時間基準(zhǔn)的現(xiàn)在和未來

蔡志武,袁海波,張升康

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094;2.中國科學(xué)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(zhǔn)的現(xiàn)狀

1.1 理論定義

時間基準(zhǔn)通常指的是在國際、國家、地區(qū)或某個領(lǐng)域被公眾所認(rèn)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?xí)r間基準(zhǔn)或與時間基準(zhǔn)保持一致。通常情況下,時間基準(zhǔn)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(xié)調(diào)世界時(temps universel coordonné/coordinated universal time, UTC)是當(dāng)今世界生產(chǎn)生活等日常活動的時間基準(zhǔn),在國際上它被廣泛認(rèn)可,同時還具有法定效力和最高的綜合性能。

時間基準(zhǔn)一般需要通過具體的時間系統(tǒng)來代表,時間系統(tǒng)通常需要對時間的產(chǎn)生方式、表達(dá)形式、物理實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行具體明確的規(guī)范。從存在形式來看,有些時間系統(tǒng)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(tǒng)的定義包含時間單位長度、時間起點(diǎn)、時間的計量方式等內(nèi)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(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能?，F(xiàn)代科學(xué)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(xiàn)代科學(xué)的角度上看,要定義秒,首先需要深刻地認(rèn)識什么是時間。

時間是科學(xué)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(zhì)運(yùn)動的順序性、持續(xù)性的參數(shù),時間是絕對的、平直的,與物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)、與所處的空間位置無關(guān);在愛因斯坦相對論體系下的時空觀中,時間與物質(zhì)的運(yùn)動速度相關(guān),與所處的空間位置是相關(guān)的,與空間的質(zhì)量分布和引力場大小是相關(guān)的。

當(dāng)前,相對論時空觀是認(rèn)識和定義時間和空間的理論基礎(chǔ)。對于地球或近地空間而言,需要重點(diǎn)關(guān)注的時間系統(tǒng)主要有地心坐標(biāo)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(chǔ)上定義的主要以理論形態(tài)存在的時間系統(tǒng),TAI是基于原子鐘建立的原子時系統(tǒng),UT1是基于地球自轉(zhuǎn)建立的天文時間系統(tǒng),UTC是綜合TAI和UT1基礎(chǔ)上形成的協(xié)調(diào)時。為什么要建立這么多的時標(biāo),這些時標(biāo)之間的聯(lián)系與區(qū)別又是什么呢?這里給出作者的幾點(diǎn)初步認(rèn)識和觀點(diǎn)。

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(zhì)運(yùn)動和空間位置的相關(guān)性,但相對論本身并沒有給出一個具體的、統(tǒng)一的、方便使用的時間系統(tǒng)的具體定義,這樣不方便開展科學(xué)研究和理論分析,為此,科學(xué)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(xué)研究和探索活動。TCG和TT可以認(rèn)為是符合相對論理論體系、又比較好地適應(yīng)近地空間的各類物質(zhì)運(yùn)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(jīng)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(shí)現(xiàn),而在人類日常的科研、生產(chǎn)等活動當(dāng)中往往又需要一個物理的、可見的、可用的時間系統(tǒng),這樣方便協(xié)調(diào)和統(tǒng)一各類活動。為此,20世紀(jì)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(chǔ)建立了國際原子時TAI,這樣就形成了一個具有物理實(shí)現(xiàn)的時間系統(tǒng),方便世界各國在物理上統(tǒng)一時間。TAI與TT的關(guān)系又是什么呢?TAI可以認(rèn)為是物理時間尺度的代表,TT可以認(rèn)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(rèn)為TAI就是TT的一種高精度的物理實(shí)現(xiàn),未來可能還會存在關(guān)于TT的其他形式的物理實(shí)現(xiàn)。

