文/本刊記者 李 蘋

四川泰富研制“地基授時(shí)核心設(shè)備”
——光纖授時(shí)領(lǐng)先世界 地面北斗創(chuàng)未來

文/本刊記者 李 蘋

自黨的十八大和十八屆三中全會以來，特別是軍民融合深度發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略以來，軍民兩用技術(shù)作為軍民融合的關(guān)鍵因素，迎來了前所未有的發(fā)展空間，也為擁有軍民兩用技術(shù)的企業(yè)帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇。12月底，由中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院、軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品全國理事會主辦，“2016軍民融合企業(yè)峰會暨軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品全國理事會年會”在京成功舉行。來自軍方、軍工，以及社會各界的代表約350余人出席了本次盛會。

本次會上，數(shù)十家理事會成員單位攜其項(xiàng)目和需求來到大會現(xiàn)場，進(jìn)行了現(xiàn)場技術(shù)推介及演示。其中，四川泰富地面北斗科技股份有限公司的“超精密光纖授時(shí)技術(shù)產(chǎn)品”在大會現(xiàn)場進(jìn)行了軍民兩用新產(chǎn)品發(fā)布，并進(jìn)行了項(xiàng)目簽約。

高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)是國家的戰(zhàn)略資源，授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)已成為最重要的國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。目前，各國現(xiàn)有的星基授時(shí)系統(tǒng)（GPS/北斗系統(tǒng)）存在信號易被遮擋、干擾攻擊和出現(xiàn)故障時(shí)維護(hù)困難等問題。超精密光纖授時(shí)技術(shù)產(chǎn)品為解決以上問題提供了可靠的手段，可對我國國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

地基授時(shí)系統(tǒng)的重要性

時(shí)間作為七大基本物理量之一，用于描述物質(zhì)運(yùn)動變化的持續(xù)性和順序性，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的諸多領(lǐng)域。長期以來，我國的國防、軍事、通信、電力、金融、交通、廣播電視等部門諸多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的有效運(yùn)行與服務(wù)，都依賴于時(shí)間同步。比如：在移動通信系統(tǒng)中，基站之間必須保持嚴(yán)格的內(nèi)部時(shí)鐘，是通過GPS向電力自動化設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)提供授時(shí)信號。如果GPS發(fā)生故障，電力系統(tǒng)的發(fā)電和供電網(wǎng)絡(luò)就會亂套。電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)不可幸免。

隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的迅速發(fā)展，以及信息化程度的不斷提高，高精度時(shí)間頻率的需求與應(yīng)用與日俱增。高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)是國家戰(zhàn)略資源，授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)已成為最重要的國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。目前還沒有任何一種授時(shí)手段能夠確保時(shí)間的可靠性。近年來，GPS因其強(qiáng)大的授時(shí)定位導(dǎo)航功能，許多國家的政府、行業(yè)部門甚至對GPS產(chǎn)生了嚴(yán)重的依賴。我國現(xiàn)有的授時(shí)系統(tǒng)以星基授時(shí)系統(tǒng)（GPS/北斗）為主，但是存在著重大的安全隱患和固有技術(shù)的局限性。主要缺陷是衛(wèi)星授時(shí)信號易被遮擋，易受干擾和攻擊。

授時(shí)技術(shù)的戰(zhàn)略意義

“定位、導(dǎo)航和授時(shí)”（PNT，Positioning Navigation and Timing）服務(wù)對國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)而言，就像氧氣對人類一樣不可或缺。美國早在2004年頒發(fā)的《國家安全總統(tǒng)指令第39號指令》，明確要求：交通部和國土安全部開展“GPS”干擾監(jiān)測及緩解計(jì)劃，并研發(fā)PNT（地基授時(shí)、導(dǎo)航定位）備份能力。俄羅斯、歐盟緊隨其后。我國也在國發(fā)[2013]8號文件《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012—2030）》中：明確指出“解決未來網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)問題，為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展提供試驗(yàn)支撐；適時(shí)啟動新一代授時(shí)系統(tǒng)建設(shè)，支撐超精密時(shí)間頻率技術(shù)開發(fā)，逐步形成高精度衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)和高精度地基授時(shí)系統(tǒng)共同發(fā)展的格局?！笔跁r(shí)技術(shù)的戰(zhàn)略意義是不言而喻的。

