國際原子時及NTSC守時工作進展

董紹武，王燕平，武文俊，屈俐俐，袁海波，趙書紅

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國際原子時及NTSC守時工作進展

董紹武1,2,3，王燕平1,2，武文俊1,2，屈俐俐1,2，袁海波1,2，趙書紅1,2

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048）

介紹了國際原子時（TAI）、協(xié)調(diào)世界時（UTC）以及我國標準時間UTC(NTSC)的產(chǎn)生和發(fā)展。簡要介紹了國際標準時間的定義、國際時間比對技術的發(fā)展、TAI和UTC計算方法、工作規(guī)范的發(fā)展和未來可能的形態(tài)。介紹了我國原子時工作的歷史和發(fā)展，以及時間基準保持性能、國際比對及溯源和時間信號服務方面的最新進展。

TAI和UTC；UTC(CSAO)；UTC(NTSC)；國際比對；北斗時

0 引言

現(xiàn)代守時工作的標志是基于原子秒長的時間尺度的建立以及原子鐘在守時工作中的廣泛使用。有正式記載的國際原子時（International Atomic Time，TAI）工作可追溯到1967年，根據(jù)國際時間局（BIH）年報《BIH RAPPORT ANNUEL POUR 1967》記載[1]，當時只有包括美英法德的12個守時實驗室參與TAI的歸算，在這期BIH年報上登載的信息很少，主要是1966年的數(shù)據(jù)和時間信號發(fā)播臺站信息。隨著原子鐘性能的提高以及遠距離高精度時間比對手段的出現(xiàn)，國際原子時TAI的計算方法、工作規(guī)范不斷完善并持續(xù)改進。伴隨天文學、物理學等自然科學學科的發(fā)展，它們對于時間尺度的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。過去的半個世紀中，全世界實際使用的時間尺度從穩(wěn)定度為10-8/d的地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的世界時UT，過渡到目前穩(wěn)定度達幾×10-14/d甚至更高的原子時TA。為科學應用提供具有高穩(wěn)定性的時間系統(tǒng)，是世界上所有的時間實驗室的共同任務。近50年來，原子鐘的準確度由最初10-11到目前鍶原子光鐘10-18，遠距離時間比對精度由羅蘭系統(tǒng)的微秒量級發(fā)展到目前衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞（TWSTFT）和GNSS精密單點定位（PPP）的亞納秒級，精度提升了1萬倍。

我國陸基無線電長、短波授時服務所依賴的時間基準UTC（CSAO）系統(tǒng)建成于20世紀70年代末，其縮寫CSAO表示中國科學院陜西天文臺，是中科院國家授時中心（NTSC）的前身。據(jù)1980年的國際時間局年報（BIH1980）記載，當年全球共有45個守時實驗室參與國際原子時TAI和協(xié)調(diào)世界時UTC（Coordinated Universal Time）的歸算和保持。當時，由中科院陜西天文臺建立和保持的我國時間基準UTC（CSAO）系統(tǒng)由3臺銫鐘和兩臺國產(chǎn)氫鐘組成，其原子鐘差數(shù)據(jù)已經(jīng)正式參與國際原子時TAI歸算，國際時間鏈路采用Loran-C西北太平洋鏈（9970-Y）時號接收實現(xiàn)。1987年國際時間局年報（BIH Annual Report for 1987）已經(jīng)正式發(fā)布了我國綜合原子時TA（JATC）的數(shù)據(jù)，當時JATC系統(tǒng)由包括中科院陜西天文臺（CSAO）、中科院上海天文臺（SO）、中科院北京天文臺（BAO）、中科院武漢物理所（WTO）以及北京無線電計量研究院BIRM的約22臺各類原子鐘共同歸算，是最早實現(xiàn)原子鐘資源共享，異地聯(lián)合守時的典范。上世紀90年代初，CSAO在國內(nèi)率先啟用當時最先進的遠距離時間比對技術——GPS共視時間比對，進行國際比對。

