四川泰富研制“地基授時核心設備”
——光纖授時領先世界 地面北斗創(chuàng)未來

文/本刊記者 李 蘋

四川泰富研制“地基授時核心設備”
——光纖授時領先世界 地面北斗創(chuàng)未來

文/本刊記者 李 蘋

自黨的十八大和十八屆三中全會以來，特別是軍民融合深度發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略以來，軍民兩用技術作為軍民融合的關鍵因素，迎來了前所未有的發(fā)展空間，也為擁有軍民兩用技術的企業(yè)帶來巨大的發(fā)展機遇。12月底，由中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院、軍民兩用技術與產(chǎn)品全國理事會主辦，“2016軍民融合企業(yè)峰會暨軍民兩用技術與產(chǎn)品全國理事會年會”在京成功舉行。來自軍方、軍工，以及社會各界的代表約350余人出席了本次盛會。

本次會上，數(shù)十家理事會成員單位攜其項目和需求來到大會現(xiàn)場，進行了現(xiàn)場技術推介及演示。其中，四川泰富地面北斗科技股份有限公司的“超精密光纖授時技術產(chǎn)品”在大會現(xiàn)場進行了軍民兩用新產(chǎn)品發(fā)布，并進行了項目簽約。

高精度時間頻率系統(tǒng)是國家的戰(zhàn)略資源，授時服務系統(tǒng)已成為最重要的國家基礎設施之一。目前，各國現(xiàn)有的星基授時系統(tǒng)（GPS/北斗系統(tǒng)）存在信號易被遮擋、干擾攻擊和出現(xiàn)故障時維護困難等問題。超精密光纖授時技術產(chǎn)品為解決以上問題提供了可靠的手段，可對我國國防建設和經(jīng)濟建設產(chǎn)生深遠影響。

地基授時系統(tǒng)的重要性

時間作為七大基本物理量之一，用于描述物質(zhì)運動變化的持續(xù)性和順序性，廣泛應用于國民經(jīng)濟和國防建設的諸多領域。長期以來，我國的國防、軍事、通信、電力、金融、交通、廣播電視等部門諸多業(yè)務系統(tǒng)的有效運行與服務，都依賴于時間同步。比如：在移動通信系統(tǒng)中，基站之間必須保持嚴格的內(nèi)部時鐘，是通過GPS向電力自動化設備及監(jiān)控系統(tǒng)提供授時信號。如果GPS發(fā)生故障，電力系統(tǒng)的發(fā)電和供電網(wǎng)絡就會亂套。電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，整個互聯(lián)網(wǎng)不可幸免。

隨著國民經(jīng)濟和國防建設的迅速發(fā)展，以及信息化程度的不斷提高，高精度時間頻率的需求與應用與日俱增。高精度時間頻率系統(tǒng)是國家戰(zhàn)略資源，授時服務系統(tǒng)已成為最重要的國家基礎設施之一。目前還沒有任何一種授時手段能夠確保時間的可靠性。近年來，GPS因其強大的授時定位導航功能，許多國家的政府、行業(yè)部門甚至對GPS產(chǎn)生了嚴重的依賴。我國現(xiàn)有的授時系統(tǒng)以星基授時系統(tǒng)（GPS/北斗）為主，但是存在著重大的安全隱患和固有技術的局限性。主要缺陷是衛(wèi)星授時信號易被遮擋，易受干擾和攻擊。

授時技術的戰(zhàn)略意義

“定位、導航和授時”（PNT，Positioning Navigation and Timing）服務對國防建設和國民經(jīng)濟而言，就像氧氣對人類一樣不可或缺。美國早在2004年頒發(fā)的《國家安全總統(tǒng)指令第39號指令》，明確要求：交通部和國土安全部開展“GPS”干擾監(jiān)測及緩解計劃，并研發(fā)PNT（地基授時、導航定位）備份能力。俄羅斯、歐盟緊隨其后。我國也在國發(fā)[2013]8號文件《國家重大科技基礎設施建設中長期規(guī)劃（2012—2030）》中：明確指出“解決未來網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)發(fā)展的科學技術問題，為未來網(wǎng)絡技術發(fā)展提供試驗支撐；適時啟動新一代授時系統(tǒng)建設，支撐超精密時間頻率技術開發(fā)，逐步形成高精度衛(wèi)星授時系統(tǒng)和高精度地基授時系統(tǒng)共同發(fā)展的格局。”授時技術的戰(zhàn)略意義是不言而喻的。

