时间频率测量技术的发展与应用

21世纪中国电子仪器发展战略研讨会 2004年9月

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。”[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

精度好不容易才达到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1／299

792

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

458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]。

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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

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。

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)、

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

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，

年达到l*lO一1I，更新了秒长定义；目前已达到I*10—15的量级。除研制光抽运和激光喷泉

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

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

和市场化竞争方面，尚有待加强，才能与国际市场接轨。

2．2

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

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

时间标准UTc的研究与进展

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

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

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——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

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进行列。

2．3 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 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[5]，进入国际先

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ITU—R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。

(1)

美国ISI调查用户对时间频率准确度的需求(1999)

等级 低 中 时间

1秒一1毫秒 1毫秒一10微秒

频率

lO一一10—8

用户数

>10000

手段 电话短波 GOES／子午仪

lO～一10—10 约3000

高 特高 超高

10微秒一50纳秒10—10—5X10—13约1200罗兰C、GPS

50—1

纳秒

5X10—13一10’14

约200 约40

GPS／光缆 TWSTT／光缆

优于1纳秒 优于10。14

(2)

时间频率传输的系统、手段与精度

序号

l 2 3

传输手段 H

F广播 L F广播 罗兰C

校时准确度

1一10 ms

1 mS

频率准确度 国外系统 国内系统

BPM，SXG BPC

10．6-10。8／天 WWⅧ，JJl『

10—10一10一11

10—12

WWVB，DCF77

l∥S 罗兰C链 长河二号

BPL

4

地面T V广播

10 ns

10—1z—10一H

美国行1 0

CcTV行6

5

导航星广播

共视

6

(共视)

50—500ns 5—20ns

lO一10．10—12

GPS GLONASS

北斗l号

10q3／天

气象卫星 100∥S

美G O E S 欧洲

L A S S O

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o

5×10—1

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7

同步广播卫星

20∥S

印度

I N S A T

C C T V

(卫星电视)

T

1—10 11S

5

卫星电视

8

T W S T

10一1．一10—1

欧美日澳 中、日

9

电话时码

1—10 ms

10卅／天 欧美日 NTSC

(双向) 光纤

50 0 0 0

km 2 km

NIM

1 0

10—50 ps

10—100 ns

10一10-10’17

美

1 1

lOq3—1014／天

lO一1‘_10—15

微波线路

(局部中继)

l—10

IIS

大气多径，必须双向

专用局部视距

1 2

1—10

ns

10-14_10—15

同轴电缆

搬运钟 网络 其它

几百米 几百米

1 3 <100

ns

l 4 <1S

1 5

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，这将会改善GPS时间频率技术和产品占据我国时间频

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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]。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g8yo.html