時間基準的現在和未來

蔡志武,袁海波,張升康

(1.北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094;2.中國科學院國家授時中心,西安 710600;3.北京無線電計量測試研究所,北京 100854)

1 時間基準的現狀

1.1 理論定義

時間基準通常指的是在國際、國家、地區(qū)或某個領域被公眾所認可的或法律所規(guī)定的作為源頭的具有最高地位的參考時間,其他的各類時間都需要溯源至時間基準或與時間基準保持一致。通常情況下,時間基準也具有最高的性能,并通過高精度的量值傳遞體系向下分發(fā)。例如,協調世界時(temps universel coordonné/coordinated universal time, UTC)是當今世界生產生活等日常活動的時間基準,在國際上它被廣泛認可,同時還具有法定效力和最高的綜合性能。

時間基準一般需要通過具體的時間系統來代表,時間系統通常需要對時間的產生方式、表達形式、物理實現等進行具體明確的規(guī)范。從存在形式來看,有些時間系統主要以理論形態(tài)存在,有些主要以物理形態(tài)存在。

時間系統的定義包含時間單位長度、時間起點、時間的計量方式等內容,其中時間單位長度的定義具有重要的意義,直接決定了時間系統的準確性和穩(wěn)定性等關鍵性能。現代科學中,通常采用秒作為時間的基本單位。如何定義秒,是一個涉及面很廣的問題。從現代科學的角度上看,要定義秒,首先需要深刻地認識什么是時間。

時間是科學時空觀的一部分,在牛頓理論體系下的時空觀中,時間是用于描述物質運動的順序性、持續(xù)性的參數,時間是絕對的、平直的,與物質的運動狀態(tài)無關、與所處的空間位置無關;在愛因斯坦相對論體系下的時空觀中,時間與物質的運動速度相關,與所處的空間位置是相關的,與空間的質量分布和引力場大小是相關的。

當前,相對論時空觀是認識和定義時間和空間的理論基礎。對于地球或近地空間而言,需要重點關注的時間系統主要有地心坐標時(temps-coordonnée géocentrique/geocentric coordinate time, TCG)、地球時(terrestrial time,TT)、國際原子時(temps atomi-que international/international atomic time,TAI)、UTC、世界時(universal time,UT)、極移修正后的世界時UT1等[1]。其中,TCG、TT是在相對論基礎上定義的主要以理論形態(tài)存在的時間系統,TAI是基于原子鐘建立的原子時系統,UT1是基于地球自轉建立的天文時間系統,UTC是綜合TAI和UT1基礎上形成的協調時。為什么要建立這么多的時標,這些時標之間的聯系與區(qū)別又是什么呢?這里給出作者的幾點初步認識和觀點。

1)為什么需要TCG和TT。相對論時空觀對時間的屬性有一個理論的規(guī)范和要求,揭示了時間與物質運動和空間位置的相關性,但相對論本身并沒有給出一個具體的、統一的、方便使用的時間系統的具體定義,這樣不方便開展科學研究和理論分析,為此,科學家們在相對論框架下建立和定義了TCG和TT,用于支撐天文、物理、航天等各類科學研究和探索活動。TCG和TT可以認為是符合相對論理論體系、又比較好地適應近地空間的各類物質運動的、從理論上具有明確定義的時間尺度。

2)為什么需要TAI。TCG和TT雖然已經完成了近地空間的時間的理論定義,但沒有提供一個物理層面的具體實現,而在人類日常的科研、生產等活動當中往往又需要一個物理的、可見的、可用的時間系統,這樣方便協調和統一各類活動。為此,20世紀60年代末,國際計量局(Bureau International des Poids et Measures/National Metrology Institutes, BIPM)以原子躍遷為基礎建立了國際原子時TAI,這樣就形成了一個具有物理實現的時間系統,方便世界各國在物理上統一時間。TAI與TT的關系又是什么呢?TAI可以認為是物理時間尺度的代表,TT可以認為是理論時間尺度的代表,考慮到時間體系的客觀性和自洽性,可以認為TAI就是TT的一種高精度的物理實現,未來可能還會存在關于TT的其他形式的物理實現。

