董紹武,王燕平,武文俊,屈俐俐,袁海波,趙書紅
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國(guó)際原子時(shí)及NTSC守時(shí)工作進(jìn)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(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600;2. 中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600;3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院,北京 101048)
介紹了國(guó)際原子時(shí)(TAI)、協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)以及我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的產(chǎn)生和發(fā)展。簡(jiǎn)要介紹了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的定義、國(guó)際時(shí)間比對(duì)技術(shù)的發(fā)展、TAI和UTC計(jì)算方法、工作規(guī)范的發(fā)展和未來(lái)可能的形態(tài)。介紹了我國(guó)原子時(shí)工作的歷史和發(fā)展,以及時(shí)間基準(zhǔn)保持性能、國(guó)際比對(duì)及溯源和時(shí)間信號(hào)服務(wù)方面的最新進(jìn)展。
TAI和UTC;UTC(CSAO);UTC(NTSC);國(guó)際比對(duì);北斗時(shí)
現(xiàn)代守時(shí)工作的標(biāo)志是基于原子秒長(zhǎng)的時(shí)間尺度的建立以及原子鐘在守時(shí)工作中的廣泛使用。有正式記載的國(guó)際原子時(shí)(International Atomic Time,TAI)工作可追溯到1967年,根據(jù)國(guó)際時(shí)間局(BIH)年報(bào)《BIH RAPPORT ANNUEL POUR 1967》記載[1],當(dāng)時(shí)只有包括美英法德的12個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室參與TAI的歸算,在這期BIH年報(bào)上登載的信息很少,主要是1966年的數(shù)據(jù)和時(shí)間信號(hào)發(fā)播臺(tái)站信息。隨著原子鐘性能的提高以及遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間比對(duì)手段的出現(xiàn),國(guó)際原子時(shí)TAI的計(jì)算方法、工作規(guī)范不斷完善并持續(xù)改進(jìn)。伴隨天文學(xué)、物理學(xué)等自然科學(xué)學(xué)科的發(fā)展,它們對(duì)于時(shí)間尺度的穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。過去的半個(gè)世紀(jì)中,全世界實(shí)際使用的時(shí)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(shí)UT,過渡到目前穩(wěn)定度達(dá)幾×10-14/d甚至更高的原子時(shí)TA。為科學(xué)應(yīng)用提供具有高穩(wěn)定性的時(shí)間系統(tǒng),是世界上所有的時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的共同任務(wù)。近50年來(lái),原子鐘的準(zhǔn)確度由最初10-11到目前鍶原子光鐘10-18,遠(yuǎn)距離時(shí)間比對(duì)精度由羅蘭系統(tǒng)的微秒量級(jí)發(fā)展到目前衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(TWSTFT)和GNSS精密單點(diǎn)定位(PPP)的亞納秒級(jí),精度提升了1萬(wàn)倍。
我國(guó)陸基無(wú)線電長(zhǎng)、短波授時(shí)服務(wù)所依賴的時(shí)間基準(zhǔn)UTC(CSAO)系統(tǒng)建成于20世紀(jì)70年代末,其縮寫CSAO表示中國(guó)科學(xué)院陜西天文臺(tái),是中科院國(guó)家授時(shí)中心(NTSC)的前身。據(jù)1980年的國(guó)際時(shí)間局年報(bào)(BIH1980)記載,當(dāng)年全球共有45個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室參與國(guó)際原子時(shí)TAI和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(Coordinated Universal Time)的歸算和保持。當(dāng)時(shí),由中科院陜西天文臺(tái)建立和保持的我國(guó)時(shí)間基準(zhǔn)UTC(CSAO)系統(tǒng)由3臺(tái)銫鐘和兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)氫鐘組成,其原子鐘差數(shù)據(jù)已經(jīng)正式參與國(guó)際原子時(shí)TAI歸算,國(guó)際時(shí)間鏈路采用Loran-C西北太平洋鏈(9970-Y)時(shí)號(hào)接收實(shí)現(xiàn)。1987年國(guó)際時(shí)間局年報(bào)(BIH Annual Report for 1987)已經(jīng)正式發(fā)布了我國(guó)綜合原子時(shí)TA(JATC)的數(shù)據(jù),當(dāng)時(shí)JATC系統(tǒng)由包括中科院陜西天文臺(tái)(CSAO)、中科院上海天文臺(tái)(SO)、中科院北京天文臺(tái)(BAO)、中科院武漢物理所(WTO)以及北京無(wú)線電計(jì)量研究院BIRM的約22臺(tái)各類原子鐘共同歸算,是最早實(shí)現(xiàn)原子鐘資源共享,異地聯(lián)合守時(shí)的典范。上世紀(jì)90年代初,CSAO在國(guó)內(nèi)率先啟用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的遠(yuǎn)距離時(shí)間比對(duì)技術(shù)——GPS共視時(shí)間比對(duì),進(jìn)行國(guó)際比對(duì)。