3)為什么需要UTC和UT1。在原子時系統(tǒng)出現(xiàn)以前,科學(xué)上主要是依靠地球自轉(zhuǎn)運(yùn)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(chǔ)上扣除了地球極移影響,是原子時出現(xiàn)以前應(yīng)用較多的時間系統(tǒng)。在原子時系統(tǒng)出現(xiàn)以后,原子時系統(tǒng)就成為當(dāng)時物理實(shí)現(xiàn)水平最高的時間系統(tǒng),此時,一部分科學(xué)家們認(rèn)為時間系統(tǒng)應(yīng)該建立在更高精度的原子時系統(tǒng)上,也有一部分科學(xué)家們認(rèn)為地球上的時間系統(tǒng)不應(yīng)與地球自轉(zhuǎn)脫離聯(lián)系,而且UT1在天文、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,為此,形成了一套折中的方案,即結(jié)合TAI的秒長和UT1的時刻的優(yōu)勢,建立了協(xié)調(diào)世界時UTC,并沿用至今。

由此可見,多個時間系統(tǒng)是在歷史發(fā)展的過程中形成的,不同的時間系統(tǒng)有不同的產(chǎn)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(lǐng)域,可采用不同的時間系統(tǒng)。

1.2 時間單位的計量定義

時間是一個基本物理量,是當(dāng)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(xué)、計量學(xué)、測量學(xué)等領(lǐng)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(shí)施,時間定義修改主要由國際電信聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

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

當(dāng)前,在計量學(xué)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(chǔ)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(xì)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(jù)2018年11月16日第26屆國際計量大會包括中國在內(nèi)53個成員國的集體表決,全票通過關(guān)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(dá)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(dá)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(shù)上,由這些自然常數(shù)組成的通用的測量基礎(chǔ),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(shí)現(xiàn)

這里重點(diǎn)闡述TAI和UTC的物理實(shí)現(xiàn)過程。

(1)國際原子時的物理實(shí)現(xiàn)方式

為保持全世界時間尺度的統(tǒng)一,BIPM聯(lián)合數(shù)十個國家和地區(qū)的時頻實(shí)驗室來共同建立統(tǒng)一的國際原子時,即TAI。目前,全世界約有80多個守時實(shí)驗室、400多臺原子鐘、10多臺頻率基準(zhǔn)裝置參與TAI的時間比對和綜合原子時計算[3]。這些實(shí)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(diǎn)定位等時間比對方法完成原子鐘之間的時差測量并將數(shù)據(jù)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(jié)果。

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

為滿足生產(chǎn)、生活、國防建設(shè)多方面的需要,世界上許多國家都通過國內(nèi)的守時實(shí)驗室建立和產(chǎn)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(shí)驗室主要有中國科學(xué)院國家授時中心、中國計量科學(xué)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(yīng)的地方原子時。

當(dāng)前,TAI是最高性能的具有物理實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)時標(biāo),也是UTC等其他時標(biāo)的基礎(chǔ),TAI的綜合性能要求主要體現(xiàn)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(zhǔn)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(zhǔn),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(biāo)。

可靠性主要體現(xiàn)在時間系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上,時間系統(tǒng)必須保障長期的正常運(yùn)行,才能提供有效的時間參考基準(zhǔn)。TAI是通過全世界的數(shù)十個鐘組共同保持,不會因為個別鐘組故障而影響系統(tǒng)整體功能,可靠性能夠得到充分的保障。

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

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(quán)平均的方法而設(shè)計的,當(dāng)前,TAI的頻率穩(wěn)定性優(yōu)于5×10-16(20～40 d)。

頻率準(zhǔn)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(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn),TAI通過與頻率基準(zhǔn)裝置的比對和修正,來保證與原子時秒SI的高度一致性,當(dāng)前,TAI的頻率不確定性優(yōu)于1×10-15。

(2)協(xié)調(diào)世界時的物理實(shí)現(xiàn)方式

協(xié)調(diào)世界時是在世界時和原子時之間,通過“協(xié)調(diào)”產(chǎn)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(diào)整方式使之與世界時盡量接近。