3)為什么需要UTC和UT1。在原子時系統出現以前,科學上主要是依靠地球自轉運動觀測來定義時間,稱之為世界時(UT),世界時包含UT0、UT1等類型,其中UT1在UT0基礎上扣除了地球極移影響,是原子時出現以前應用較多的時間系統。在原子時系統出現以后,原子時系統就成為當時物理實現水平最高的時間系統,此時,一部分科學家們認為時間系統應該建立在更高精度的原子時系統上,也有一部分科學家們認為地球上的時間系統不應與地球自轉脫離聯系,而且UT1在天文、航天等領域應用廣泛,為此,形成了一套折中的方案,即結合TAI的秒長和UT1的時刻的優(yōu)勢,建立了協調世界時UTC,并沿用至今。

由此可見,多個時間系統是在歷史發(fā)展的過程中形成的,不同的時間系統有不同的產生根源,也有不同的作用,有些是長期有效的,有些則逐步退出或淡化出歷史舞臺。在不同的歷史時期或不同的研究領域,可采用不同的時間系統。

1.2 時間單位的計量定義

時間是一個基本物理量,是當前國際單位制7個基本量之一,如圖1所示。時間是目前可測量精度最高的物理量,在物理學、計量學、測量學等領域具有重要地位,其他多個物理量可通過時間測量來提升其測量精度;時間的研究主要由國際計量組織實施,時間定義修改主要由國際電信聯盟負責。

圖1 國際單位制系統Fig.1 International system of units

當前,在計量學上,以銫原子躍遷頻率來定義秒長。1967年第13屆國際計量大會(Conférence Gén-érale des Poids et Mesures/General Conference of Wei-ghts and Measures,CGPM)確定了以銫原子輻射為基礎的秒長定義,即:在海平面、零磁場下銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷輻射 9192631770周所持續(xù)的時間為原子秒,并把它規(guī)定為國際單位制時間單位。

根據2018年11月16日第26屆國際計量大會包括中國在內53個成員國的集體表決,全票通過關于“修訂國際單位制(système international d’unités/international system of units,SI)”的1號決議,自2019年5月20日起,國際單位制的時間單位秒將采用表1中的定義[2]。

表1 國際單位制(SI)的時間單位秒的定義Tab.1 Definition of the unit of time second in the international system of units(SI)

在該次會議中,時間單位“秒”的定義保持不變,但是定義的表達方式有一定的改變,以與修訂后的其他基本單位的新定義表達方式保持一致。國際單位制的修訂將使所有的基本單位都建立在

自然界的基本自然常數上,由這些自然常數組成的通用的測量基礎,將使人類社會擁有一個更加可靠、一致、大范圍的測量體系。

1.3 物理實現

這里重點闡述TAI和UTC的物理實現過程。

(1)國際原子時的物理實現方式

為保持全世界時間尺度的統一,BIPM聯合數十個國家和地區(qū)的時頻實驗室來共同建立統一的國際原子時,即TAI。目前,全世界約有80多個守時實驗室、400多臺原子鐘、10多臺頻率基準裝置參與TAI的時間比對和綜合原子時計算[3]。這些實驗室主要通過衛(wèi)星雙向、衛(wèi)星共視、衛(wèi)星全視、精密單點定位等時間比對方法完成原子鐘之間的時差測量并將數據上傳到BIPM,然后BIPM采用綜合原子時算法計算得到TAI,并對外發(fā)布計算結果。

隨著原子鐘數量和質量的不斷提高、遠程時間比對技術的不斷更新,BIPM多次更新TAI計算方法和取權規(guī)則,優(yōu)化了氫原子鐘模型和權重,加快了計算周期和發(fā)布更新周期。

