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

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

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 792458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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21世纪中国电子仪器发展战略研讨会2004年9月

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)、

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。

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

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

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，

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

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

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

和市场化竞争方面，尚有待加强，才能与国际市场接轨。

2．2时间标准UTc的研究与进展

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

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