在1972年以后,UTC的“協(xié)調(diào)”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(shù)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(bǔ)日期,如果有必要,每個月末最后1s都可實(shí)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(fù)閏秒,如圖2所示。

圖2 正閏秒與負(fù)閏秒時序關(guān)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(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航電文信息中提取,當(dāng)前的閏秒信息如圖3所示。

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

UTC的實(shí)現(xiàn)和發(fā)布也是由BIPM負(fù)責(zé),UTC和TAI的實(shí)現(xiàn)過程基本相同,需要在TAI的基礎(chǔ)上增加必要的閏秒調(diào)整。傳統(tǒng)的UTC結(jié)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(shí)驗室同時也建立了本地的UTC,以方便為本國提供時間系統(tǒng)服務(wù)。

2 時間基準(zhǔn)的未來發(fā)展

2.1 理論定義的發(fā)展

時間基準(zhǔn)的理論定義未來將繼續(xù)保持現(xiàn)有含義,但實(shí)現(xiàn)時間基準(zhǔn)的物理裝置會隨著技術(shù)更新而不斷變化,時間基準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)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(shù)的發(fā)展和時間應(yīng)用需求共同推動的。當(dāng)前的秒定義是原子秒,是定義在銫原子能級躍遷一定數(shù)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(shí)現(xiàn)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(dāng)前不同領(lǐng)域使用的主要時間系統(tǒng)包含TT、TAI 和UTC等,這些時間系統(tǒng)都是建立在秒定義的基礎(chǔ)上,因此秒定義的變化對時間系統(tǒng)的影響需進(jìn)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(shí)現(xiàn)秒長的物理方式的改變,即采用更加穩(wěn)定準(zhǔn)確的秒長實(shí)現(xiàn)技術(shù),確保未來秒長的更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。當(dāng)前常見的守時型銫原子鐘、氫原子鐘以及作為基準(zhǔn)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(zhǔn)頻率,都是微波鐘。銫原子噴泉鐘作為當(dāng)前微波鐘里頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度領(lǐng)先的原子鐘,其頻率準(zhǔn)確度已進(jìn)入10-16量級,頻率穩(wěn)定度已進(jìn)入10-16量級。鍶光鐘、鐿光鐘等則是以原子的光學(xué)波段共振頻率作為時間頻率基準(zhǔn)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(dá)到比微波鐘更高的頻率準(zhǔn)確性和頻率穩(wěn)定性。

未來新的“秒”定義將會給整個科學(xué)領(lǐng)域甚至社會的方方面面帶來改變。鑒于當(dāng)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(fù)現(xiàn)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(xué)波段的躍遷頻率為參考建立的原子鐘,光鐘是工作在光學(xué)頻率上的,要將其引入日常的以電信號為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)中,需要將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換到微波信號,只有這樣才可和現(xiàn)代電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接,滿足實(shí)際應(yīng)用需求[4-5]。解決了應(yīng)用問題,還需要考慮如何將光鐘復(fù)現(xiàn)的秒長與在現(xiàn)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(xiàn)了,那就是當(dāng)前有多種類型光鐘,選擇哪一種光鐘作為秒定義物理實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)裝置,都體現(xiàn)了秒定義的發(fā)展趨勢?？傮w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(shí)現(xiàn)的秒定義也越來越準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

(2)TT定義發(fā)展的考慮

TT是由國際天文聯(lián)合會在相對論框架下定義的適合于近地空間的時間系統(tǒng),通常用作從地球表面進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(yīng)用,符合從地球開展天體觀測和天文測量的應(yīng)用需求,其和TAI關(guān)系固定后,其使用更加便捷。在當(dāng)前秒定義和秒長實(shí)現(xiàn)條件下,TT的概念近期沒有出現(xiàn)更改或重新定義的必要。

(3)未來TAI的產(chǎn)生

秒定義的改變,是不改變秒長情況下、實(shí)現(xiàn)秒定義的物理方式的改變,實(shí)際就是基準(zhǔn)鐘的變化。如果秒定義從現(xiàn)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(zhǔn)鐘,也就是未來的時間以及頻率標(biāo)準(zhǔn)。

