科学周刊|为国授时 这一重大科技基础设施即将建成

　　时间如水，从古到今一直在流淌。

　　时间的本质到底是什么？在中国科学院国家授时中心副主任、时间频率专家李孝辉看来，时间就是人创造出来的一个坐标，为了比较事件发生的先后次序。

　　而现代社会高速发展对精密时间提出越来越高的需求，正是国家之所以要建设长短波授时系统、高精度地基授时系统这两个重大科技基础设施的重要原因。

　　如今，前者已在运行，后者正在实施，预计今年年底建成，将成为国际上规模最大、性能最高、功能最完善的地基授时系统。西安也即将成为时空科技的前沿研究中心。

　　▲中国科学院国家授时中心副主任、时间频率专家李孝辉（华商报大风新闻记者 马虎振 摄）

　　>>为什么要建设高精度地基授时系统？

　　短波授时精度不够，长波授时不能实现全国土覆盖，卫星授时信号微弱易受干扰和欺骗

　　中国科学院国家授时中心是我国唯一的专门、全面从事时间频率基础研究和技术研发的科研机构，承担国家标准时间（北京时间）的产生、保持和发播任务，运行着我国最早的重大科技基础设施长短波授时系统，正在建设“十三五”重大科技基础设施高精度地基授时系统。同时还基于时间频率测量，开展卫星导航系统研究工作，是我国北斗系统和国家PNT体系建设的一支重要力量。

　　▲中科院国家授时中心时间科学馆里展陈的有周总理批示的珍贵文件（华商报大风新闻记者 马虎振 摄）

　　▲中科院国家授时中心院内介绍长短波授时系统的展板（华商报大风新闻记者 马虎振 摄）

　　李孝辉副主任介绍，长短波授时系统已建成四十多年，承担着我国标准时间的产生、保持和长短波授时发播任务，为我国火箭、卫星、战略武器等空间发射任务，及国民经济和国防建设连续可靠提供授时服务，并代表国家参加国际原子时合作。

　　“短波授时台覆盖半径为3000公里、授时精度为毫秒量级；长波授时台地波覆盖半径为1000公里、授时精度为微秒量级。但毫秒、微秒精度很快就满足不了需求了，国家又建了低频时码授时系统、卫星导航系统等，形成了以长波授时和卫星授时为主的多手段授时服务体系。”

　　“卫星授时虽然是应用广泛的高精度授时手段，授时精度为10纳秒量级，但卫星信号非常微弱，易受干扰和欺骗，地面上手机大小的干扰器就可以干扰几十公里范围，存在安全隐患；另外高楼林立的大城市和森林密集地区卫星信号易受遮挡，无法提供授时服务。同时，卫星导航授时系统具有重要军用价值，是军事打击目标，非常时期无法保障授时服务。”

　　2016年1月，美国全球定位系统GPS授时跳变，带来一系列问题：美国和加拿大警方、消防和EMS的无线电设备停止运转，欧洲电信网络出现故障，英国广播公司电台连续2天停播，英国电网系统也受影响部分出现故障。

　　“解决的办法是使用长波授时系统。相对来说，长波授时是较安全的授时手段，长波授时系统覆盖区的平均信号强度是卫星授时的130万倍，很难被干扰，这是一种保护国家安全的手段。但它也有缺点：授时信号不能实现全国土覆盖，且授时精度仅为微秒量级，不能与卫星授时融合互补。”

　　所以，还需要进一步改进授时安全、提高授时精度。

　　2009年，中国提出空间站光钟及高精时频实验系统建议。

　　2012年，中国提出天空地一体化安全授时方案。

　　2016年，为进一步提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度，国家批准建设与星基授时系统相对独立、互补增强、融合共用的高精度地基授时系统。

　　主要包括——

　　增补完善长波授时系统，实现长波授时信号的全国土覆盖，重点区域授时精度优于百纳秒；

　　建设光纤授时系统，利用通信光纤网建设覆盖主要城市和重要用户的高精度光纤时频传递骨干网，时间传递精度优于百皮秒，频率传递精度达到E-19量级。

　　设施建成后，与星基授时系统一起构成我国星地一体化授时系统，可为精密测量物理、精密时频技术等科学研究提供重要实验平台，支撑经济社会和国家安全的长远发展。

　　>>高精度地基授时系统包含哪些内容？

　　在西安建设运控中心、在西部三个地方建设长波授时台

　　建设20000多公里长的通信光纤连接重要城市及重要用户

　　▲中科院国家授时中心院内介绍高精度地基授时系统的展板（华商报大风新闻记者 马虎振 摄）

　　李孝辉副主任介绍，高精度地基授时系统是“十三五”国家重大科技基础设施，在第十四个五年规划和2035年远景目标纲要中，将其列为“战略导向型”国家重大科技基础设施。

　　该系统主要包括三个部分：

　　一是西安运控中心，具体包括长短波授时与光纤授时的运行控制中心、数据共享与服务中心、研究发展中心。

　　二是长波授时，在我国西部的甘肃敦煌、新疆库尔勒、西藏那曲增建3个长波授时台，与现有授时台一起实现长波授时信号的全国土覆盖，提高国家授时安全；建设世界最大范围的差分网，175个差分站将重点地区授时精度由1微秒提高到100纳秒，实现长波授时与卫星授时相互补充。

