探討時間頻率的相關技術

齊 薇

（吉林省計量科學研究院（吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室）,長春 130103）

現如今，在所有工程技術和科學實驗工作中，對于時間和頻率的標準信息的傳輸來說是必不可少的，如需要用到這一高準確度高穩定度的時間頻率信號的有天文觀測、宇宙航天、大地測量、衛生跟蹤、相對論試驗、數字通迅及基本物理試驗等，當然，通訊和導航是時間頻率最主要的應用領域，對于時間頻率的應用具有著較大的經濟意義。

1 時間頻率傳遞技術

在現代科學技術的推動下，在時間計量研究方面也取得了顯著進步，尤其是在時間計量方面的精確度有了明顯提高，而在理論研究方面在牛頓理論基礎上逐步形成了廣義相對論。雖然在時間計量、理論研究方面取得明顯進步，但是在時間大尺度時空范圍內的時間頻率傳遞（也就是時間比對）方面，還需要繼續在各個單臺原子鐘間進行高精度比對，才能獲取一個更為精準的時間尺度[1]。將準確的時間在保持原精準度基礎上傳遞給用戶稱之為“授時”，雖然到目前為止授時的方式、途徑有很多種（如：短波、互聯網等），目前已經研制出可利用衛星進行授時的相關技術。

1.1 搬運鐘

時間對比也稱之為“對鐘”，即對準分布在各地的時鐘，搬鐘是其最直觀的方法，搬鐘可使用一個標準鐘，以標準鐘來對準分布在各地的鐘。而系統中各時間的同步，并不是按統一標準將各時鐘完全對齊，只需要掌握各個時鐘與系統標準時鐘間的時刻鐘差以及比對后的標準鐘產生的漂移修正參數而不需撥鐘。要做閏秒或跳步處理時除非鐘差較大，主要因為要把兩鐘鐘面時間在比對時刻對齊，必須要調節時鐘用動源的相位，而這需要有精密的相位微步調節器才能完成。

1.2 有源無線電信號傳遞時間頻率

用無線電波傳播時間頻率是時間比對的另一種方法，也就是對于標準時間頻率利用無線電波來傳遞。無線電波的傳播速度為每秒30萬公里，其授時速度較快。由于對時鐘同步精度有著越來越高的要求，采用無線電波授時可分為短波和長波，最初授時使用短波，其授時精度只能達到ms級。之后發展為用超長波授時，其授時精度可達到10μs，但其不足在于難以做到全球覆蓋。

1.2.1 長波無線電授時

長波主要沿地面進行傳播，相對于短波來說穩定性較強。Loran-C長波導航系統是一個遠程無線電導航系統，能夠準確獲得時間差，但由于Loran-C系統覆蓋范圍有限，對于科學研究的發展需求還無法滿足。

1.2.2 短波無線電授時

短波傳播主要憑借的是電離層的反射，但由于電離層高度容易發生變化，會使時間信號的穩定性受到嚴重影響，并且授時精度不過ms量級。美國于1905年實現了短波無線電授時，使時間比對問題得到有效解決，但短波授時對于原子鐘發展的要求還難以滿足。

1.3 無源TV傳遞

1.3.1 同步脈沖時刻比對

通過搬運第三只鐘可以對分開兩地的鐘進行比對。而原子鐘、石英鐘均可以作為第三只鐘，當然也可以利用無線電脈沖。若在兩個地方同時接受到TV同步傳送的脈沖信號并將其中一個特定脈沖作為參考標志，若排除傳輸路徑延遲、傳送設備延遲時間，則可以實現鐘比對目地。若能夠采用同步脈沖實施時間比對，時間比對的精確度可保持在0.2微秒量級，而在此期間若出現過大的誤差一般都是在微波線路中所出現的未知因素。

1.3.2 彩色副載波校頻

彩色副載波脈沖主要由若干周正弦波組成，用作彩色電視機中色信號解調的相位基準。為方便進行頻率和相位比對，可從電視機壓控晶振引出連續的副載波信號，其頻率為4.3361875MHz，可采用綜合器同頻比相法或副波信號的相位差的變化速率進行比對。

1.4 衛星時間頻率傳遞技術

衛星的時頻標準信號主要分為靠轉發地面臺站的標準信號及衛星上配置的星載鐘直接給出這兩類，此時衛星就好比是一個中繼站，可利用這些信號進行時頻精確測量，一般根據工作模式可分為雙向法、單向法[2]。其中，雙向法的優點在于能夠對地面站位置或衛星位置不準確而造成的測量誤差進行抵消，但需要使用發射機和接收機設備，并且對自動化要求較高，觀測時間不能與TAI計算的標準相吻合；單向法進行時頻測量類似于利用地面上某一無線電臺測量的方法，但由于衛星處于運動狀態，必須通過校準由衛星運動時加的普勒頻移，一般不確定度較大。

2 時間頻率傳遞技術最新發展狀況

2.1 甚長基線干涉測量系統

甚長基線干涉測量潛在能力為10-100ps，其主要被用來提供極高準確度的時間比對，通過甚長基線干涉測量技術也可以觀測毫秒脈沖星，對于射電源的微弱電波它能夠兩地同時獨立收到，并且能夠處理磁帶所記錄的信息，還能夠確定無線電波到兩地的時間差。根據這個結果可以對兩地鐘的頻率差和時刻差進行高精度確定，其時間比對精度可達到1ns。

2.2 GPS載波相位技術

GPS載波相位技術穩定性較強，但由于載波信號中沒有時刻的起算點，僅限于對高精度頻率進行對比，而無法對時間進行對比。

2.3 LASSO

LASSO（同步衛星傳傳遞激光所載的時間信號）具有較強的穩定性，但一般不適用于常規工作，主要會因天氣原因而受到影響。

3 結束語

總之，時間頻率可以說是信息化裝備的“心臟”，統一的標準時間在各個領域、各類信息系統、設新技術裝備及數據鏈裝備中是必不可少的，因而對于時間頻率保障的要求較高。對此，必須加強時間頻率技術的體系建設，才能使時間頻率技術在各領域中發揮越來越重要的作用。

[1].吳海濤.衛星導航系統時間頻率性能測度方法研究[J]. 中國科學，2011,20(5):112-114

[2].王義遒.時間頻率量的特征及其對時頻系統建設的影響[J]. 時間頻率學報，2003,30(12):85-86