為了促進(jìn)科技創(chuàng)新，匯聚發(fā)展新動能，加快轉(zhuǎn)型升級，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。四川泰富公司在國內(nèi)時(shí)間同步領(lǐng)域資深專家李忠文高級工程師的帶領(lǐng)下，經(jīng)過持續(xù)多年的研發(fā)，開創(chuàng)性地提出了光纖時(shí)延三點(diǎn)歸一算法，攻克了遠(yuǎn)距離異地再生UTC原子時(shí)技術(shù)、光纖時(shí)延在線監(jiān)測、光纖時(shí)延伺服鎖定及精確控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出地基授時(shí)核心設(shè)備——高精度時(shí)間頻率傳遞設(shè)備，成功解決了基于光纖網(wǎng)絡(luò)超長距離傳輸高精度時(shí)間頻率信號的技術(shù)難題，可以使光纖網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)授時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻率精度保持一致，是GPS替代技術(shù)的有效解決方案，為實(shí)現(xiàn)地基有線授時(shí)系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

我國地面授時(shí)技術(shù)國際領(lǐng)先

四川泰富公司立足科技創(chuàng)新，堅(jiān)持走產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新和合作發(fā)展的道路。2015年公司成立了院士（專家）工作站，由中國工程院鄔賀銓院士為首席專家，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心主任張首剛研究員等專家組成的技術(shù)咨詢團(tuán)，為公司的研發(fā)方向及戰(zhàn)略定位提供全方位的指導(dǎo)，為公司未來的發(fā)展提供持續(xù)強(qiáng)大的技術(shù)支撐和智力服務(wù)。

公司早在2014年就研制出“地基授時(shí)——高精度時(shí)間頻率同步傳遞設(shè)備”授時(shí)精度達(dá)到10納秒。成功地解決了基于光纖網(wǎng)絡(luò)超長距離傳輸高精度時(shí)間頻率信號的技術(shù)難題，使光纖網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)授時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻率精度保持一致，是替代GPS技術(shù)的有效方案。2014年10月由四川省科技廳組織的有兩院院士參加的鑒定會，對該公司研制的：地基授時(shí)高精度時(shí)間頻率傳遞設(shè)備，鑒定結(jié)論：“設(shè)備技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，目前國內(nèi)外尚無同類設(shè)備和產(chǎn)品?！辈⒔?jīng)過國家和軍隊(duì)權(quán)威機(jī)構(gòu)“國防科技工業(yè)第二計(jì)量測試研究中心”“工業(yè)和信息化部通信計(jì)量中心”的測試認(rèn)證。2015年“中國泰爾實(shí)驗(yàn)室”還進(jìn)行了遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)450公里的：光/電/光中繼傳輸測試，授時(shí)精度小于10納秒?！半娏I(yè)通信設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心”2016年5月又進(jìn)行了多節(jié)點(diǎn)、長距離傳輸測試，21臺設(shè)備級聯(lián)，光/電/光中繼傳輸2000公里，授時(shí)精度小于10納秒。目前該公司已完成1納秒數(shù)學(xué)模型建模和電腦仿真試驗(yàn)，正在進(jìn)行深入的P秒（1納秒等于1000P秒）級以及無線授時(shí)設(shè)備的研制。

一個(gè)名不見經(jīng)傳的小民營企業(yè)，能在重大科技項(xiàng)目：高精度地基授時(shí)技術(shù)領(lǐng)域，成為世界的領(lǐng)跑者，得益于一個(gè)老、中、青組成的高科技團(tuán)隊(duì)，對中央“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”精神領(lǐng)會貫徹的好，善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出規(guī)律，才攻克了“三點(diǎn)歸一算法”“遠(yuǎn)距離異地再生UTC原子時(shí)技術(shù)”“光纖在線監(jiān)測”“光纖時(shí)延伺服鎖定及精確控制”等關(guān)鍵技術(shù)。

2016年8月，四川泰富公司的參賽項(xiàng)目“通信基站GPS替代技術(shù)及產(chǎn)品”榮獲“首屆四川省科技工作者創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)菁英大賽”一等獎；2016年9月，四川泰富公司參賽項(xiàng)目“陸基高精度光纖授時(shí)系統(tǒng)”榮獲“第五屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽軍轉(zhuǎn)民大賽”二等獎。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國提供技術(shù)支持

我國已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)信息化時(shí)代。大數(shù)據(jù)、智慧城市、5G通信、交通、金融、電力、國防建設(shè)……方方面面對網(wǎng)絡(luò)的需求和要求提出了新的挑戰(zhàn)，大量的信息匯集、處理和輸送，對高精度時(shí)間頻率保持一致的授時(shí)技術(shù)要求也越來越高。