　　三是光纤授时，利用通信光纤连接北京、西安、武汉、上海、昆明、乌鲁木齐等重要城市及重要用户，建成世界上距离最长（20000公里以上）、精度最高的光纤授时骨干网。

　　2022年，中国空间站时频实验系统发射，精确的原子钟部署在中国空间站。

　　在我国提出高精度地基授时系统建设后，发达国家相继跟进，提出了类似的建设计划。

　　2017年，美国“重启罗兰计划”，用长波授时提高授时安全；

　　2018年，欧洲提出光纤授时CLONETS计划，美国《国家安全与弹性授时法案》推进地基授时；

　　2020年，英国启动地基授时的“国家授时中心”建设。

　　>>高精度地基授时系统建设进展如何？

　　将于2026年验收目前进展顺利

　　在西藏那曲竖起来全世界海拔最高的长波授时天线

　　敦煌授时台已经开始不定期的发播

　　李孝辉副主任介绍，如今我国的高精度地基授时系统将于今年验收，目前进展顺利：

　　运控中心部分， 2025年年底前运控中心已建设完成。

　　长波授时部分，2024年9月30日敦煌长波授时台已实现试发播。已完成首批差分基准站建设，完成差分授时性能测试，差分精度优于50纳秒（RMS），优于系统指标。授时精度提高到百纳秒级，具备与北斗相互增强、相互备份能力。结合已有长波授时台站，已经可以实现长波授时信号全国土覆盖。“要知道，西藏那曲是中国海拔最高的城市，平均海拔4600米以上，此前还从未有人能在这个高度建起来授时台的。建授时台的第一步是把北京时间送到这个地方，高精度地送过去，这样才能实现授时发播。我们做了一个国家标准时间远程复现设备，这套设备经历过-20℃的低温、4600米的高海拔、第三方计量和多方比测，不单在这个系统用，其他的地方也用。国内已部署了一些地方，有上百用户，巴基斯坦、白俄罗斯也有我们这个系统。”

　　光纤授时部分，已完成西安-北京段、西安-合肥段建设，实现了时间、微波、光频信号的全系统、全功能传输。其中，2023年10月24日完成的“西安-北京”光纤时间传递链路建设，实现了全球首个十皮秒长距离实地光纤时间传递系统，时间传递准确度优于0.1纳秒。

　　总的来说，高精度地基授时系统分别利用长波无线电授时技术和光纤授时技术的高可靠、高精度特征，建设与卫星导航授时相互独立、相互备份、相互补充、相互增强的地基授时系统，与现有其他授时系统一起构建立体交叉、统一溯源、安全可控、性能先进的国家级授时系统，可以更好地支撑经济社会运行和相关科技发展、更好地保障国家安全。

　　>>依托高精度地基授时系统取得了哪些成果？

　　近两年，在国际标准时间中权重达到世界第二

　　近两年，北京时间准确度达到世界第一

　　初步实现全方位、多层次、安全可靠授时服务体系

　　李孝辉副主任介绍，国家授时服务需要24小时连续不断、安全可靠地为不同空间、不同状态、不同需求的用户，通过各种技术手段向用户提供高精度的国家标准时间信号。经过近60年的发展，我国已建成目前世界上技术手段最为完备的国家授时系统，授时精度从开始的毫秒级（千分之一秒）到了如今的十皮秒级（千亿分之一秒），提高了8个数量级，处于世界领先水平。

　　依托长短波授时系统、高精度地基授时系统等设施，取得了一系列成果——

　　圆满完成授时任务，支撑经济发展、空间发射和国防建设等国家重大需求。长短波授时服务在满足国民经济各部门授时需求的同时，重点承担了国家重大航天发射及战略武器试（实）验任务的授时保障任务，确保在执行国家重大授时保障任务中零阻断。

