..21世紀(jì)中國電子儀器開展戰(zhàn)略研討會2004年9月時間頻率測量技術(shù)的開展與應(yīng)用洪卿(中國科學(xué)院國家授時中心)1時間頻率精細(xì)測量的目的和意義信息化時代的到來，高精度時問頻率已經(jīng)成為一個國家科技、經(jīng)濟(jì)、政治、軍事和社會生活中至關(guān)重要的一個參量。時間的應(yīng)用圍已經(jīng)滲透到從根底研究領(lǐng)域(天文學(xué)、地球動力學(xué)、物理學(xué)等)到工程技術(shù)領(lǐng)域(信息傳遞、電力輸配、深空跟蹤、空間旅行、導(dǎo)航定位、武器實驗、地震監(jiān)測、計量測試等)，以及關(guān)系到國計民生的國家諸多重要部門和領(lǐng)域(交通運輸、金融證券、郵電通信等)的各個方面，幾乎無所不及。中國科協(xié)副主席、時間工作專家葉叔華院士認(rèn)為"生活離不開時間頻率，它是高新技術(shù)的根底〞。"863〞高科技方案倡導(dǎo)者芳允院士認(rèn)為"時間頻率在工業(yè)、交通、電信等方面的應(yīng)用十分廣泛。計時、工業(yè)控制、定位導(dǎo)航、現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)和計算機(jī)都離不開時頻技術(shù)和時頻測量〞。它"在科技開展和社會進(jìn)步中占有特殊重要的地位。〞[1]2003年全國時間頻率學(xué)術(shù)會議上，王義道教授作特邀報告"建立我國獨立自主時間頻率系統(tǒng)的思考〞[2]指出：時間頻率系統(tǒng)是維護(hù)國家平安和獨立自主的命脈；現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中原子鐘比原子彈更重要；精細(xì)時間頻率廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、定位、天文觀察、測量、地質(zhì)勘探、電網(wǎng)調(diào)配、電子對抗、交通管理、精細(xì)測量、科學(xué)研究等領(lǐng)域，設(shè)備需求量很大；標(biāo)準(zhǔn)頻率與時間信號可以通過電磁波發(fā)射、傳播、接收，直接為各種應(yīng)用效勞。時間是國際單位制中的最根本的物理量之一，也是目前能夠?qū)崿F(xiàn)的測量不確定度最小的物理量。時間測量的精細(xì)度可小于10—18，準(zhǔn)確度可達(dá)10一15。這使時間頻率在計量、測量領(lǐng)域中起著十分突出的領(lǐng)先和獨特作用[3]。因此，其它的物理量，如果能夠通過一定的物理關(guān)系和物理常數(shù)轉(zhuǎn)化為時間頻率量來進(jìn)展測量，用時間測量來表征，那么，該物理量的測量精度將會大大提高，并使計量單位趨向于統(tǒng)一。典型的例子，莫過于長度單位一米的定義。100多年前，為適應(yīng)世界貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)開展需求，為統(tǒng)一國際長度度量單位和標(biāo)準(zhǔn)，成立國際米制委員會，并確定和保持米尺原器，成為現(xiàn)代國際公制計量系統(tǒng)的根底。長度單位一米的測量精度好不容易才到達(dá)10一8[4]。而今，由光速不變原理和L=CT確定長度，長度單位l米=真空中光在1／299792458秒時間傳播的距離，這樣就可以用時間測量來表征長度測量，其精度就提高到lO一9以上。作為原始基準(zhǔn)的獨立定義的長度單位，蛻變成由時間一光速聯(lián)合定義的導(dǎo)出單位，長度單位就統(tǒng)一于時間單位了。此外，通過交流約瑟夫森量子效應(yīng)，從加在約瑟夫森結(jié)上的電壓V與所產(chǎn)生的交流電頻率之間的關(guān)系f=(2e／h)／v和國際協(xié)定常數(shù)值2e／h=483597．9GHz／V，由測量頻率求得電壓；也可以求得電流、電阻以及溫度等等[3]。..18..21世紀(jì)中國電子儀器開展戰(zhàn)略研討會2004年9月隨著無線電技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)以及相關(guān)電子測量技術(shù)的開展，以時間頻率測量為技術(shù)支持的無線電測距定位導(dǎo)航、激光測距定位導(dǎo)航技術(shù)和業(yè)務(wù)迅速展，使準(zhǔn)確定位導(dǎo)航、精準(zhǔn)武器制導(dǎo)等技術(shù)成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的重要方面，所以說作為高精度時間頻率技術(shù)標(biāo)志的原子鐘在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中比原子彈還重要。此外，高精度時間頻率測量技術(shù)在現(xiàn)代通信(包括移動通信)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、播送電視、電力自動化、交通運輸、自動控制、地震監(jiān)測、航空航天、深空跟蹤、科學(xué)探測以及人們生產(chǎn)、生活的方方面面，都有應(yīng)用需求。