四十多年來(lái),UTC(NTSC)連續(xù)、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行并不斷進(jìn)步和發(fā)展,守時(shí)性能不斷改進(jìn)、作用不斷拓展。目前UTC(NTSC)是全球最重要守時(shí)系統(tǒng)之一,對(duì)國(guó)際原子時(shí)歸算的權(quán)重貢獻(xiàn)連續(xù)多年排在全球前三位,為國(guó)際時(shí)間工作做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí),UTC(NTSC)為我國(guó)的授時(shí)服務(wù)工作做出了卓絕貢獻(xiàn)[2],滿足了我國(guó)各個(gè)時(shí)期戰(zhàn)略導(dǎo)彈、衛(wèi)星發(fā)射等國(guó)防軍工任務(wù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及科學(xué)研究對(duì)精密時(shí)間的需要。進(jìn)入新時(shí)期,隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè),UTC(NTSC)作為北斗時(shí)間的溯源參考和備份,為北斗系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證、性能評(píng)估以及建設(shè)和運(yùn)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(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),為了推動(dòng)北斗系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用,開展了UTC(NTSC)與歐洲守時(shí)實(shí)驗(yàn)室UTC()間的洲際比對(duì)試驗(yàn)并取得初步結(jié)果。我國(guó)北斗系統(tǒng)未來(lái)將作為國(guó)際原子時(shí)國(guó)際比對(duì)手段之一對(duì)全球時(shí)間工作做出貢獻(xiàn)。
國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)(IAU),國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟(URSI)和國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR,后來(lái)的國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通訊局ITU-R)分別于1967,1969和1970年建議由當(dāng)時(shí)的國(guó)際時(shí)間局(BIH)統(tǒng)一歸算基于原子時(shí)間長(zhǎng)度的國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),該國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)在1971年的第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)決議中,被最終命名為國(guó)際原子時(shí)TAI。
從1988年起,由國(guó)際權(quán)度局(BIPM)時(shí)間部負(fù)責(zé)國(guó)際原子時(shí)TAI和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的歸算,代替原來(lái)BIH的工作。時(shí)間部門用來(lái)計(jì)算時(shí)間尺度的算法是一個(gè)迭代過程,產(chǎn)生自由原子尺度EAL并進(jìn)而得到TAI和UTC。一直以來(lái),BIPM采用ALGOS(加權(quán)平均)計(jì)算EAL,ALGOS也經(jīng)歷了多次的改進(jìn)和發(fā)展,其目的是提高EAL的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和TAI的準(zhǔn)確性[3]。
當(dāng)前,BIPM每個(gè)月計(jì)算一次國(guó)際參考時(shí)間尺度。計(jì)算步驟如下:
①基于分布于全球的自由運(yùn)轉(zhuǎn)的原子鐘(截止2017年6月30日約460臺(tái))的加權(quán)平均計(jì)算出自由原子時(shí)EAL。EAL計(jì)算方法是首先給出EAL和每個(gè)參加計(jì)算的原子鐘的差:
②對(duì)EAL的頻率進(jìn)行校準(zhǔn)以與國(guó)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(shí)刻上盡量接近UT1,從而獲得UTC。閏秒的確定和發(fā)布由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(IERS)負(fù)責(zé)。
