探討時間頻率的相關(guān)技術(shù)

齊 薇

（吉林省計量科學(xué)研究院（吉林省計量測試儀器與技術(shù)重點(diǎn)實驗室）,長春 130103）

現(xiàn)如今，在所有工程技術(shù)和科學(xué)實驗工作中，對于時間和頻率的標(biāo)準(zhǔn)信息的傳輸來說是必不可少的，如需要用到這一高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定度的時間頻率信號的有天文觀測、宇宙航天、大地測量、衛(wèi)生跟蹤、相對論試驗、數(shù)字通迅及基本物理試驗等，當(dāng)然，通訊和導(dǎo)航是時間頻率最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，對于時間頻率的應(yīng)用具有著較大的經(jīng)濟(jì)意義。

1 時間頻率傳遞技術(shù)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的推動下，在時間計量研究方面也取得了顯著進(jìn)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(chǔ)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(jìn)步，但是在時間大尺度時空范圍內(nèi)的時間頻率傳遞（也就是時間比對）方面，還需要繼續(xù)在各個單臺原子鐘間進(jìn)行高精度比對，才能獲取一個更為精準(zhǔn)的時間尺度[1]。將準(zhǔn)確的時間在保持原精準(zhǔn)度基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)等），目前已經(jīng)研制出可利用衛(wèi)星進(jìn)行授時的相關(guān)技術(shù)。

1.1 搬運(yùn)鐘

時間對比也稱之為“對鐘”，即對準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)鐘，以標(biāo)準(zhǔn)鐘來對準(zhǔn)分布在各地的鐘。而系統(tǒng)中各時間的同步，并不是按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將各時鐘完全對齊，只需要掌握各個時鐘與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時鐘間的時刻鐘差以及比對后的標(biāo)準(zhǔn)鐘產(chǎn)生的漂移修正參數(shù)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(diào)節(jié)時鐘用動源的相位，而這需要有精密的相位微步調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到ms級。之后發(fā)展為用超長波授時，其授時精度可達(dá)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(jìn)行傳播，相對于短波來說穩(wěn)定性較強(qiáng)。Loran-C長波導(dǎo)航系統(tǒng)是一個遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確獲得時間差，但由于Loran-C系統(tǒng)覆蓋范圍有限，對于科學(xué)研究的發(fā)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(fā)生變化，會使時間信號的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，并且授時精度不過ms量級。美國于1905年實現(xiàn)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(fā)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(yùn)第三只鐘可以對分開兩地的鐘進(jìn)行比對。而原子鐘、石英鐘均可以作為第三只鐘，當(dāng)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(biāo)志，若排除傳輸路徑延遲、傳送設(shè)備延遲時間，則可以實現(xiàn)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(xiàn)過大的誤差一般都是在微波線路中所出現(xiàn)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(jī)中色信號解調(diào)的相位基準(zhǔn)。為方便進(jìn)行頻率和相位比對，可從電視機(jī)壓控晶振引出連續(xù)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(jìn)行比對。

1.4 衛(wèi)星時間頻率傳遞技術(shù)

衛(wèi)星的時頻標(biāo)準(zhǔn)信號主要分為靠轉(zhuǎn)發(fā)地面臺站的標(biāo)準(zhǔn)信號及衛(wèi)星上配置的星載鐘直接給出這兩類，此時衛(wèi)星就好比是一個中繼站，可利用這些信號進(jìn)行時頻精確測量，一般根據(jù)工作模式可分為雙向法、單向法[2]。其中，雙向法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)Φ孛嬲疚恢没蛐l(wèi)星位置不準(zhǔn)確而造成的測量誤差進(jìn)行抵消，但需要使用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)備，并且對自動化要求較高，觀測時間不能與TAI計算的標(biāo)準(zhǔn)相吻合；單向法進(jìn)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(wèi)星處于運(yùn)動狀態(tài)，必須通過校準(zhǔn)由衛(wèi)星運(yùn)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(shù)最新發(fā)展?fàn)顩r

2.1 甚長基線干涉測量系統(tǒng)

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(zhǔn)確度的時間比對，通過甚長基線干涉測量技術(shù)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(dú)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(jù)這個結(jié)果可以對兩地鐘的頻率差和時刻差進(jìn)行高精度確定，其時間比對精度可達(dá)到1ns。

2.2 GPS載波相位技術(shù)

GPS載波相位技術(shù)穩(wěn)定性較強(qiáng)，但由于載波信號中沒有時刻的起算點(diǎn)，僅限于對高精度頻率進(jìn)行對比，而無法對時間進(jìn)行對比。

2.3 LASSO

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

3 結(jié)束語

總之，時間頻率可以說是信息化裝備的“心臟”，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間在各個領(lǐng)域、各類信息系統(tǒng)、設(shè)新技術(shù)裝備及數(shù)據(jù)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(qiáng)時間頻率技術(shù)的體系建設(shè)，才能使時間頻率技術(shù)在各領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。

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

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