為滿足生產、生活、國防建設多方面的需要,世界上許多國家都通過國內的守時實驗室建立和產生地方原子時,地方原子時與TAI保持高度一致。例如,中國的守時實驗室主要有中國科學院國家授時中心、中國計量科學研究院、北京無線電計量測試研究所等單位,分別建立了各自的原子時,并保持相應的地方原子時。

當前,TAI是最高性能的具有物理實現的系統時標,也是UTC等其他時標的基礎,TAI的綜合性能要求主要體現在以下5個方面:

(Ⅰ)連續(xù)性(continuity);

(Ⅱ)可靠性(reliability);

(Ⅲ)可用性(accessibility);

(Ⅳ)頻率穩(wěn)定性(frequency stability);

(Ⅴ)頻率準確性(frequency accuracy)。

時間作為一個連續(xù)量,一旦中斷便難以找回,TAI是國際時間的最高基準,對連續(xù)性的要求更高,因此連續(xù)性是TAI時間尺度要求的首要指標。

可靠性主要體現在時間系統的實現上,時間系統必須保障長期的正常運行,才能提供有效的時間參考基準。TAI是通過全世界的數十個鐘組共同保持,不會因為個別鐘組故障而影響系統整體功能,可靠性能夠得到充分的保障。

可用性主要體現在用戶對時間的使用方面。TAI可通過主鐘系統輸出實時信號,并連接到各類授時系統或時間傳遞系統,為用戶提供時間服務。TAI也可通過UTC等相關時標的發(fā)播和轉換來提供用戶服務。

頻率穩(wěn)定性主要反映了頻率的均勻性。單個原子鐘通常頻率抖動較大,通過原子鐘組的平均可以獲得更高的頻率穩(wěn)定性,TAI的ALGOS算法就是基于加權平均的方法而設計的,當前,TAI的頻率穩(wěn)定性優(yōu)于5×10-16(20～40 d)。

頻率準確性主要反映了頻率與秒定義的一致性。秒定義通過頻率基準裝置實現,TAI通過與頻率基準裝置的比對和修正,來保證與原子時秒SI的高度一致性,當前,TAI的頻率不確定性優(yōu)于1×10-15。

(2)協調世界時的物理實現方式

協調世界時是在世界時和原子時之間,通過“協調”產生的一種時間尺度,具體來說,就是時間尺度單位為原子時秒長,但在時刻上又采用閏秒調整方式使之與世界時盡量接近。

在1972年以后,UTC的“協調”方案明確:UTC與TAI保持相同的基本速率,UTC與TAI之間只相差整數秒,UTC-UT1的差值范圍最大為±0.9 s。閏秒通常安排在6月30日或12月31日的最后1分鐘,必要時也可安排在3月31日或9月30日的最后1分鐘。1975年以后,按照新修訂方案,作為候補日期,如果有必要,每個月末最后1s都可實施閏秒。

閏秒有兩種方式,增加1 s(相對正常計時推遲1 s)稱為正閏秒,減少1 s(相對正常計時提前1 s)稱為負閏秒,如圖2所示。

圖2 正閏秒與負閏秒時序關系Fig.2 The timing relationship between positive and negative leap seconds

閏秒信息可從BIPM發(fā)布的時間公報中獲得,也可從衛(wèi)星導航系統導航電文信息中提取,當前的閏秒信息如圖3所示。

圖3 UTC閏秒信息及與GNSST時間關系Fig.3 UTC leap second information and its relationship with GNSST time

UTC的實現和發(fā)布也是由BIPM負責,UTC和TAI的實現過程基本相同,需要在TAI的基礎上增加必要的閏秒調整。傳統的UTC結果大約每月發(fā)布一次,2013年推出的快速UTC(rapid coordinated universal time, UTCr)大約每周發(fā)布一次。類似于地方原子時,許多國家的守時實驗室同時也建立了本地的UTC,以方便為本國提供時間系統服務。

