刷新中國的原子時標(biāo)——記中國計量科學(xué)研究院守時實驗室主任張愛敏

本刊記者 黃 健

秒殺、秒搶、秒滅、秒傳、秒拍、秒退、秒懂……

生活中，我們常常用“秒”來傳遞對時間超短極限的理解，然而1秒鐘究竟有多長呢？銫133（Cs133）原子基態(tài)的超精細能階間躍遷對應(yīng)輻射9192631770個周期，這個周期所持續(xù)時間就是1秒。

對于普羅大眾來說，1秒鐘幾乎可以忽略不計，然而誰能想到這背后竟然會出現(xiàn)如此龐大的數(shù)字！

為了讓這“漫長”的1秒更加精確，中國計量科學(xué)研究院時間頻率研究所將“爭分奪秒”演繹得淋漓盡致。而在這個平臺上，張愛敏和她的守時實驗室也一直為了原子時標(biāo)基準研究不斷努力，希望能夠建立起完善的國家守時系統(tǒng)，并維護其良好運轉(zhuǎn)。他們，是一群守望者，不斷刷新著中國的原子時標(biāo)，守護著國人的準時生活。

駕馭時標(biāo) 靠近UTC

“UTC（NIM）是我國時間頻率體系的核心。上要通過參加國際原子時合作實現(xiàn)時間頻率量值國際溯源，下要在國內(nèi)作為時間頻率量值的源頭進行量值傳遞?！睆垚勖粢辉購娬{(diào)。

我國的原子時標(biāo)UTC（NIM）基準，始建于上世紀80年代初期。一直到2009年，原子鐘組由3臺商品銫原子鐘及2臺商品氫原子鐘組成，以銫原子鐘作為主鐘，通過GPS單一手段進行國際比對。這種運行方式，使得計量科學(xué)研究院的守時水平落后于國際先進實驗室。

“我們是基準，只有基準準了，才能傳遞出更為精準的量值?！睘榱烁淖冞@一現(xiàn)狀，中國計量科學(xué)院自2008年起開始在昌平實驗基地重新建設(shè)高準確度、高穩(wěn)定度的國家時間頻率基準——原子時標(biāo)UTC(NIM)，張愛敏及其團隊的日程表越來越滿了。

他們要做的事情很多，要完善守時鐘組，要更新原子時算法，要建立、供電及數(shù)據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng)，要做好內(nèi)部比對和國際比對……系統(tǒng)之龐大超乎一般人想象?！斑@是一個系統(tǒng)工程，不僅需要科學(xué)家，也需要工程師。因為整個工程需要大量系統(tǒng)的鏈接，包括衛(wèi)星雙向以及地面站的建設(shè)等。遇到的難題當(dāng)然也不少?！?/p>

在張愛敏看來，所謂的難題，正是他們突破的關(guān)鍵。經(jīng)過摸索攻關(guān)后，他們最大的亮點就是實現(xiàn)了兩種比對手段相輔作業(yè)的形式。一是利用GPS載波相位進行觀測解算，一是以衛(wèi)星雙向技術(shù)進行時間頻率傳遞。

“我們最終的目標(biāo)當(dāng)然是要通過算法駕馭時標(biāo)來靠近UTC。全世界各個實驗室的守時方法不同，要根據(jù)系統(tǒng)硬件條件和自身條件產(chǎn)生自己的駕馭方法?！敝袊嬃靠茖W(xué)研究院的優(yōu)勢就在于冷原子噴泉，守時實驗室在國際上首次實現(xiàn)了利用噴泉鐘直接駕馭氫鐘產(chǎn)生地方原子時，這標(biāo)志著我國時間頻率基準的研究跨上了一個新的臺階。

在原子時標(biāo)算法更新中，他們采用一臺氫鐘作為主鐘，通過一臺相位微躍器產(chǎn)生UTC(NIM)。氫鐘存在頻率漂移，就利用其頻率數(shù)據(jù)一次擬合預(yù)估氫鐘頻率，利用卡爾曼濾波減小預(yù)估誤差?！鞍凑諊H慣例，國際計量局（BIPM）一般每個月發(fā)布一次UTC的具體數(shù)據(jù)。到2012年2月，BIPM又開始公布快速UTC，也就是UTCr。這個數(shù)據(jù)為一周發(fā)布一次?，F(xiàn)在采用的就是UTC與UTCr并行，我們也能更快得到NIM與UTC、UTCr之間的時差，以此來駕馭指標(biāo)，以提高原子時標(biāo)的準確度和穩(wěn)定度?！?/p>

時光在他們的奔忙中流逝。2010年10月，昌平院區(qū)新時標(biāo)開始試運行。2012年5月，新時標(biāo)與和平里老院區(qū)的UTC(NIM)同步運行。2012年10月14日，時標(biāo)由和平里院區(qū)向昌平院區(qū)的正式切換。2013年5月，在由中國計量科學(xué)研究院和日本NICT聯(lián)合主導(dǎo)的國際首次歐亞多臺銫原子噴泉鐘的比對中，包括計量院在內(nèi)的4家實驗室的6臺銫原子噴泉鐘參與其中，計量院完成了全部數(shù)據(jù)的處理和比對結(jié)果不確定度的評定，不確定度在10-15量級，取得了圓滿的結(jié)果。

