时间频率测量技术的发展与应用

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1、时间频率测量技术的发展与应用陈洪卿（中国科学院国家授时中心）1 时间频率精密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。时间的应用范围已经渗透到从基础研究领域（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、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，它是高新技术的基础”。 “863”高科技计划倡导者陈芳允院士认

2、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“在科技发展和 社会进步中占有特殊重要的地位。”12003 年全国时间频率学术会议上，王义道教授作特邀报告“建设 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安全和独立自主的命脉；现代化战 争中原子钟比原子弹更重要；精密时间频率广泛应用于现代通信、导航、制导、定位、天文观察、大地测 量、地质勘探、电网调配、电子对抗、交通管理、精密测量、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，直接为各种应用服务。时间是

3、国际单位制中的最基本的物理量之一，也是目前能够实现的测量不确定度最小的物理 量。时间测量的精密度可小于1018，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 频率量来进行测量，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发展需求，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基础。长度单位一米的测量 精度好不容易才达

4、到10 84。而今，由光速不变原理和L=CT确定长度，长度单位1米=真 空中光在 1299 792458 秒时间内传播的距离，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=483 597. 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发展，以时间频

5、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，使精确定位导航、 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、广播电视、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，不断发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发展，平均而言，每过 10年， 时间

6、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发展，在对时间频率测量技术提出需求的同时，也促进了时 间频率测量技术的发展和进步。从以下几个方面可以看到时间频率测量技术的不断发展和成 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年达到1*10 11，更新了秒长定义；目前已达到1*1015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

7、断发展更新。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。北京大学、中国计量科学研究院、中国科学院上海天文 台、武汉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

8、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若干时间间隔计量）两部分测量。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服务组织 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 表明，应该把 U

9、TC 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、生活和科技发展来说，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范将与国际标准接轨，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一一北京时间=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国科学院国家授时中心所保持的UTC(NTSC)与UTC的偏差达到50纳秒以内，进入国际先进行列。23 标准时间频率发播、传输与测量技术的发展高精度的时间频率源要通过各种

10、手段传输给用 户，为用户服务。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达到毫秒、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 到若干皮秒。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

11、都表明时间频率测量技术发展和进步。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 ITUR 第 1011 建议书关于不同系统、传输手段所能达到的时间频率传 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1O10810000电话短波GOES/子午中1毫秒一10微秒1O1010约3000仪高10微秒一50纳秒10105X1013 约 1200 罗兰 C、GPS特高501纳秒5X1013 1014约200GPS/光缆超高优于 1纳秒优于10。14约40TW

12、STT/光缆(2)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内系统1Hf广播1一10 ms106-10。8/天WWW, JJ1BPM，SXG2lF广播1 mS1010一 10一11WWVB，DCF77BPC3罗兰C1/S1012罗兰C链长河二号BPL4地面TV广播10 ns101Z10 一 H美国行1 0CcTV 行6(共视)5导航星广播50500ns1O 10. 1012GPS北斗1号共视520ns10q3/天GLONASS6气象卫星100/S美 G O E S欧洲L A S S O7同步广播卫星（卫星电视）20/ST8T W S T11011S9电话时码110

13、 ms（双向）光纤1050 km 21050 ps0 0 0 km10100 ns11微波线路（局部中继）l10IIS12同轴电缆110ns13搬运钟100l4网络1S5X101o印度I N S A TC C T V 卫星电视510一1.一101欧美日澳中、日10 卅天欧美日NTSCNIM10 一 10-1017美10q31014/天lO 一 1_1015大气多径，必须双向专用局部视距10-14_1015几百米几百米15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

14、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，只要打开电源开关， 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，

15、这将会改善GPS时间频率技术和产品占据我国时间频3 时间频率领域电子测量技术设备发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（技术规范）加以实现。用于时 间频率测量的仪器设备，除不断提高测量精度外，就是向智能化方向发展。虚拟仪器的概念和 技术也已在时间频率测量中显示其优越性。以 GPS 技术为代表的国外时间服务系统、技术、产品，业已挤占我国电力、电信、交 通、金融、科学研究（包括国防科研）等涉及国家安全和社稷民生部门的时间频率用户市场。加入WTO 后，其势更盛。为保护国家权益和我国时频科学技术发展和结构战略性调整，培育、规范 国内时频技术市场，运用时频技术标准化、时间工作管理标准化作为规划、保护的手段，很有 必要6。