2 時間基準的未來發(fā)展

2.1 理論定義的發(fā)展

時間基準的理論定義未來將繼續(xù)保持現有含義,但實現時間基準的物理裝置會隨著技術更新而不斷變化,時間基準發(fā)展的核心是秒定義的變化。

秒定義的變化隨著秒定義的實現技術提高而不斷變化。從真太陽時、平太陽時、世界時、歷書時再到原子時,秒定義不斷變化,是由時間測量技術的發(fā)展和時間應用需求共同推動的。當前的秒定義是原子秒,是定義在銫原子能級躍遷一定數量持續(xù)的時間。在定義原子時秒長的時候就存在一個不確定度,即(9 192 631 770±20) Hz。這使得原子時秒實現中存在一定的誤差,這也為未來秒定義的更新埋下了伏筆。如前文所述,當前不同領域使用的主要時間系統包含TT、TAI 和UTC等,這些時間系統都是建立在秒定義的基礎上,因此秒定義的變化對時間系統的影響需進一步分析。

(1)秒定義未來發(fā)展的考慮

在討論未來秒定義之前,需要明確秒定義的改變不是秒長的改變,而是實現秒長的物理方式的改變,即采用更加穩(wěn)定準確的秒長實現技術,確保未來秒長的更加準確和穩(wěn)定。當前常見的守時型銫原子鐘、氫原子鐘以及作為基準鐘的大銫鐘、銫原子噴泉鐘等都是基于原子的微波頻段,并將其輸出的微波共振頻率作為基準頻率,都是微波鐘。銫原子噴泉鐘作為當前微波鐘里頻率準確度和穩(wěn)定度領先的原子鐘,其頻率準確度已進入10-16量級,頻率穩(wěn)定度已進入10-16量級。鍶光鐘、鐿光鐘等則是以原子的光學波段共振頻率作為時間頻率基準的原子鐘,通常被稱為光鐘。光鐘的工作頻段比微波鐘的工作頻段高4到5個量級,光鐘可以達到比微波鐘更高的頻率準確性和頻率穩(wěn)定性。

未來新的“秒”定義將會給整個科學領域甚至社會的方方面面帶來改變。鑒于當前光鐘相對微波鐘的優(yōu)勢越來越明顯,國際計量組織通過多輪次討論后,計劃于2026年討論“秒”定義的變更問題,即用光鐘取代目前銫原子微波鐘,更新和復現新的時間單位“秒”,并在2030年第29屆國際計量大會上作出最終決定。

光鐘是以原子或離子在光學波段的躍遷頻率為參考建立的原子鐘,光鐘是工作在光學頻率上的,要將其引入日常的以電信號為基礎的測量系統中,需要將光學頻率轉換到微波信號,只有這樣才可和現代電子系統實現對接,滿足實際應用需求[4-5]。解決了應用問題,還需要考慮如何將光鐘復現的秒長與在現行定義下的秒長保持一致,確保秒定義變化后秒長本身不變。上述問題均解決后就可以考慮秒定義的更新問題,但新的問題又出現了,那就是當前有多種類型光鐘,選擇哪一種光鐘作為秒定義物理實現的裝置是最優(yōu)的?該問題將在2.2節(jié)中論述。無論選擇鐿離子光鐘、鍶原子光晶格鐘、鈣離子光鐘還是其他光鐘中任一種作為未來秒定義的物理實現裝置,都體現了秒定義的發(fā)展趨勢。總體來說秒定義的發(fā)展是隨著人類計時工具的發(fā)展而不斷發(fā)展的,實現的秒定義也越來越準確和穩(wěn)定。