“我們的時標(biāo)會一年比一年好?！苯?jīng)此一役，張愛敏對未來充滿了信心。

做時間的守護者

張愛敏所領(lǐng)銜的守時實驗室，是中國計量科學(xué)研究院時間頻率研究所下屬的四個實驗室之一。

研究、建立和維護國家守時系統(tǒng)（原子時標(biāo)基準）；研究、建立、保存和維護時間頻率相關(guān)計量標(biāo)準；開展時間頻率測量傳遞技術(shù)研究，開展相關(guān)量值傳遞和溯源工作；開展時間頻率國際比對，參加國際原子時合作；開展國內(nèi)量值比對工作，承擔(dān)計量技術(shù)機構(gòu)考核、計量標(biāo)準考核和能力驗證工作，承擔(dān)測量方法和測量結(jié)果的可靠性評價工作；承擔(dān)相關(guān)國際建議、國家標(biāo)準制修定、計量技術(shù)標(biāo)準的制修定。

有關(guān)守時實驗室的介紹，以十分嚴謹?shù)恼Z言說明了他們的工作內(nèi)容。經(jīng)過數(shù)年的努力，他們已經(jīng)建有一項國家計量基準——原子時標(biāo)基準裝置；三項國家計量標(biāo)準——標(biāo)準頻率檢定裝置、短期頻率穩(wěn)定度檢定裝置及頻譜分析儀檢定裝置。“這些裝置的主要目的就是把時間頻率量值傳遞出去，最終實現(xiàn)全國時間頻率量值的準確性和一致性?！睆垚勖粽f。

“工作量很大，一個人的力量總是有限的。”提到自己的實驗室，張愛敏素來溫和的語氣中透著感激，“在我工作中，領(lǐng)導(dǎo)很支持，同事很團結(jié)，這是做事的基礎(chǔ)。我們在共同的目標(biāo)下，共同努力，有了問題也一起協(xié)商，永遠都是勁兒往一處使?！?/p>

作為實驗室主任，張愛敏最初對計量學(xué)其實一無所知。1987年，她畢業(yè)于北京大學(xué)無線電電子學(xué)系，同時被免試推薦至中國計量科學(xué)研究院攻讀碩士學(xué)位，從此與時間計量結(jié)下了不解之緣。這個溫和的女子，慣于那一代人干一行愛一行的性格，“時間頻率的基礎(chǔ)與無線電還是有關(guān)聯(lián)的，基礎(chǔ)的東西能用得上。而且也有很多前輩幫助指導(dǎo)?！睆垚勖粽f。

提起實驗室，她習(xí)慣細數(shù)團隊成員，“實驗室副主任梁坤，長于GNSS時頻傳遞及鏈路校準研究；高源負責(zé)基準算法；楊志強負責(zé)衛(wèi)星雙向；王偉波負責(zé)基準運行維護及檢定校準；張越負責(zé)頻率標(biāo)準運行維護及檢定校準……”而因為這些配合，實驗室也先后獲質(zhì)檢總局科技興檢二等獎2次，三等獎2次。自兩位“老同志”退休后，守時實驗室目前還有科研人員7名，其中研究員1人、高級工程師3人，有博士學(xué)位的2人。“還有一位沒有出站的博士后?！彼a充道，“我們處在一個復(fù)雜的系統(tǒng)中，需要各方面的人才。大家對研究方向的定位，一般是在對自身的學(xué)歷背景以及個人興趣等綜合考慮后作出的選擇。我希望實驗室能夠做到給年輕人創(chuàng)造充分發(fā)揮自身潛力的機會?！?/p>

同舟共濟走到如今，實驗室對于下一步的工作目標(biāo)早已達成了一致。他們會持續(xù)完善原子時標(biāo)守時鐘組；同時，實現(xiàn)噴泉鐘組駕馭氫鐘組的技術(shù)方案，進一步提高UTC(NIM)的穩(wěn)定性和可靠性。作為BIPM的一類校準實驗室，他們還會積極對亞太地區(qū)二類實驗室GNSS接收機進行校準，進一步開展高精度光纖時間頻率傳遞技術(shù)研究，并建立國內(nèi)時間頻率比對網(wǎng)絡(luò)。

“我們一定要建設(shè)獨立自主的國家時間頻率體系，我們的基準必須獨立自主?！睂τ谶@一點，張愛敏很執(zhí)著。她很清楚計量學(xué)的高端科研成果從來都是與科學(xué)研究和軍事服務(wù)相互促進的，而隨著“北斗”建設(shè)的進展，我國對時間頻率越發(fā)重視。能夠為這個事業(yè)盡一份力，無論對張愛敏，還是整個團隊，都是莫大的榮耀。