综合授时技术

第1章绪论 时间，是标注事件发生瞬间（即时刻）及持续历程（即时长）的基本物理量。随着人类文明的发展与进步，时间对于人类的意义日趋重要，特别是在当今所处的信息时代，金融、电力、通信、交通、网络等诸多领域，无一不需要精确的时间作为支撑，时间精度直接决定着信息化水平，也影响着人们的生活水平。 1.1时间起源 1.1.1时间发展 著名诗人陶渊明在《杂诗》中写道，“盛年不重来，一日难再晨，及时当勉励，岁月不待人”，提醒世人应重视时间，珍惜当下，努力拼搏，奋发有为。时间在日、月、季、年的不断轮回变换中，周而复始。我国古代劳动人民从季节变换中，总结出了适合农作生产的二十四节气，也运用天干地支方法来进行计时。 从古至今，时间在我们的日常生活中发挥了重要作用，随着科技的进步与发展，时间的作用和地位也在日益凸显。时间是金融、电力、通信、交通、网络等领域正常运行的基础，更是数字化、信息化、智能化生活的基础，在军事领域显得尤为重要：几乎所有的信息化装备都需要高精度的时间源作为支撑，时间精度直接影响探测预警、电子对抗、精确制导、敌我识别和毁伤评估等精度。可以说，时间是我们日常工作、生活、农业、工业、国防等领域中的一个重要、基础的物理量。时间，关系国家主权，也事关国家安全。 那么时间是什么？从古至今，人们都在寻求时间的真谛。孔子在《论语》中写道：“逝者如斯夫，不舍昼夜”；牛顿认为存在不依赖于物质与运动的绝对时间；莱布尼茨认为不存在绝对的时间和空间，时间和空间都是相对的；从相对论的角度，时间既是绝对的，又是相对的；霍金在《时间简史》中写道，宇宙大爆炸是时间的起点，而黑洞是时间的终结；等等[1]。 时间的发展，经历了原始时、天文时、电子时等过程。 原始时，是人们对于时间的*早的认识，是时间概念和计时方法形成的阶段[2]。从太阳的东升西落的规律中，得出了日的概念；从月亮的盈亏中，得出了月的概念；从不同的气候轮转中，得出了季、年的概念。这种日、月、季、年的粗略时间划分是古代劳动人民在日常劳作中总结并逐渐形成的计时规律，虽然精度不高，但对于指导日常农业劳作很有针对性。此外，我国古代劳动人民总结的二十四节气至今对农业生产都有指导作用。将一日继续细分是时间测量甚至是人类文明的一大进步，*早将一日分成二十四小时的是古埃及人，我国古代发明了十二时辰对一日进行计时。 天文时，是用天文学测量的方法和手段，根据天体的运行规律，利用地球的自转和公转规律，对时间进行计量而得出的时间，一般认为是从用太阳计时开始的。天文学中，将太阳两次经过观测地点子午线的时间间隔称为一个真太阳日，将其均分为86400份，得到1s的概念，这种方法得出了真太阳时。随着科技的进步，人们发现地球公转轨道的类椭圆性等导致真太阳时是不均匀的，在此基础上，通过改进得出了平太阳时：将全年的真太阳日平均得到平太阳日。平太阳时的稳定性在10.8量级，难以满足日新月异的科技对于时间精度的要求，迫使人们寻找更为精准的时间基准。1960年，开始采用历书时来代替平太阳时。所谓历书时，是以地球公转运动为参考基准的时间系统，取地球公转过程中两次经过同一地点所需的时间间隔的1/31556925.9747为历书时的1s，历书时稳定性在10.9量级，但观测误差较大，随后被原子时代替，标志着进入电子时时代[1，3]。 电子时，也称为原子时，利用量子在不同能级之间跃迁过程中的高稳定性、高可靠性和复现性，实现对时间的计量。1967年，在第十三届国际计量会议上定义了原子时秒长：位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒，这也是目前所采用的秒长的定义。秒是国际单位制七个基本物理量之一。