(2)TT定義發(fā)展的考慮

TT是由國際天文聯合會在相對論框架下定義的適合于近地空間的時間系統,通常用作從地球表面進行天文觀測的時間量,例如,天文歷書使用TT作為從地球上看到的太陽、月球和行星的位置表(星歷)。從1991年開始,TT秒長定義為國際標準單位SI 秒長。TT是一個連續(xù)時間尺度,TT與國際原子時TAI關系是

TT= TAI + 32.184 s(從1997年1月1日0時起)

TT在天文觀測和天文測量中有著重要的應用,符合從地球開展天體觀測和天文測量的應用需求,其和TAI關系固定后,其使用更加便捷。在當前秒定義和秒長實現條件下,TT的概念近期沒有出現更改或重新定義的必要。

(3)未來TAI的產生

秒定義的改變,是不改變秒長情況下、實現秒定義的物理方式的改變,實際就是基準鐘的變化。如果秒定義從現有銫原子微波鐘改變成某一種型號的光鐘,則這個光鐘就是未來的基準鐘,也就是未來的時間以及頻率標準。

對于TAI來說,其產生過程預計不會有太大變化,還是基于全球n個實驗室的m臺原子鐘進行綜合計算得到自由原子時(échelle atomique libre/free atomic scale,EAL),通過基準鐘(光鐘)校頻后獲得TAI。

(4)未來UTC的變化

若秒定義的改變,不會改變TAI的產生方式,那么同樣不會改變UTC的產生方式。需要解釋的是,當前UTC是通過TAI增加閏秒的方式使得UTC和UT1保持在一定偏差范圍內,未來如果改變閏秒策略,通過閏分、閏小時或其他方式,使得UTC變成一個在較長時間內連續(xù)的時間尺度,將可能影響UTC的定義方式和產生方式,但UTC產生總體過程和現階段不會有太大變化,只是在基準鐘校頻時采用新定義的基準鐘,即某一型號的光鐘,未來UTC產生過程如圖4所示。

圖4 未來UTC的產生過程Fig.4 Generation process of future UTC

UTC是當前國際通用的時間參考,預計未來也不會有變化。但UTC和UT1的相對偏差會隨著閏秒方式的調整而變大。閏秒改革問題是國際時間頻率領域最為重大的熱點問題之一,閏秒調整改革,意味著協調世界時和世界時關聯方式的改變,甚至是脫鉤,調整后對導航、通信等領域有著明顯的益處,能夠防止破壞導航與通信系統的連續(xù)運行,但調整后對天文觀測、天體測量、地月及深空探測來說,就失去了通過UTC粗略獲得UT1的方式,進而可能造成相關實驗研究無法順利開展。閏秒改革問題比較復雜,如有興趣,可參閱相BIPM網站、ITU網站以及相關文獻資料。

2.2 未來時間基準的物理實現

(1)秒定義實現裝置

當前秒定義實現裝置包含大銫鐘、銫原子噴泉鐘、守時型商品小銫鐘等,這些原子鐘按照其性能可分為基準鐘、守時鐘,都是基于銫原子超精細能級躍遷對外輻射穩(wěn)定微波頻率的特性實現原子鐘。當前作為基準鐘的原子鐘包括大銫鐘和銫原子噴泉鐘[6],大銫鐘大約從20世紀50年代末開始投入使用,目前有2臺參與國際原子時的頻率校準工作;銫原子噴泉鐘從2005年前后開始投入使用,截至2021年底,有11臺銫原子噴泉鐘參與國際原子時的頻率校準。

未來隨著秒定義的變化,作為基準鐘的原子鐘必然出現相應的變化。雖然光鐘被認為是未來可能成為秒定義的首選,但具體選擇哪一種光鐘,還沒有定論,未來幾年可能會有多輪討論,以確定未來實現秒定義的光鐘類型。需要注意,無論未來選擇哪一種光鐘作為秒定義的物理實現,都需要考慮如何將光頻信號轉換為連續(xù)輸出的電信號,以便電子系統使用。當前常用的方法是光鐘駕馭微波鐘,即通過微波鐘和光鐘相對頻偏測量,采用頻率駕馭的方式提高微波鐘的頻率準確度。這樣既發(fā)揮了光鐘優(yōu)勢,又可以依賴微波鐘產生長期連續(xù)穩(wěn)定的時間頻率信號。