　　建成了我国世界时自主测量与服务系统，摆脱对国外数据的依赖。世界时反映地球自转角度的变化，与地极坐标等一起被称为地球自转参数，是建立和维护高精度大地测量坐标系的基础，也是天文学和地球物理学的基本参数，同时也是卫星导航、深空探测、战略武器发射等必需参数。但三十年来我国世界时使用国际地球自转与参考系服务组织提供的数据时就出现过问题，“卫星要发射了，航天器要入轨了，正需要世界时的时候，国际上提供世界时的网站不通了。我们提出了宽带VLBI、北斗iGMAS和数字天顶望远镜DZT融合测量方法，动态优化选权方法，发挥不同测量手段特点，通过融合解算，实现高精度、连续可靠测量；提出基于不同时间跨度的分段世界时预报方法，精度提高了20%以上。目前，我国唯一的世界时测量服务系统已通过技术能力认可，保障了天问一号、嫦娥五号、嫦娥六号等国家重大任务实施。该系统可通过专线、互联网、短波授时等五种手段，分级别为不同用户服务。”

　　国际原子时计算权重排名，从第十升到了第二。“1980年，我们加入国际标准时间的合作。中国有个标准时间，国际上也有个标准时间。国际标准时间是根据每个国家优秀的原子钟来计算的，你的原子钟好、处理控制得好，给你的权重就大一些，也就是说国际标准时间对你的信任就大一些。一个国家的权重越大，国际标准时间就跟你的标准时间越接近。我们的权重1980年时并不大，约排在第十；2024年，我们在国际原子时计算权重中排到了第二。”

　　北京时间性能逐渐上升，近两年准确度为世界第一。“我们的时间准确度性能2013年是9.5ns，之后时间的准确度在一步步提高。“如果按近五年统计来算，时间偏差最大值、时间偏差RMS、30天频率稳定度这三项指标，美国的前两项为1.8ns、0.6ns，排名第一；但时间不仅要准，还要稳，其30天频率稳定度为3.34E-16，排在第三。德国30天稳定度排在世界第一，但前两个指标均排在第三。中国这三个指标分别为2.2ns、0,66ns、3.32E-16，虽然这三个指标我们没有一个是第一，但我们都是第二。”从2014年1月到现在，我们的准确度一直是1.4纳秒，排名世界第一。俄罗斯、法国、德国、美国排在第二、第三、第四、第五。”

　　为我国北斗、长河系统等重大系统提供高精度标准时间溯源。为北斗卫星导航等提供可靠的高精度标准时间溯源，有力支撑了军民各类系统高精度时间频率应用。“北斗系统时间基准（北斗时）溯源于协调世界时，采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00时00分00秒。北斗时通过中国科学院国家授时中心保持的UTC，即UTC（NTSC）与国际UTC建立联系，与UTC的偏差保持在50纳秒以内（模1秒），北斗时与UTC之间的闰秒信息在导航电文中发播。”

　　依托设施开展系列原子钟研制，国家标准时间自主可控。成功研制国际首款光抽运小铯钟产品，核心指标优于美国磁选态小铯钟，终结了美国独家垄断；铷原子喷泉守时钟从2022年10月起在国际原子时计算中连续取权，秒稳定度、天稳定度指标国际领先；铯原子喷泉基准钟2024年4月起获国际权度局认可，用于校准国际标准时间，铯原子喷泉基准钟运行率国际领先，频率不确定度国际先进；自主研制锶原子光晶格钟，使中国成为继美国之后，第二个实现光晶格钟性能（频率稳定度和不确定度）优于2×10-18的国家，进一步提升了我国在国际光钟领域的话语权和影响力。

　　依托设施，初步实现了全方位、多层次、安全可靠授时服务体系。美国《国家弹性授时体系架构》评价说，中国代表了全球最为完整的导航定位授时体系架构。

　　“2023年9月5日，美国GPS WORLD网站发文：《中国在研的高精度地基授时系统—美国的一个担心》，文中称，这是中国领先美国的又一例证。2024年3月28日，《纽约时报》刊文说：‘美国和中国正在太空和地球展开新的竞赛，以争夺一种基础性资源：时间。美国正在这场竞争中落败。在美国落后的地方（光纤授时），中国走在了前面，正在建设世界上最大、最先进、最精确的授时系统。’”

▲央视报道截图

　　了解了近年来我国时间科技取得的巨大成就之后，记者印象最深的一句话是“对时间精度掌握的程度，决定着深空探索的远度”。航天人常说“我们的未来是星辰大海”，从大尺度时间来看，人类离开地球并非只是科幻。从这个意义上来说，对时间科技的研究深度、对精细时间的把握程度，正好决定着人类的未来。

　　回望过去，展望未来，时间科技馆主题墙上的几句话概括得非常形象：

　　时间，是一条长河，从远古流向未来。

　　时间，是空气和水，滋养着现代社会文明。

　　时间，是一种文字，正在书写着数字化的地球。

　　华商报大风新闻记者 马虎振（图表及敦煌长波授时台实现试发播照片为中科院国家授时中心提供）

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