国际原子时（international atomic time，TAI）是由全球60多个时间实验室合作产生的纸面时间，通过各时间实验室产生的时间标准加权计算后以文件形式发布。 除上述三个概念外，常用的时间概念还有以下几种。 世界时（universal time，UT），是指以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时，分为UT0，UT1，UT2，三者之间的关系如式（1.1）所示。 （1.1） 其中，UT0为原始观测值，对应瞬时极地子午圈；为极移修正值；Ts为季节性变化值，与地球自转相关，该值较小，因此一般用UT1作为统一的时间系统。 协调世界时（coordinated universal time，UTC），是为了兼顾不同领域对于原子时和世界时的需要而建立的一种折中的时间系统，其一方面以国际原子时秒长为基础，另一方面采用闰秒/跳秒的方式使其尽量接近世界时。协调世界时是所有国家都采用的时间系统，不同时区的国家和地区的地方时与UTC相差若干整数小时。世界时、历书时和原子时之间对比如表1.1所示。 儒略日（Juliandate，JD），公元前4713年1月1日12时00分起开始对每一天进行累加计数，其适合于进行科学计数。由于起点过于遥远，人们采用修正儒略日（modified Julian date，MJD）对儒略日进行了改进，MJD=JD-2400000.5。 年积日（dayofyear，DOY），将一年中的每一天累加而得出的某天在一年中的位置值。 北斗时（BeiDou time，BDT），北斗系统的时间基准，起始历元为2006年1月1日0时0分0秒，采用国际单位制（SI）秒进行连续计时，不闰秒（闰秒信息在导航电文中播报），其通过国家授时中心（National Time Service Center，NTSC）建立的UTC（NTSC）与国际UTC建立联系，与国际UTC的差值小于50ns（模1s）[4]。 GPS时（GPStime，GPST），GPS系统的时间基准，其起始历元为1986年1月6日0时0分0秒，该时TAI-UTC=19s，不闰秒，在任何时候整数秒与TAI相差19s。 1.1.2原子钟及其应用 原子钟又称为原子频标，是高精度时间同步的基础，各分布式组网系统、各时间实验室一般配置有高精度的原子钟作为时间基准；原子钟由量子跃迁理论发展而来，主要采用铯原子、铷原子和氢原子等实现。1955年英国国家物理实验室的Essen和Parry研制成功了世界**台铯钟，稳定度为一天100ps，约为10.15d.1。后来新型原子钟发展迅速，如原子喷泉钟[5-7]、光钟[8-10]、相干布居囚禁原子钟[11，12]和氢脉泽[13，14]等都取得了较大进展，新型铝离子光钟的频率不确定度达到8.6.10.18量级[15]，光学冷原子钟不确定度和稳定度也达到了10.18量级[16]。2017年美国天体物理联合实验室进行了锶原子光晶格钟实验，实现了5.10.19（1h）稳定度，锶原子光晶格钟稳定度和准确度超越了铯原子喷泉钟、离子阱囚禁光钟[17，18]。美国科学家利用量子纠缠现象设计了一款原子钟，运行140亿年时间精度保持在0.1s内。 我国于2013年年底在原子钟研究领域取得了突破性进展，中国科学院武汉物理与数学研究所构建的10.16量级星载铝离子光钟实验系统，实现了星载原子钟10.16稳定度水平。2016年，该研究所实现了10.17量级的稳定度和不确定度[19]。2021年梅刚华等研制了高/甚高精度星载铷原子钟，天稳分别达到了9.4.10.15/3.9.10.15[20]。另外，中国航天科工集团第二研究院203所研制的蓝宝石主动型氢原子频标BM2101-03，天稳达到了3.0.10.15，频率准确度达到了3.0.10.13，体积小便于搬运，且具有互联网远程监控能力。