由于光鐘在未來秒定義、精密測量和基礎研究等領域的作用,發(fā)達國家都非常重視其研究和發(fā)展。當前能成功研制光鐘的國家主要有美國、法國、德國、英國、日本等,其中研究領先的是美國的葉軍團隊和日本東京大學的香取秀俊研究組[7]。光鐘按照參考物理體系的種類劃分,主要可以分為離子光鐘和中性原子光晶格鐘。離子光鐘方面[8-10],美國國家標準與技術研究院(National Ins-titute of Standards and Technology, NIST)的鋁離子光鐘的不確定性達到9.4×10-19、德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)的鐿離子光鐘的不確定性達到了2.7×10-18。中性原子光晶格鐘方面[11-12],美國天體物理聯合實驗室(Joint Institute for Laboratory Astrophysics, JILA)和日本理化研究所(Rikagaku Kenkyusho/Institute of Physical and Chemical Research,RIKEN)的鍶原子光晶格鐘的不確定度分別達到了2×10-18和5.5×10-18,NIST的鐿原子光晶格鐘的不確定性達到了1.4×10-18。國內方面,中科院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院、中國計量科學研究院、中國科學院國家授時中心、中國科學院上海光學精密機械研究所等多家單位正在開展光鐘研制工作,也取得了明顯進展。目前已有多臺光鐘的不確定度達到了10-18量級,加入了上述國際第一方陣。其中,據已公開發(fā)表的文獻,中國計量科學研究院實現了不確定度7.2×10-18的鍶原子光晶格鐘;中科院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院實現了不確定度7.9×10-18的鋁離子光鐘和不確定度3×10-18的鈣離子光鐘;中國科學院國家授時中心鍶原子光晶格鐘不確定度已經優(yōu)于5.7×10-17。中國計量科學研究院和中國科學院國家授時中心都獨立完成了光鐘輸出頻率通過國際原子時溯源到當前秒定義的工作。

由上述分析發(fā)現,不同類型的光鐘均處于快速發(fā)展期,不同光鐘各有特點,且所有光鐘性能都在不斷提高,因此當前還無法給出未來的秒定義實現裝置[13]。

(2)未來時間基準實現方法

秒定義更新后,為確保新的秒定義在各個國家的物理實現,我們仍然需要考慮本地守時系統設計。在不考慮UTC重新定義的條件下,即不考慮取消閏秒,繼續(xù)保持現有閏秒機制條件下,BIPM計算的TAI和當下計算過程預計不會有太大差異,主要包括以下幾個步驟:

第一步,收集全球參與國際原子時合作的守時實驗室的時間比對鏈路數據、內部原子鐘比對數據等,采用適當的原子時計算方法,計算EAL;第二步,比較EAL和作為基準鐘的光鐘的相對頻偏(可采用分布于各實驗室的多臺光鐘),校準EAL的頻率偏差獲得TAI;第三步在TAI鐘插入閏秒信息,獲得UTC。由上述步驟可知,作為基準鐘的光鐘在UTC產生過程中主要起到了校頻作用,但需說明的是,若未來基準鐘具備連續(xù)運行的條件,則不僅可以用于對EAL進行校頻,還可以直接參與到守時系統中來。

對于一個國家的守時實驗室而言,本地保持的UTC產生過程也不會有太大變化,所不同的是,若守時實驗室擁有新的基準鐘,則可在采用傳統守時方法的同時利用本地基準鐘特性調整優(yōu)化本地時間保持精度,增強本地時間自主保持能力。