在計(jì)算UTC時(shí),大約有89%是高性能的商用銫原子鐘或主動(dòng)型氫原子鐘。近兩年來(lái),在參與TAI計(jì)算的全球守時(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)間尺度計(jì)算中采用的加權(quán)方法保證了EAL的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,為了防止EAL由少數(shù)非常穩(wěn)定的時(shí)鐘所控制,采用最大相對(duì)權(quán)重的辦法,每個(gè)月使用的最大相對(duì)權(quán)重取決于參與EAL計(jì)算的總的鐘數(shù)量。在2016年,平均來(lái)說(shuō)大約有12%的鐘取到最大權(quán),而幾乎所有這些鐘都是氫鐘。2014年啟用的改進(jìn)加權(quán)算法的核心思想是基于時(shí)鐘頻率的可預(yù)測(cè)性,這種方法增強(qiáng)了氫原子鐘在自由原子時(shí)間尺度計(jì)算中的影響[3];大概只有0.1%的銫鐘達(dá)到最大權(quán)。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(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的460余臺(tái)各類原子鐘參與TAI計(jì)算,國(guó)際時(shí)間工作合作更加緊密[3-4]。如圖1所示。
圖1 國(guó)際時(shí)間比對(duì)網(wǎng)及樞紐站
為了比較UTCr和UTC,對(duì)每個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的UTC和UTCr的差計(jì)算權(quán)重平均[3]:
②TT(BIPM)由國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)定義,是地球時(shí)TT(Terrestrial Time)的實(shí)現(xiàn)。TT(BIPM)由國(guó)際權(quán)度局BIPM下一年年初計(jì)算,基于TAI頻率估計(jì)的加權(quán)得到。它主要用于需要長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度和超高頻率準(zhǔn)確度的科學(xué)應(yīng)用,如脈沖星計(jì)時(shí)。
TAI是“實(shí)時(shí)”計(jì)算的結(jié)果,它不是TT的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)。BIPM于是利用后處理方法追加計(jì)算一個(gè)TT(BIPMXX),其計(jì)算的原理是基于由基準(zhǔn)頻標(biāo)給出的TAI頻率估計(jì)值的加權(quán)平均,TT(BIPMXX)的單位與在旋轉(zhuǎn)大地水準(zhǔn)面上的SI秒一致。理論上說(shuō),TT是統(tǒng)一的時(shí)間尺度,而TAI是統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)出的原子時(shí),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(guān)系如下:
該常數(shù)偏差值是1958年1月1日TAI時(shí)間歷元時(shí)歷書時(shí)(ET)與世界時(shí)(UT1)偏差的估計(jì)值,TT可以被認(rèn)為是TAI的理想形式。BIPM于2016年元月給出TT更新計(jì)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(jí)和二級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù),所有頻率標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算前,用戶可以通過下式獲得TT的實(shí)現(xiàn)(在MJD 57 749后)[5-6]:
隨著原子鐘性能的提升和遠(yuǎn)距離比對(duì)手段的發(fā)展進(jìn)步,國(guó)際原子時(shí)歸算方法以及相應(yīng)的工作規(guī)程在不斷發(fā)展、進(jìn)步。UTC(NTSC)是國(guó)際時(shí)間UTC的物理實(shí)現(xiàn),是國(guó)際原子時(shí)系統(tǒng)的最重要成員之一,NTSC的守時(shí)工作一直與國(guó)際原子時(shí)系統(tǒng)同步發(fā)展,與時(shí)俱進(jìn)的守時(shí)工作保障了UTC(NTSC)性能的不斷提升和我國(guó)授時(shí)發(fā)播工作的發(fā)展和進(jìn)步。
表1 UTC(k)相對(duì)于UTC的指標(biāo) ns
注:NTSC:中科院國(guó)家授時(shí)中心;NICT:日本通信與技術(shù)研究院;OP:法國(guó)巴黎天文臺(tái);PTB:德國(guó)物理技術(shù)研究院;SU:俄羅斯國(guó)家時(shí)間中心;SP:瑞典國(guó)家技術(shù)研究中心;USNO:美國(guó)海軍天文臺(tái);NIM:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式如下:
我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間歷元2006年1月1日,UTC(NTSC)是北斗系統(tǒng)時(shí)間的溯源參考和BDT與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC的橋梁。隨著北斗系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展,為拓展北斗應(yīng)用,國(guó)家授時(shí)中心時(shí)間基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室基于我國(guó)時(shí)間基準(zhǔn)UTC(NTSC)系統(tǒng),采用北斗共視(Beidou common-view)法,通過與瑞典國(guó)家技術(shù)研究中心(RI.SE)所保持的瑞典國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(SP)的比對(duì)(> 7 000 km),實(shí)現(xiàn)比對(duì)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(cè)到4顆衛(wèi)星)其性能與GPS共視相當(dāng)。此次亞歐國(guó)際時(shí)間比對(duì),為北斗比對(duì)正式納入國(guó)際原子時(shí)TAI歸算比對(duì)鏈路做了技術(shù)準(zhǔn)備,對(duì)于北斗走向國(guó)際拓展應(yīng)用具有重要價(jià)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(duì)結(jié)果。
