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时间频率研究与应用

张首刚,李孝辉

过去的十年,是时间频率研究蓬勃发展的十年,随着北斗卫星导航系统、国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统、空间站高精度时间频率实验系统等国家重大项目的部署和实施,我国在时间频率领域飞速发展,自主创新能力显著增强,取得了一系列可喜的成果。

世界时不再依赖国外数据。世界时描述地球的空间方位,在空间科学、国防等领域必不可少。自20世纪90年代起,传统的世界时测量手段退役后,我国的世界时完全依靠国外数据,存在安全隐患。中科院国家授时中心和上海天文台、国家测绘局等单位开展了相关研究。国家授时中心在2019年建成了融合数字天顶筒、VLBI2010、iGMAS等系统的地球自转测量与数据服务系统,并为“嫦娥五号”、“天问一号”等重大航天计划提供世界时数据。

脉冲星时研究取得突破进展。新疆25米、昆明40米、上海65米和洛南40米等射电望远镜均具备脉冲星计时观测能力,贵州500米射电望远镜已新发现近300颗脉冲星,并开展着毫秒脉冲星计时观测研究。国家授时中心依托洛南40米望远镜,建成了脉冲星计时观测系统,并利用7年15颗毫秒脉冲星相关观测数据建立综合脉冲星时间尺度,开展脉冲星时驾驭原子钟试验研究。中科院高能所和航天科技集团开展了空间X射线脉冲星导航观测试验研究。

国产小铯钟打破发达国家垄断。受限于复杂的科学和工艺难题,在2017年之前的半个世纪内,国际上守时小铯钟一直被美国磁选态小铯钟产品独家垄断。2018年以来美国对我国完全禁售。经过几十年的攻关,国产小铯钟研发终于取得了系列突破,兰州空间技术物理研究所完成了磁选态小铯钟产品;北京大学联合湖北汉光公司等完成了磁选态光检测小铯钟产品;国家授时中心联合成都天奥电子公司和中国电科十二所,研发了原子态光抽运和光检测的光抽运小铯钟,并形成了批产能力。光抽运小铯钟主要性能超过了美国产品,装备应用于北斗导航、海军导航、5G通信、电力运行、轨道交通及北极科考等系统,保障了国家标准时间产生发播等重要基础设施运行的自主可控,并被国际权度局推荐用于各国标准时间的产生。多台产品对国际标准时间产生做出了贡献,取得了权重。

自研世界最小体积原子钟打破国外垄断。具有芯片大小、重量和功耗的微型原子钟,是基于量子物理理论和微机电加工集成技术,实现的较高性能的时间频率信号产生器件,作为部件为相关设备运行提供标准时间频率参考信号。十几年来,美国一直独家垄断国际市场。近几年来,美国开始限制芯片原子钟出口中国。中科院国家授时中心和精密测量院组织院内相关力量,自主研发了主要性能与美国产品同水平,体积仅为其一半的8立方厘米小芯片原子钟产品,并成功装备应用在微自主导航定位授时终端、北斗导航特殊接收终端、水下导航系统和某通信系统等。团队还实现了主要性能相同,体积2.3立方厘米的原理样机。研究成果入选国家“十三五”科技创新成绩展。

光学频率原子钟研究进入国际并跑行列。基于其优异性能,光学频率原子钟将取代铯原子微波频率钟,作为基准钟重新定义时间单位“秒”,具有前瞻性。中国计量科学研究院、华东师范大学、华中科技大学、中科院精密测量研究院和国家授时中心等单位陆续开展着不同元素的光学频率原子钟研制,均取得了不同进展,进入了国际先进行列。

世界首台冷原子钟在空运行。基于地面冷原子喷泉钟原理和空间站微重力环境,中科院上海光机所研制的匀速直线飞行的冷原子束微波钟,在“天宫二号”飞行器上成功运行。包括空间站时间频率产生系统、空地时间频率比对系统和地面测试及应用系统的我国空间站高精度时频实验系统转入正样研制阶段,近期将在空间运行世界首台冷原子光学频率原子钟。上海天文台和航天科工集团研制被动型氢原子钟在北斗导航卫星成功运行。北斗导航系统性能国际先进,并开始向全球提供导航定位及授时服务。

长短波授时系统亮相新中国成立70周年成就展和中国共产党党史馆。通过基准钟研制应用、守时钟研制应用、异地联合守时、守时算法改进、国际比对优化等手段,我国国家标准时间UTC(NTSC)与国际标准时间偏差从10ns提升到5ns以内,对国际标准时间的贡献权重从世界第五提升到世界第三,为我国长波、短波,及北斗、长河等授时系统提供了可靠、稳定的时间溯源服务。我国已经基本形成了包括电话、网络、光纤、无线电短波、无线电长波,以及卫星等多手段的授时服务体系,较好地支撑了经济社会运行和国家安全发展。

时间频率测量比对基本仪器设备实现技术突破。时间间隔测量设备的测量范围和精度,频率稳定度测量分析仪的本地噪声性能达到国际领先,但作为常规测量仪器,其通用性和环境适应性需要进一步改进提升。国家授时中心通过与企业合作在开展着相关产品研发工作;光学频率测量是时间频率测量研究和发展的热点和趋势。国家授时中心研制的飞秒光学频率测量仪器主要性能国际先进,应用在不同的精密测量领域。应用自主研发的超稳定度频率激光器和飞秒激光频率梳,实现了超稳光生微波频率信号源,较常温频率信号源频率稳定度提高两个量级。其应用把国家授时中心冷原子喷泉钟短期频率稳定度提高了半个量级。卫星共视、卫星双向比对、长波定时,以及远程时间比对与复现等仪器设备实现了国产化,并装备应用在重大设施系统。基于北斗卫星实现的欧亚时间比对技术,被国际组织推荐用于国际时间比对。

高精度时间频率传递技术快速发展。光纤是目前可用的最高精度时间频率远程传递技术手段。应用通信运营商光纤,实现千公里级光纤时间频率高精度传递,包括光学频率信号、微波频率信号和时间信号。量子时间同步具有精度高和安全性强的特点,国家授时中心应用50km光纤实现了亚皮秒的时间同步稳定度,为远程量子时间同步奠定了基础。基于光纤时间频率传递技术和增强型罗兰授时技术,国家授时中心承担了国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”研制建设任务。

社会的不断发展和进步,对时间频率的技术和服务提出了越来越高的要求。未来,随着空间站时间频率实验系统,高精度地基授时系统等重大设施的建设和运行,我国将实现更高性能、更具弹性、更加融合的国家时间基准产生与服务体系,有力支撑科技强国建设,有力支撑经济社会高质量发展。 7F4qGaCP6AjledYj82fI0Bu7tBfhdnGgHvjaJd+dFmbwVobCHgDACCIfd/OHVKdA

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