四十多年來，UTC（NTSC）連續(xù)、穩(wěn)定、可靠運行并不斷進步和發(fā)展，守時性能不斷改進、作用不斷拓展。目前UTC（NTSC）是全球最重要守時系統(tǒng)之一，對國際原子時歸算的權重貢獻連續(xù)多年排在全球前三位，為國際時間工作做出了重要貢獻。同時，UTC（NTSC）為我國的授時服務工作做出了卓絕貢獻[2]，滿足了我國各個時期戰(zhàn)略導彈、衛(wèi)星發(fā)射等國防軍工任務、國民經(jīng)濟建設以及科學研究對精密時間的需要。進入新時期，隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，UTC（NTSC）作為北斗時間的溯源參考和備份，為北斗系統(tǒng)的試驗驗證、性能評估以及建設和運行發(fā)揮了重要作用。隨著北斗衛(wèi)星星座的完善，目前已經(jīng)能在亞洲提供導航和授時服務，為了推動北斗系統(tǒng)的發(fā)展和應用，開展了UTC（NTSC）與歐洲守時實驗室UTC（）間的洲際比對試驗并取得初步結果。我國北斗系統(tǒng)未來將作為國際原子時國際比對手段之一對全球時間工作做出貢獻。

1 國際原子時TAI的定義和發(fā)展

國際天文聯(lián)合會（IAU），國際無線電科學聯(lián)盟（URSI）和國際電聯(lián)無線電咨詢委員會（CCIR，后來的國際電聯(lián)無線電通訊局ITU-R）分別于1967，1969和1970年建議由當時的國際時間局（BIH）統(tǒng)一歸算基于原子時間長度的國際時間標準，該國際時間標準在1971年的第14屆國際計量大會（CGPM）決議中，被最終命名為國際原子時TAI。

1.1 TAI和UTC

從1988年起，由國際權度局（BIPM）時間部負責國際原子時TAI和協(xié)調(diào)世界時UTC的歸算，代替原來BIH的工作。時間部門用來計算時間尺度的算法是一個迭代過程，產(chǎn)生自由原子尺度EAL并進而得到TAI和UTC。一直以來，BIPM采用ALGOS（加權平均）計算EAL，ALGOS也經(jīng)歷了多次的改進和發(fā)展，其目的是提高EAL的長期穩(wěn)定性和TAI的準確性[3]。

當前，BIPM每個月計算一次國際參考時間尺度。計算步驟如下：

①基于分布于全球的自由運轉(zhuǎn)的原子鐘（截止2017年6月30日約460臺）的加權平均計算出自由原子時EAL。EAL計算方法是首先給出EAL和每個參加計算的原子鐘的差：

②對EAL的頻率進行校準以與國際單位制SI秒定義一致。

③ 根據(jù)地球自轉(zhuǎn)速率在TAI添加閏秒以在時刻上盡量接近UT1，從而獲得UTC。閏秒的確定和發(fā)布由國際地球自轉(zhuǎn)服務組織（IERS）負責。

1.2 EAL的穩(wěn)定度

在計算UTC時，大約有89%是高性能的商用銫原子鐘或主動型氫原子鐘。近兩年來，在參與TAI計算的全球守時實驗室中所用的氫鐘增加了28%，而銫原子鐘的數(shù)量則沒有顯著增加。在時間尺度計算中采用的加權方法保證了EAL的長期穩(wěn)定性，為了防止EAL由少數(shù)非常穩(wěn)定的時鐘所控制，采用最大相對權重的辦法，每個月使用的最大相對權重取決于參與EAL計算的總的鐘數(shù)量。在2016年，平均來說大約有12%的鐘取到最大權，而幾乎所有這些鐘都是氫鐘。2014年啟用的改進加權算法的核心思想是基于時鐘頻率的可預測性，這種方法增強了氫原子鐘在自由原子時間尺度計算中的影響[3]；大概只有0.1%的銫鐘達到最大權。2016年底，用Allan偏差表征的EAL的穩(wěn)定度為3×10-16/30 d。截止2017年6月30日，全球共有74個守時實驗室的460余臺各類原子鐘參與TAI計算，國際時間工作合作更加緊密[3-4]。如圖1所示。

圖1 國際時間比對網(wǎng)及樞紐站

1.3 其他時間尺度UTCr和TT

為了比較UTCr和UTC，對每個守時實驗室的UTC和UTCr的差計算權重平均[3]：

②TT（BIPM）由國際天文學聯(lián)合會（IAU）定義，是地球時TT（Terrestrial Time）的實現(xiàn)。TT（BIPM）由國際權度局BIPM下一年年初計算，基于TAI頻率估計的加權得到。它主要用于需要長期頻率穩(wěn)定度和超高頻率準確度的科學應用，如脈沖星計時。