對于TAI來說,其產(chǎn)生過程預(yù)計不會有太大變化,還是基于全球n個實(shí)驗室的m臺原子鐘進(jìn)行綜合計算得到自由原子時(échelle atomique libre/free atomic scale,EAL),通過基準(zhǔn)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(chǎn)生方式,那么同樣不會改變UTC的產(chǎn)生方式。需要解釋的是,當(dāng)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(nèi),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(nèi)連續(xù)的時間尺度,將可能影響UTC的定義方式和產(chǎn)生方式,但UTC產(chǎn)生總體過程和現(xiàn)階段不會有太大變化,只是在基準(zhǔn)鐘校頻時采用新定義的基準(zhǔn)鐘,即某一型號的光鐘,未來UTC產(chǎn)生過程如圖4所示。

圖4 未來UTC的產(chǎn)生過程Fig.4 Generation process of future UTC

UTC是當(dāng)前國際通用的時間參考,預(yù)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(diào)整而變大。閏秒改革問題是國際時間頻率領(lǐng)域最為重大的熱點(diǎn)問題之一,閏秒調(diào)整改革,意味著協(xié)調(diào)世界時和世界時關(guān)聯(lián)方式的改變,甚至是脫鉤,調(diào)整后對導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域有著明顯的益處,能夠防止破壞導(dǎo)航與通信系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行,但調(diào)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(jìn)而可能造成相關(guān)實(shí)驗研究無法順利開展。閏秒改革問題比較復(fù)雜,如有興趣,可參閱相BIPM網(wǎng)站、ITU網(wǎng)站以及相關(guān)文獻(xiàn)資料。

2.2 未來時間基準(zhǔn)的物理實(shí)現(xiàn)

(1)秒定義實(shí)現(xiàn)裝置

當(dāng)前秒定義實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)鐘、守時鐘,都是基于銫原子超精細(xì)能級躍遷對外輻射穩(wěn)定微波頻率的特性實(shí)現(xiàn)原子鐘。當(dāng)前作為基準(zhǔn)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(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)。

未來隨著秒定義的變化,作為基準(zhǔn)鐘的原子鐘必然出現(xiàn)相應(yīng)的變化。雖然光鐘被認(rèn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn),都需要考慮如何將光頻信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)輸出的電信號,以便電子系統(tǒng)使用。當(dāng)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(zhǔn)確度。這樣既發(fā)揮了光鐘優(yōu)勢,又可以依賴微波鐘產(chǎn)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(chǔ)研究等領(lǐng)域的作用,發(fā)達(dá)國家都非常重視其研究和發(fā)展。當(dāng)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(lǐng)先的是美國的葉軍團(tuán)隊和日本東京大學(xué)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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Ins-titute of Standards and Technology, NIST)的鋁離子光鐘的不確定性達(dá)到9.4×10-19、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)的鐿離子光鐘的不確定性達(dá)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(lián)合實(shí)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(dá)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(dá)到了1.4×10-18。國內(nèi)方面,中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院國家授時中心、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)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(jìn)展。目前已有多臺光鐘的不確定度達(dá)到了10-18量級,加入了上述國際第一方陣。其中,據(jù)已公開發(fā)表的文獻(xiàn),中國計量科學(xué)研究院實(shí)現(xiàn)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(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院實(shí)現(xiàn)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(xué)院國家授時中心鍶原子光晶格鐘不確定度已經(jīng)優(yōu)于5.7×10-17。中國計量科學(xué)研究院和中國科學(xué)院國家授時中心都獨(dú)立完成了光鐘輸出頻率通過國際原子時溯源到當(dāng)前秒定義的工作。