因此，不斷開展和提高時間頻率測量技術(shù)和設(shè)備，并推廣應(yīng)用，是提高綜合國力的戰(zhàn)略措施。2時間頻率測量技術(shù)的新進(jìn)展上個世紀(jì)50年代以來，時間頻率測量技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的開展，平均而言，每過10年，時間頻率的測量精度就要提高I-2個數(shù)量級。電子技術(shù)、無線電技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及其它各種相關(guān)科學(xué)技術(shù)的開展，在對時間頻率測量技術(shù)提出需求的同時，也促進(jìn)了時間頻率測量技術(shù)的開展和進(jìn)步。從以下幾個方面可以看到時間頻率測量技術(shù)的不斷開展和成就。2．1頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的研究與進(jìn)展自1955年英國國家物理實驗室NPL研制成世界上第一臺1．10一10的銫原子頻標(biāo)始，1967年到達(dá)l*lO一1I，更新了秒長定義；目前已到達(dá)I*10—15的量級。除研制光抽運和激光噴泉銫原子鐘外，銣原子頻標(biāo)、氫原子頻標(biāo)、鈣原子光頻標(biāo)、汞離子頻標(biāo)等在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、實用性、可靠性方面各有特色的頻率標(biāo)準(zhǔn)也在不斷開展更新。典型的標(biāo)志之一就是，在最近召開的第16屆國際時間頻率咨詢委員會(CCTF)的會議上，就"國際秒定義〞生成了補充定義，即第二個"國際秒定義〞：建議使用87Rb的超精細(xì)能級間的量子躍遷6834682610．904324個周期為一秒[4]。這也意味著，測量對象無論是微觀的原子、量子運動，或是宏觀的脈沖星雙星運動，只要找到一種可靠的測量方法和技術(shù)，能比測量銫原子更準(zhǔn)、更方便使用，就可能成為新的頻率標(biāo)準(zhǔn)，更新國際秒標(biāo)準(zhǔn)定義。大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院天文臺、數(shù)學(xué)與物理研究所等等分別在銣、銫、氫原子頻標(biāo)研制不斷取得進(jìn)展，在商品化生產(chǎn)和市場化競爭方面，尚有待加強，才能與國際市場接軌。2．2 時間標(biāo)準(zhǔn)UTc的研究與進(jìn)展時間測量包括時間間隔(對應(yīng)于秒長一周期一頻率)和時刻(由相對于時間歷元的假設(shè)干時間間隔計量)兩局部測量。它們分別由國際原子時TAI實現(xiàn)定義秒長和由國際地球自轉(zhuǎn)效勞組織IERS確定的世界時UT相互協(xié)調(diào)，生成世界通用的標(biāo)準(zhǔn)時間系統(tǒng)——協(xié)調(diào)世界時UTC。隨著原子時比對測量技術(shù)的進(jìn)步和天文測量方法、技術(shù)測定地球自轉(zhuǎn)運動的精度提高，用UTC確定某個事件發(fā)生時刻的精度，已由以前的1微秒提高到現(xiàn)在的好于100納秒。與此同時，國際天文學(xué)會IAU、國際計量局BIPM、國際電訊聯(lián)盟ITU、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO等等國際組織都說明，應(yīng)該把UTC作為國際標(biāo)準(zhǔn)時間(包括對應(yīng)的時刻／日期)、標(biāo)準(zhǔn)頻率的統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)。這對于。時間就是金錢〞、信息快變、爭分奪秒的現(xiàn)代化社會生產(chǎn)、生活和科技開展來說，都是十分必要的。為此，正在編制的國家標(biāo)準(zhǔn)"標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號發(fā)射技術(shù)規(guī)"將與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，采用相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)作為我國國家標(biāo)準(zhǔn)，并明確定義我國的標(biāo)準(zhǔn)時間——時間=UTC+SH。國際上要求各國標(biāo)準(zhǔn)時間實驗室保持的U1．C(K)與國際UTC的時刻偏差應(yīng)該不大于100納秒，中..19..21世紀(jì)中國電子儀器開展戰(zhàn)略研討會2004年9月國科學(xué)院國家授時中心所保持的UTC(NTSC)與UTC的偏差到達(dá)50納秒以[5]，進(jìn)入國際先進(jìn)展列。2．3標(biāo)準(zhǔn)時間頻率發(fā)播、傳輸與測量技術(shù)的開展高精度的時間頻率源要通過各種手段傳輸給用戶，為用戶效勞。傳輸過程中，從發(fā)播、傳播、中繼，到接收、解調(diào)和應(yīng)用，都離不開時間頻率測量技術(shù)和相關(guān)的電子測量控制設(shè)備。