TAI是“實時”計算的結果，它不是TT的最優(yōu)實現(xiàn)。BIPM于是利用后處理方法追加計算一個TT（BIPMXX），其計算的原理是基于由基準頻標給出的TAI頻率估計值的加權平均，TT（BIPMXX）的單位與在旋轉(zhuǎn)大地水準面上的SI秒一致。理論上說，TT是統(tǒng)一的時間尺度，而TAI是統(tǒng)計方法導出的原子時，因此TT和TAI并不完全一致。在±10μs的容值范圍內(nèi)，二者的差是常數(shù)。其關系如下：

該常數(shù)偏差值是1958年1月1日TAI時間歷元時歷書時（ET）與世界時（UT1）偏差的估計值，TT可以被認為是TAI的理想形式。BIPM于2016年元月給出TT更新計算值TT（BIPM15），其有效期至2015年12月。最新版TT（BIPM16）使用2016年12月前所有一級和二級頻率標準的數(shù)據(jù)，所有頻率標準數(shù)據(jù)都加上了黑體輻射漂移改正。TT（BIPM16）和TT（BIPM15）的最大偏差是3.6 ns。在下一次更新計算前，用戶可以通過下式獲得TT的實現(xiàn)（在MJD 57 749后）[5-6]：

2 我國時間基準UTC(NTSC)系統(tǒng)及其性能分析

隨著原子鐘性能的提升和遠距離比對手段的發(fā)展進步，國際原子時歸算方法以及相應的工作規(guī)程在不斷發(fā)展、進步。UTC（NTSC）是國際時間UTC的物理實現(xiàn)，是國際原子時系統(tǒng)的最重要成員之一，NTSC的守時工作一直與國際原子時系統(tǒng)同步發(fā)展，與時俱進的守時工作保障了UTC（NTSC）性能的不斷提升和我國授時發(fā)播工作的發(fā)展和進步。

表1 UTC(k)相對于UTC的指標 ns

注：NTSC：中科院國家授時中心；NICT：日本通信與技術研究院；OP：法國巴黎天文臺；PTB：德國物理技術研究院；SU：俄羅斯國家時間中心；SP：瑞典國家技術研究中心；USNO：美國海軍天文臺；NIM：中國計量科學研究院

標準偏差計算公式如下：

3 北斗時間國際比對及其應用

我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間歷元2006年1月1日，UTC（NTSC）是北斗系統(tǒng)時間的溯源參考和BDT與國際標準時間UTC的橋梁。隨著北斗系統(tǒng)的建設和發(fā)展，為拓展北斗應用，國家授時中心時間基準實驗室基于我國時間基準UTC（NTSC）系統(tǒng)，采用北斗共視（Beidou common-view）法，通過與瑞典國家技術研究中心（RI.SE）所保持的瑞典國家標準時間UTC（SP）的比對（> 7 000 km），實現(xiàn)比對精度2.25ns，在北斗系統(tǒng)星座還不完善的情況下（目前在歐洲只能觀測到4顆衛(wèi)星）其性能與GPS共視相當。此次亞歐國際時間比對，為北斗比對正式納入國際原子時TAI歸算比對鏈路做了技術準備，對于北斗走向國際拓展應用具有重要價值和里程碑意義。圖2是2017年NTSC與瑞典SP間的北斗共視比對結果。

圖2 亞歐北斗共視比對

4 TAI的未來

隨著新型頻率標準和比對技術的發(fā)展，特別是可連續(xù)運轉(zhuǎn)可作為守時鐘的噴泉鐘的使用，TAI的形態(tài)可能面臨很大的沖擊[3]。同時，UTC定義的可能修訂也為現(xiàn)有全球時間體系帶來變數(shù)。在國際時間比對方面，隨著科學技術的發(fā)展，時間尺度的計算方法反映了新的科學方法和技術手段，TAI和UTC的形態(tài)應能滿足守時實驗室和用戶的需求。目前，支撐TAI全球比對網(wǎng)的主要是兩種獨立的技術：基于通信衛(wèi)星的衛(wèi)星雙向比對TWSTFT和基于導航衛(wèi)星的GNSS觀測。守時實驗室運行的GNSS觀測設備包括GPS或者GPS/GLONASS單頻、雙頻碼測量以及GPS相位測量。未來，隨著伽俐略、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的應用，將會為國際原子時比對網(wǎng)絡提供更多手段。目前，同時使用衛(wèi)星雙向和GNSS PPP的守時實驗室有十多個，其他實驗室使用GNSS觀測。當TWSTFT鏈路可用時，鐘差計算來源于某個守時實驗室和樞紐站間的直接比對結果，當雙向鏈路不可用時，用GNSS數(shù)據(jù)將實驗室和樞紐站連接起來[3]。目前國際原子時的這種比對結構，認為鐘差是不相關的，其結果是樞紐實驗室低估了其不確定度，所以目前估計的不確定度應該比實際值小。新的解決方案基于冗余系統(tǒng)，并考慮鐘的相關性，從而采用新的不確定度表征方法。而對于雙向比對，鏈路不確定度不變。