相关成果对提升我国北斗卫星导航系统授时精度和自主运行能力具有重要意义，也对我国未来空间实验的开展、空间科研水平的提升有着深远的影响。时间领域的自主、精确、可控和安全是一个国家科技实力和军队信息化水平的直接体现。 原子从高能级跃迁到低能级或者从低能级跃迁到高能级要释放或者吸收能量，通过辐射或者吸收电磁波的形式实现，电波频率与原子能级间的关系为（1.2）其中，f为电波频率；h为普朗克常数；Em和En为原子跃迁对应的两个能级能量。原子能级是固定的，对应的能量也是不变的，由式（1.2）可得，对应的电波频率是固定的，原子钟就是根据原子跃迁时所对应的高确定性频率的机理研制的。下面重点分析实验室常用的铷钟和铯钟性能[21-23]。 1．铷钟 Rb87、Rb85为铷原子的两种同位素，铷钟频率即为基态超精细能级F.2、mF=0.和F=1、mF=0.之间跃迁所对应的频率： f.6834684211.574H2(Hz)（1.3）其中，H为外加磁场强度。 铷钟由光谱灯、滤光泡、谐振腔和光检测器等部分组成，光谱灯中的金属在高频信号和恒温电路作用下，蒸发成Rb87蒸汽，并利用高频放电将其激发至高能激态，激态原子自发辐射产生恒定的电磁频率。铷钟具有体积小、质量轻、长期稳定度较差和适合作为工作频率标准（简称为频标）等特点。铷钟布局紧凑，体积一般小于1000cm3；频率稳定度为2.10.12～10.10.12(1000s)；受缓冲气压和光强频移等因素影响，铷钟一般仅适合作为工作频标而不宜作为频率基准。随着科技的进步和发展，铷钟性能得到了大幅度提升，已经广泛应用于卫星星载钟源中，应用领域日趋广泛。 常用的PRS10型铷钟体积小（391.4cm3）、质量轻（600g），外观和内部结构如图1.1所示。 图1.1PRS10型铷钟外观和内部结构图 该型号铷钟具有如下特点：输出频率短期稳定度可达2.10.12(100s)；通过自身的1PPS输入、输出端口可与外部频率源之间进行信息交换，从而实现二者之间的同步；通过RS232串口可与PC机进行数据和控制信号的交换。 2．铯钟 铯钟（Cs133）利用F=4、mF=0.和F=3、mF=0.之间的基态超精细能级跃迁原理制作而成，对应的跃迁频率为 f=9192631770.427H2(Hz)（1.4） 铯钟在高真空环境中工作，主要由铯炉、态选U型微波谐振腔和原子检测器等部分组成。铯炉中的铯金属在加热到100℃左右时熔化并通过炉口喷出形成铯束。铯钟的主要特点是准确度高和短期稳定性较差，为5×10.12～12×10.12（1s）水平。真空环境下工作的铯钟的准确度高达10.15量级，时间实验室的铯钟一般用于频率基准。商业铯钟由于铯束管较短，准确度不及实验室铯钟，稳定度为10.13量级，工作寿命也较短，一般为3～7年。 3．氢脉泽振荡器 氢脉泽振荡器是一种精细且昂贵的商用频标。氢脉泽所使用的氢原子振荡频率为1420405752Hz。 氢脉泽振荡器一般有主动型和被动型两种，主动型是指晶体振荡器被锁相于氢原子的自然振荡；被动型是指将晶体振荡器产生的频率锁相于原子的振荡频率，主要应用于铷原子或铯原子振荡器。主动型振荡器的输出频率直接来自原子的振荡频率，因此它比被动型具有更好的短期稳定度。两种类型的氢脉泽振荡器的短期稳定度均好于铯原子振荡器。但是，氢激射振荡器的性能依赖于复杂的环境条件，其准确度差于铯原子振荡器。同时，由于氢脉泽振荡器结构复杂、生产量低，造价较为昂贵。 4．原子钟应用 原子钟*重要的应用是作为全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的星载和地面时间源，美国GPS卫星星载原子钟情况如表1.2所示[24，25]，GPS星载铷钟在轨性能如表1.3所示[26]。