無線電、電子測量、信息編碼、衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，先后出現(xiàn)短波、長波、微波、電視、衛(wèi)星等無線電方法發(fā)播、傳輸標(biāo)準(zhǔn)時間頻率，它們時間測量和時間同步的精度分別到達(dá)毫秒、微秒、納秒、皮秒。目前，遠(yuǎn)距離時間比對測量的最高精度為衛(wèi)星雙向法和激光方法，系統(tǒng)的測量精度到假設(shè)干皮秒。這對時鐘信號源、傳輸設(shè)備以及比對測量設(shè)備的要求都相當(dāng)高。我國BPM短波時號的發(fā)播控制誤差小于O．1毫秒，BPL長波時號發(fā)播控制誤差小于O．1微秒，北斗一號衛(wèi)星時號發(fā)播控制的誤差小于幾納秒。這些都說明時間頻率測量技術(shù)開展和進(jìn)步。下表1是上世紀(jì)末美國對時間頻率不同精度的調(diào)查結(jié)果；下表2是國際電聯(lián)ITU—R第1011建議書關(guān)于不同系統(tǒng)、傳輸手段所能到達(dá)的時間頻率傳輸、測量精度[5]：該建議書也將成為指導(dǎo)我國時間頻率用戶應(yīng)用選擇的參考標(biāo)準(zhǔn)。美國ISI調(diào)查用戶對時間頻率準(zhǔn)確度的需求(1999)等級時間頻率用戶數(shù)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約3000GOES／子午儀10微秒一50納秒10—10—5X10—13約1200羅蘭C、GPS特高50—1納秒5X10—13一10’14約200GPS／光纜超高優(yōu)于1納秒優(yōu)于10。14約40TWSTT／光纜時間頻率傳輸?shù)南到y(tǒng)、手段與精度序號傳輸手段校時準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度國外系統(tǒng)國系統(tǒng)lHF播送1一10ms10．6-10。8／天WWⅧ，JJl『BPM，SXG2LF播送1mS10—10一10一11WWVB，DCF77BPC3羅蘭Cl∥S10—12羅蘭C鏈長河二號BPL4地面TV播送10ns10—1z—10一H美國行10CcTV行6(共視)5導(dǎo)航星播送50—500nslO一10．10—12GPS北斗l號共視5—20ns10q3／天GLONASS6氣象衛(wèi)星100∥S美GOES歐洲LASSO..21世紀(jì)中國電子儀器開展戰(zhàn)略研討會2004年9月同步播送衛(wèi)星20∥S印度CCTV75×10—1(衛(wèi)星電視)INSAT衛(wèi)星電視8TWSTT1—10歐美日澳中、日10一1．一10—19時碼1—10ms10卅／天歐美日NTSC(雙向)NIM光纖1050km210—50ps10一10-10’17美000km10—100lOq3—1014／天11微波線路l—10lO一1‘_10—15大氣多徑，必須雙向(局部中繼)專用局部視距12同軸電纜1—1010-14_10—15幾百米幾百米13搬運鐘<100l4網(wǎng)絡(luò)<1S15其它2．4時間頻率接收、測量、比對技術(shù)的研究與進(jìn)展以GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為代表的新的衛(wèi)星授時系統(tǒng)的出現(xiàn)，也把標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號的接收測量比對技術(shù)和設(shè)備提高到一個新水平。此前，用戶要得到1微秒準(zhǔn)確時間，除需要專用儀器設(shè)備外，還需要一定的操著程序和技術(shù)方法，現(xiàn)在GPS定時接收機(jī)，只要翻開電源開關(guān)，無須其它操作，可以自動實現(xiàn)準(zhǔn)確度為1微秒或100納秒的時間信息。這對于其它各種電子測量設(shè)備實現(xiàn)自動控制和系統(tǒng)自動化管理，帶來極大的方便。前面講到，用時間測量關(guān)聯(lián)其它物理量測量，可以大大提高該物理量測量精度，現(xiàn)在可以說，除去GPS用于導(dǎo)航定位功能外，任何時間頻率應(yīng)用，只要采用GPS技術(shù)或類似衛(wèi)星技術(shù)的定時校頻功能，就會取得長足的進(jìn)步和成功。這也使年產(chǎn)值數(shù)十億美元的世界GPS產(chǎn)業(yè)每年有2個百分點的增長速度。國產(chǎn)的北斗一號衛(wèi)星定時接收機(jī)業(yè)已開發(fā)，面向市場，這將會改善GPS時間頻率技術(shù)和產(chǎn)品占據(jù)我國時間頻..21世紀(jì)中國電子儀器開展戰(zhàn)略研討會2004年9月3時間頻率領(lǐng)域電子測量技術(shù)設(shè)備開展展望與標(biāo)準(zhǔn)化時間間隔的測量精度己從過去的毫秒、微秒提高到納秒、皮秒和飛秒。頻率測量的準(zhǔn)確度更高。它們都由相關(guān)的電子測量技術(shù)、設(shè)備、相關(guān)的測量程序(技術(shù)規(guī))加以實現(xiàn)。用