目前，GNSS觀測的時間穩(wěn)定度可以達到100 ps（1 d）或10-15頻率穩(wěn)定度，30 d可以達到300 ps和10-16，與衛(wèi)星雙向比對的性能相當。但衛(wèi)星雙向比對受限于信號強度、帶寬和昂貴的通訊衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器租賃費用。因此，未來的改進可能寄希望于GNSS技術的應用，比如使用能帶來更多測量的新系統(tǒng)和新的碼測量比如使用Galileo E5信號[3]，使用新的數(shù)據(jù)處理技術應該也能改進現(xiàn)有測量結果。由于UTC的不確定度主要來源于比對鏈路的不確定度，因此，比對技術的發(fā)展和進步將極大改進UTC的性能。另外也可以在一些有條件的實驗室間采用其他更精確的比對技術如光纖，從而實現(xiàn)更高的比對精度。期望使用一切可用的技術、方法和信息解決比對鏈路的冗余問題，以為TAI的建立提供更準確的解決方案[2]。

在時間尺度新定義方面，隨著準確度達10-17甚至更高原子鐘的出現(xiàn)，將必然導致對“秒”的重新定義。另外，2000年以來的關于閏秒問題的大討論已經(jīng)使全球時間體系出現(xiàn)分裂，也使各國原子時系統(tǒng)的未來充滿不確定性。2023年的世界無線電通信大會將可能接受關于UTC定義的修訂。這將對各國的授時服務造成極大的影響。對國際時間體系和未來參考時間尺度的形態(tài)的研究也將會一直進行下去。

[1] BIPM. BIPM RAPPORT ANNUEL POUR 1967[EB/OL]. (2016-08-10)(2017-09-26). ftp://ftp2.bipm.org//pub/tai/annual- reports/bih-annual-report/.

[2] 董紹武, 屈俐俐, 袁海波, 等. NTSC守時: 國際先進、貢獻卓絕[J]. 時間頻率學報, 2016, 39(3): 129-137.

[3] PETIT G, ARIAS F, PANFILO G. International atomic time: status and future challenges[J]. Comptes Rendus Physique, 2015, 16(5): 480-488.

[4] ZHAO Shu-hong, DONG Shao-wu, QU Li-li, et al. A new steering strategy for UTC(NTSC) based on hydrogen maser[C]//2016 IEEE International Frequency Control Symposium, 2016: 227-231.

[5] BIPM. BIPM Annual Report on Time Activities(2016)[EB/OL]. (2016-12-30)(2017-11-12). https://www.bipm.org/en/bipm/tai/annual-report.html.

[6] BIPM. BIPM Circular T[EB/OL]. (2017-05-26) (2017-09-26). http://www.bipm.org/jsp/en/TimeFtp.jsp?TypePub=Circular-T.

[7] 中國科學院國家授時中心時頻基準實驗室. 時間基準系統(tǒng)運行情況[K]. 2016.

[8] GUANG Wei, YUAN Hai-bo, DONG Shao-wu, et al.The evaluation of BeiDou time transfer performance[C]//2016 IEEE International Frequency Control Symposium, 2016: 1-4.

Progress of TAI and timekeeping work in NTSC

DONG Shao-wu1,2,3,WANG Yan-ping1,2, WU Wen-jun1,2, QU Li-li1,2, YUAN Hai-bo1,2, ZHAO Shu-hong1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

The generation and development of International atomic time scale (TAI) and the independent local atomic time scale TA(NTSC) are presented in this paper. The algorithm, work specifications and definition of TAI, as well as the progress and development of international time comparison techniques are introduced briefly. The progress and development of modern time service work in China are introduced, including timekeeping performance realized, international time link, traceability and time signal services.

TAI and UTC; UTC(CSAO); UTC(NTSC); time comparison; BDT

P127.1+2

A

1674-0637(2018)02-0073-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2018-02-0073-07

2017-11-09；

2017-12-28

國家自然科學基金資助項目（11473029，11703030，11773030）

董紹武，男，研究員，主要從事時間基準保持研究。