3 我國時間基準發(fā)展的幾點建議

20年來,在北斗衛(wèi)星導航系統建設的牽引帶動下,我國的時間基準相關研究取得了較快的發(fā)展,在時空參考系、原子鐘研發(fā)、鐘組守時等方面取得了長足的進步,建立了用于北斗衛(wèi)星導航系統的空間參考系和時間參考系,在突破星載原子鐘技術的基礎上,進一步具備了主動氫鐘、小型磁選態(tài)和光抽運銫鐘、銫原子噴泉鐘的研發(fā)能力,基本具備了時間基準系統的自主建設供給能力。面向下一代更高精度的衛(wèi)星導航系統和國家時空體系建設要求,還需進一步加大基礎研究、技術研發(fā)與試驗以及體系應用研究力度,滿足未來智能化時代國防和國民經濟建設對精密時空應用的迫切需求。

3.1 基礎研究

加強時空參考系的自主觀測和服務。時空參考系是時間基準建立的基礎,當前我國時空參考系的建立主要是通過參與國際合作,對國際地球參考系(international terrestrial reference system, ITRS)的繼承,我國在國際合作中參與的地面測量站數量較少,在國際合作中基本處于從屬地位,缺乏自主的時空參考系觀測與建立能力。面對當前的國際形勢,我國應加大自主時空參考系的觀測、模型構建和應用能力研究,建設形成自主的時空參考系觀測運行服務能力。

進一步提升時空參考系的精度。如果把地球時TT作為近地空間的時間基準的理論參考,在實際應用過程中,TT的理論計算模型還與地球重力場、地球自轉速度等基礎數據精度有關,這些基礎數據會影響TT理論模型的計算精度,在未來使用自評不確定度性能達10-18以上量級的光頻標建立時間基準時,當前的TT的理論模型精度可能無法滿足使用需求。為此,面向下一代更高精度時空基準應用需求,有必要進一步加強更高精度時空參考系的建立理論、觀測處理方法等問題的研究,提升時空參考系理論模型精度,為充分發(fā)揮光鐘等新型原子鐘性能,構建更高精度時間基準奠定基礎。

3.2 技術試驗

加強新型原子鐘技術研發(fā)和守時應用研究。以原子或離子體系的光頻躍遷為參考進行秒定義的修訂,是未來幾年時間基準發(fā)展的必然要求,世界主要科技強國都在大力發(fā)展新型光鐘技術,以獲取秒定義的國際話語權。我國在新型光鐘方面,布局技術較為廣泛,但在指標實現上與國際領先水平存在差距,有必要進一步加強以光頻原子鐘為代表的新型原子鐘技術研發(fā),加大光鐘測量、比對和守時應用技術試驗力度,實現時間基準性能的跨越式發(fā)展。

加強分布式時間基準模式構建和技術驗證。經過多年的建設,我國已建成多套守時系統,并參與UTC合作,北斗衛(wèi)星導航系統、中國空間站等空間設施部署了大量高性能原子鐘,充分發(fā)揮我國守時系統和空間原子鐘資源,加強分布式時間基準模式研究、關鍵技術攻關和技術驗證,對于構建精準統一、安全可靠的國家時間基準具有重要的意義。

3.3 體系應用

加強時間基準服務應用的頂層設計,提升時間基準服務體系的協調性、兼容性和安全性。我國的時間基準服務系統對外提供服務的方式主要包括北斗衛(wèi)星授時、地基無線電授時、網絡授時等,各授時系統運行維護主體不同,接入時間基準源頭不同,提供的時間服務存在偏差。建立統一融合的時間基準網絡,可為各授時服務系統提供多點接入的高精度時間基準,可有效提升授時系統服務的兼容性和安全性;加強用時終端的頂層設計,提升標準化、模塊化、系列化水平,加強用時終端的多手段接收、多源時間信息融合和多信號體制服務能力,對于保障各領域時頻應用的精確性和安全性具有重要作用。