方法，现在GPS定时接收机，只要翻开电源开关，无须其它操作，可以自动实现准确度为1微秒或100纳秒的时间信息。这对于其它各种电子测量设备实现自动控制和系统自动化管理，带来极大的方便。前面讲到，用时间测量关联其它物理量测量，可以大大提高该物理量测量精度，现在可以说，除去GPS用于导航定位功能外，任何时间频率应用，只要采用GPS技术或类似卫星技术的定时校频功能，就会取得长足的进步和成功。这也使年产值数十亿美元的世界GPS产业每年有2个百分点的增长速度。国产的北斗一号卫星定时接收机业已开发，面向市场，这将会改善GPS时间频率技术和产品占据我国时间频..21世纪中国电子仪器开展战略研讨会2004年9月3时间频率领域电子测量技术设备开展展望与标准化时间间隔的测量精度己从过去的毫秒、微秒提高到纳秒、皮秒和飞秒。频率测量的准确度更高。它们都由相关的电子测量技术、设备、相关的测量程序(技术规)加以实现。用