眾所周知，授時(shí)精度是決定天基北斗（GPS）和地基北斗導(dǎo)航定位的核心技術(shù)。由于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、定位等的先天不足，已經(jīng)引起各發(fā)達(dá)國家的重視。為實(shí)現(xiàn)“天地互補(bǔ)”，美國、歐盟、俄羅斯等多年前就開展了對高精度地基授時(shí)技術(shù)的研究。我國也不例外，在國發(fā)[2013]8號文件中明確提出“適時(shí)啟動新一代授時(shí)系統(tǒng)建設(shè)，支撐超精密時(shí)間頻率技術(shù)開發(fā)，逐步形成高精度衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)和高精度地基授時(shí)系統(tǒng)共同發(fā)展的格局”。為攻克地基高精度授時(shí)技術(shù)，四川泰富地面北斗公司組織專家多年來一直從事高精度地基授時(shí)技術(shù)研究并研制成功一系列時(shí)間頻率同步高度一致的“傳遞設(shè)備”，得到兩院院士參加的鑒定高度評價(jià)：“為建立高精度地基授時(shí)系統(tǒng)提供了關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)支撐。其關(guān)鍵技術(shù)包括：（1）光纖時(shí)延伺服鎖定及精確控制技術(shù)；（2）三點(diǎn)歸一算法。四川泰富公司的“零時(shí)延”傳遞技術(shù)可以使主從站之間的時(shí)延誤差與設(shè)備級聯(lián)次數(shù)無關(guān)，使每個(gè)授時(shí)點(diǎn)的時(shí)間頻率精度保持一致。其基本工作原理是，時(shí)鐘源將精確的時(shí)鐘信號傳遞給授時(shí)設(shè)備1，授時(shí)設(shè)備1將時(shí)間信號通過光纖傳輸給授時(shí)設(shè)備2，同時(shí)光纖時(shí)延伺服鎖定及精確控制系統(tǒng)會自動測量出授時(shí)設(shè)備1到授時(shí)設(shè)備2之間的光纖時(shí)延值以及授時(shí)設(shè)備內(nèi)部的時(shí)延，并自動進(jìn)行補(bǔ)償，從而使傳輸時(shí)延值近似為“0”，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的時(shí)間頻率精度都保持一致。

由于高精度地基授時(shí)系統(tǒng)可與天基授時(shí)系統(tǒng)互為備用和相互支撐，其應(yīng)用領(lǐng)域包括通信、電力、金融、軍事、國防、測繪、交通、廣播電視等。因此本科研成果具有非常廣闊的應(yīng)用前景?！本偷鼗跁r(shí)技術(shù)而言，我國處于飛躍領(lǐng)先的地位。美國空基軍用衛(wèi)星授時(shí)精度為10納秒，定位精度為2米；我國空基北斗授時(shí)精度為50納秒，定位精度為10米；四川泰富地面北斗公司2014年已實(shí)現(xiàn)地基授時(shí)精度10納秒、對應(yīng)定位精度為2米，目前正在向1納秒、P秒級授時(shí)精度進(jìn)發(fā)，對我國實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國提供了重要技術(shù)支持。

高精度授時(shí)“天地”互補(bǔ)的展望

基于光纖網(wǎng)絡(luò)的高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣泛，凡是星基授時(shí)系統(tǒng)（GPS/北斗衛(wèi)星）應(yīng)用的范圍，地基授時(shí)系統(tǒng)都能夠應(yīng)用，應(yīng)用范圍主要包括：通信、電力、金融、軍事、國防、測繪、交通、廣播電視等行業(yè)和領(lǐng)域的時(shí)間和頻率同步。

我國空基授時(shí)系統(tǒng)以“北斗”投入運(yùn)營服務(wù)為標(biāo)志，已經(jīng)形成規(guī)模體系，而地基授時(shí)系統(tǒng)國家也已明確以中科院為首組織有關(guān)單位積極展開工作。在國際和我國周邊大環(huán)境的不斷變化情況下，雖然天基北斗服務(wù)已成體系，但國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國防建設(shè)的需求，不論從安全性還是適用性，建立地基授時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩。

我國在地基授時(shí)技術(shù)研究方面較美國等西方國家起步較晚，但是黨中央和國務(wù)院都非常重視，特別是在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的鼓舞下，中國航天第十二研究院組織了多場全國性軍民兩用技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽，一些民營企業(yè)在大賽中脫穎而出，如四川泰富地面北斗公司，在地基授時(shí)技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)超越了西方發(fā)達(dá)國家。所研制的高精度時(shí)間頻率傳遞設(shè)備，為建成地基高精度授時(shí)系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)，做到“天地”互補(bǔ)的高精度授時(shí)已經(jīng)水到渠成。