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

(2)未來時間基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn),我們?nèi)匀恍枰紤]本地守時系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)有閏秒機(jī)制條件下,BIPM計算的TAI和當(dāng)下計算過程預(yù)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(shí)驗室的時間比對鏈路數(shù)據(jù)、內(nèi)部原子鐘比對數(shù)據(jù)等,采用適當(dāng)?shù)脑訒r計算方法,計算EAL;第二步,比較EAL和作為基準(zhǔn)鐘的光鐘的相對頻偏(可采用分布于各實(shí)驗室的多臺光鐘),校準(zhǔn)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(zhǔn)鐘的光鐘在UTC產(chǎn)生過程中主要起到了校頻作用,但需說明的是,若未來基準(zhǔn)鐘具備連續(xù)運(yùn)行的條件,則不僅可以用于對EAL進(jìn)行校頻,還可以直接參與到守時系統(tǒng)中來。

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

3 我國時間基準(zhǔn)發(fā)展的幾點(diǎn)建議

20年來,在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的牽引帶動下,我國的時間基準(zhǔn)相關(guān)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(jìn)步,建立了用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間參考系和時間參考系,在突破星載原子鐘技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步具備了主動氫鐘、小型磁選態(tài)和光抽運(yùn)銫鐘、銫原子噴泉鐘的研發(fā)能力,基本具備了時間基準(zhǔn)系統(tǒng)的自主建設(shè)供給能力。面向下一代更高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和國家時空體系建設(shè)要求,還需進(jìn)一步加大基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)與試驗以及體系應(yīng)用研究力度,滿足未來智能化時代國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對精密時空應(yīng)用的迫切需求。

3.1 基礎(chǔ)研究

加強(qiáng)時空參考系的自主觀測和服務(wù)。時空參考系是時間基準(zhǔn)建立的基礎(chǔ),當(dāng)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(shù)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(dāng)前的國際形勢,我國應(yīng)加大自主時空參考系的觀測、模型構(gòu)建和應(yīng)用能力研究,建設(shè)形成自主的時空參考系觀測運(yùn)行服務(wù)能力。

進(jìn)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(zhǔn)的理論參考,在實(shí)際應(yīng)用過程中,TT的理論計算模型還與地球重力場、地球自轉(zhuǎn)速度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度有關(guān),這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(dá)10-18以上量級的光頻標(biāo)建立時間基準(zhǔn)時,當(dāng)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(zhǔn)應(yīng)用需求,有必要進(jìn)一步加強(qiáng)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(gòu)建更高精度時間基準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

3.2 技術(shù)試驗

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

加強(qiáng)分布式時間基準(zhǔn)模式構(gòu)建和技術(shù)驗證。經(jīng)過多年的建設(shè),我國已建成多套守時系統(tǒng),并參與UTC合作,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、中國空間站等空間設(shè)施部署了大量高性能原子鐘,充分發(fā)揮我國守時系統(tǒng)和空間原子鐘資源,加強(qiáng)分布式時間基準(zhǔn)模式研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)驗證,對于構(gòu)建精準(zhǔn)統(tǒng)一、安全可靠的國家時間基準(zhǔn)具有重要的意義。

3.3 體系應(yīng)用

加強(qiáng)時間基準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用的頂層設(shè)計,提升時間基準(zhǔn)服務(wù)體系的協(xié)調(diào)性、兼容性和安全性。我國的時間基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)對外提供服務(wù)的方式主要包括北斗衛(wèi)星授時、地基無線電授時、網(wǎng)絡(luò)授時等,各授時系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)主體不同,接入時間基準(zhǔn)源頭不同,提供的時間服務(wù)存在偏差。建立統(tǒng)一融合的時間基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò),可為各授時服務(wù)系統(tǒng)提供多點(diǎn)接入的高精度時間基準(zhǔn),可有效提升授時系統(tǒng)服務(wù)的兼容性和安全性;加強(qiáng)用時終端的頂層設(shè)計,提升標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化水平,加強(qiáng)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(wù)能力,對于保障各領(lǐng)域時頻應(yīng)用的精確性和安全性具有重要作用。