為了促進科技創(chuàng)新，匯聚發(fā)展新動能，加快轉(zhuǎn)型升級，培育新的經(jīng)濟增長點。四川泰富公司在國內(nèi)時間同步領域資深專家李忠文高級工程師的帶領下，經(jīng)過持續(xù)多年的研發(fā)，開創(chuàng)性地提出了光纖時延三點歸一算法，攻克了遠距離異地再生UTC原子時技術、光纖時延在線監(jiān)測、光纖時延伺服鎖定及精確控制等關鍵技術，研制出地基授時核心設備——高精度時間頻率傳遞設備，成功解決了基于光纖網(wǎng)絡超長距離傳輸高精度時間頻率信號的技術難題，可以使光纖網(wǎng)絡中每個授時節(jié)點的時間和頻率精度保持一致，是GPS替代技術的有效解決方案，為實現(xiàn)地基有線授時系統(tǒng)奠定了技術基礎。

我國地面授時技術國際領先

四川泰富公司立足科技創(chuàng)新，堅持走產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新和合作發(fā)展的道路。2015年公司成立了院士（專家）工作站，由中國工程院鄔賀銓院士為首席專家，中國科學院國家授時中心主任張首剛研究員等專家組成的技術咨詢團，為公司的研發(fā)方向及戰(zhàn)略定位提供全方位的指導，為公司未來的發(fā)展提供持續(xù)強大的技術支撐和智力服務。

公司早在2014年就研制出“地基授時——高精度時間頻率同步傳遞設備”授時精度達到10納秒。成功地解決了基于光纖網(wǎng)絡超長距離傳輸高精度時間頻率信號的技術難題，使光纖網(wǎng)絡中的每個授時節(jié)點的時間和頻率精度保持一致，是替代GPS技術的有效方案。2014年10月由四川省科技廳組織的有兩院院士參加的鑒定會，對該公司研制的：地基授時高精度時間頻率傳遞設備，鑒定結(jié)論：“設備技術指標達到了國際領先水平，目前國內(nèi)外尚無同類設備和產(chǎn)品。”并經(jīng)過國家和軍隊權(quán)威機構(gòu)“國防科技工業(yè)第二計量測試研究中心”“工業(yè)和信息化部通信計量中心”的測試認證。2015年“中國泰爾實驗室”還進行了遠距離、多節(jié)點450公里的：光/電/光中繼傳輸測試，授時精度小于10納秒。“電力工業(yè)通信設備質(zhì)量檢驗測試中心”2016年5月又進行了多節(jié)點、長距離傳輸測試，21臺設備級聯(lián)，光/電/光中繼傳輸2000公里，授時精度小于10納秒。目前該公司已完成1納秒數(shù)學模型建模和電腦仿真試驗，正在進行深入的P秒（1納秒等于1000P秒）級以及無線授時設備的研制。

一個名不見經(jīng)傳的小民營企業(yè)，能在重大科技項目：高精度地基授時技術領域，成為世界的領跑者，得益于一個老、中、青組成的高科技團隊，對中央“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”精神領會貫徹的好，善于總結(jié)經(jīng)驗，找出規(guī)律，才攻克了“三點歸一算法”“遠距離異地再生UTC原子時技術”“光纖在線監(jiān)測”“光纖時延伺服鎖定及精確控制”等關鍵技術。

2016年8月，四川泰富公司的參賽項目“通信基站GPS替代技術及產(chǎn)品”榮獲“首屆四川省科技工作者創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)菁英大賽”一等獎；2016年9月，四川泰富公司參賽項目“陸基高精度光纖授時系統(tǒng)”榮獲“第五屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽軍轉(zhuǎn)民大賽”二等獎。