圖2 亞歐北斗共視比對(duì)
隨著新型頻率標(biāo)準(zhǔn)和比對(duì)技術(shù)的發(fā)展,特別是可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可作為守時(shí)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(shí),UTC定義的可能修訂也為現(xiàn)有全球時(shí)間體系帶來(lái)變數(shù)。在國(guó)際時(shí)間比對(duì)方面,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,時(shí)間尺度的計(jì)算方法反映了新的科學(xué)方法和技術(shù)手段,TAI和UTC的形態(tài)應(yīng)能滿足守時(shí)實(shí)驗(yàn)室和用戶的需求。目前,支撐TAI全球比對(duì)網(wǎng)的主要是兩種獨(dú)立的技術(shù):基于通信衛(wèi)星的衛(wèi)星雙向比對(duì)TWSTFT和基于導(dǎo)航衛(wèi)星的GNSS觀測(cè)。守時(shí)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的GNSS觀測(cè)設(shè)備包括GPS或者GPS/GLONASS單頻、雙頻碼測(cè)量以及GPS相位測(cè)量。未來(lái),隨著伽俐略、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用,將會(huì)為國(guó)際原子時(shí)比對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供更多手段。目前,同時(shí)使用衛(wèi)星雙向和GNSS PPP的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室有十多個(gè),其他實(shí)驗(yàn)室使用GNSS觀測(cè)。當(dāng)TWSTFT鏈路可用時(shí),鐘差計(jì)算來(lái)源于某個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室和樞紐站間的直接比對(duì)結(jié)果,當(dāng)雙向鏈路不可用時(shí),用GNSS數(shù)據(jù)將實(shí)驗(yàn)室和樞紐站連接起來(lái)[3]。目前國(guó)際原子時(shí)的這種比對(duì)結(jié)構(gòu),認(rèn)為鐘差是不相關(guān)的,其結(jié)果是樞紐實(shí)驗(yàn)室低估了其不確定度,所以目前估計(jì)的不確定度應(yīng)該比實(shí)際值小。新的解決方案基于冗余系統(tǒng),并考慮鐘的相關(guān)性,從而采用新的不確定度表征方法。而對(duì)于雙向比對(duì),鏈路不確定度不變。
目前,GNSS觀測(cè)的時(shí)間穩(wěn)定度可以達(dá)到100 ps(1 d)或10-15頻率穩(wěn)定度,30 d可以達(dá)到300 ps和10-16,與衛(wèi)星雙向比對(duì)的性能相當(dāng)。但衛(wèi)星雙向比對(duì)受限于信號(hào)強(qiáng)度、帶寬和昂貴的通訊衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器租賃費(fèi)用。因此,未來(lái)的改進(jìn)可能寄希望于GNSS技術(shù)的應(yīng)用,比如使用能帶來(lái)更多測(cè)量的新系統(tǒng)和新的碼測(cè)量比如使用Galileo E5信號(hào)[3],使用新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)該也能改進(jìn)現(xiàn)有測(cè)量結(jié)果。由于UTC的不確定度主要來(lái)源于比對(duì)鏈路的不確定度,因此,比對(duì)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步將極大改進(jìn)UTC的性能。另外也可以在一些有條件的實(shí)驗(yàn)室間采用其他更精確的比對(duì)技術(shù)如光纖,從而實(shí)現(xiàn)更高的比對(duì)精度。期望使用一切可用的技術(shù)、方法和信息解決比對(duì)鏈路的冗余問題,以為TAI的建立提供更準(zhǔn)確的解決方案[2]。
在時(shí)間尺度新定義方面,隨著準(zhǔn)確度達(dá)10-17甚至更高原子鐘的出現(xiàn),將必然導(dǎo)致對(duì)“秒”的重新定義。另外,2000年以來(lái)的關(guān)于閏秒問題的大討論已經(jīng)使全球時(shí)間體系出現(xiàn)分裂,也使各國(guó)原子時(shí)系統(tǒng)的未來(lái)充滿不確定性。2023年的世界無(wú)線電通信大會(huì)將可能接受關(guān)于UTC定義的修訂。這將對(duì)各國(guó)的授時(shí)服務(wù)造成極大的影響。對(duì)國(guó)際時(shí)間體系和未來(lái)參考時(shí)間尺度的形態(tài)的研究也將會(huì)一直進(jìn)行下去。
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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11473029,11703030,11773030)
董紹武,男,研究員,主要從事時(shí)間基準(zhǔn)保持研究。