為實現(xiàn)網(wǎng)絡強國提供技術支持

我國已進入網(wǎng)絡信息化時代。大數(shù)據(jù)、智慧城市、5G通信、交通、金融、電力、國防建設……方方面面對網(wǎng)絡的需求和要求提出了新的挑戰(zhàn)，大量的信息匯集、處理和輸送，對高精度時間頻率保持一致的授時技術要求也越來越高。

眾所周知，授時精度是決定天基北斗（GPS）和地基北斗導航定位的核心技術。由于衛(wèi)星通信、導航、定位等的先天不足，已經(jīng)引起各發(fā)達國家的重視。為實現(xiàn)“天地互補”，美國、歐盟、俄羅斯等多年前就開展了對高精度地基授時技術的研究。我國也不例外，在國發(fā)[2013]8號文件中明確提出“適時啟動新一代授時系統(tǒng)建設，支撐超精密時間頻率技術開發(fā)，逐步形成高精度衛(wèi)星授時系統(tǒng)和高精度地基授時系統(tǒng)共同發(fā)展的格局”。為攻克地基高精度授時技術，四川泰富地面北斗公司組織專家多年來一直從事高精度地基授時技術研究并研制成功一系列時間頻率同步高度一致的“傳遞設備”，得到兩院院士參加的鑒定高度評價：“為建立高精度地基授時系統(tǒng)提供了關鍵設備和技術支撐。其關鍵技術包括：（1）光纖時延伺服鎖定及精確控制技術；（2）三點歸一算法。四川泰富公司的“零時延”傳遞技術可以使主從站之間的時延誤差與設備級聯(lián)次數(shù)無關，使每個授時點的時間頻率精度保持一致。其基本工作原理是，時鐘源將精確的時鐘信號傳遞給授時設備1，授時設備1將時間信號通過光纖傳輸給授時設備2，同時光纖時延伺服鎖定及精確控制系統(tǒng)會自動測量出授時設備1到授時設備2之間的光纖時延值以及授時設備內(nèi)部的時延，并自動進行補償，從而使傳輸時延值近似為“0”，使得每個網(wǎng)絡節(jié)點上的時間頻率精度都保持一致。

由于高精度地基授時系統(tǒng)可與天基授時系統(tǒng)互為備用和相互支撐，其應用領域包括通信、電力、金融、軍事、國防、測繪、交通、廣播電視等。因此本科研成果具有非常廣闊的應用前景。”就地基授時技術而言，我國處于飛躍領先的地位。美國空基軍用衛(wèi)星授時精度為10納秒，定位精度為2米；我國空基北斗授時精度為50納秒，定位精度為10米；四川泰富地面北斗公司2014年已實現(xiàn)地基授時精度10納秒、對應定位精度為2米，目前正在向1納秒、P秒級授時精度進發(fā)，對我國實現(xiàn)網(wǎng)絡強國提供了重要技術支持。

高精度授時“天地”互補的展望

基于光纖網(wǎng)絡的高精度地基授時系統(tǒng)的應用前景非常廣泛，凡是星基授時系統(tǒng)（GPS/北斗衛(wèi)星）應用的范圍，地基授時系統(tǒng)都能夠應用，應用范圍主要包括：通信、電力、金融、軍事、國防、測繪、交通、廣播電視等行業(yè)和領域的時間和頻率同步。

我國空基授時系統(tǒng)以“北斗”投入運營服務為標志，已經(jīng)形成規(guī)模體系，而地基授時系統(tǒng)國家也已明確以中科院為首組織有關單位積極展開工作。在國際和我國周邊大環(huán)境的不斷變化情況下，雖然天基北斗服務已成體系，但國民經(jīng)濟的發(fā)展和國防建設的需求，不論從安全性還是適用性，建立地基授時系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩。

我國在地基授時技術研究方面較美國等西方國家起步較晚，但是黨中央和國務院都非常重視，特別是在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的鼓舞下，中國航天第十二研究院組織了多場全國性軍民兩用技術創(chuàng)新應用大賽，一些民營企業(yè)在大賽中脫穎而出，如四川泰富地面北斗公司，在地基授時技術領域，已經(jīng)超越了西方發(fā)達國家。所研制的高精度時間頻率傳遞設備，為建成地基高精度授時系統(tǒng)打下了基礎，做到“天地”互補的高精度授時已經(jīng)水到渠成。