科普時(shí)報(bào)記者 史詩

陽光照耀晷針，在巨石圓盤面上投射出清晰的針影。時(shí)光在日晷的轉(zhuǎn)動(dòng)中靜靜流淌，不疾不徐，步履不停。

時(shí)間標(biāo)注著事件發(fā)生瞬間和持續(xù)歷程，是目前測(cè)量精度最高、應(yīng)用最廣的物理量。日前，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心牽頭承擔(dān)的“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”研制與建設(shè)任務(wù)取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)完成了西安至太原段1839千米雙纖雙路時(shí)間傳遞系統(tǒng)的設(shè)備安裝和性能測(cè)試，標(biāo)志著我國建成了全球首個(gè)10皮秒級(jí)穩(wěn)定度的1000千米級(jí)光纖時(shí)間傳遞工程應(yīng)用系統(tǒng)。

從日晷、沙漏，到機(jī)械鐘、石英鐘，再到今天的原子鐘，未來的高精度地基授時(shí)系統(tǒng)……時(shí)間之爭(zhēng)，只爭(zhēng)毫厘。

10皮秒意味著什么

時(shí)間“嘀嗒”，就是我們常說的1秒?！?皮秒等于1萬億分之一秒，相當(dāng)于將1秒的小數(shù)點(diǎn)向前移動(dòng)了12位。時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到10皮秒量級(jí)，說明‘北京時(shí)間’的授時(shí)精度達(dá)到了千億分之一秒?！敝袊茖W(xué)院國家授時(shí)中心副研究員陳江告訴科普時(shí)報(bào)記者。

時(shí)間無處不在，但普通人往往對(duì)授時(shí)沒有概念，很難了解高精度時(shí)間的價(jià)值?！斑@一成果將現(xiàn)有的授時(shí)精度提升了1000倍。”陳江說，我們熟知的飛機(jī)、軍艦、戰(zhàn)車、導(dǎo)彈等，都可以通過計(jì)算信號(hào)從衛(wèi)星到自身所用的時(shí)間來確定自身位置、校正航向。

陳江舉例說，洲際彈道導(dǎo)彈的最快飛行速度已達(dá)26馬赫（8800米/秒）。為了能精確打擊目標(biāo)，導(dǎo)彈對(duì)于時(shí)間精度的要求也要達(dá)到千分之一秒，稍有0.3秒的偏差，就會(huì)偏離打擊目標(biāo)2.6公里。而作為防御，攔截導(dǎo)彈對(duì)于時(shí)間精度的要求更是要達(dá)到萬分之一秒。

彌補(bǔ)衛(wèi)星授時(shí)的不足

授時(shí)就是把國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過有線和無線的技術(shù)手段發(fā)播給用戶?！肮饫w授時(shí)是一種新興的、以光纖作為傳輸信道，以激光作為信息載體的高精度時(shí)間頻率信號(hào)傳輸手段。” 陳江說，光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)是整個(gè)高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是目前應(yīng)用前景最好、傳遞精度最高的授時(shí)手段。

目前，廣泛應(yīng)用的是衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)，比如美國的GPS和我國的北斗。“衛(wèi)星授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋廣、成本低，但隨著發(fā)展需要，衛(wèi)星授時(shí)精度的提升也遇到了瓶頸。”陳江解釋說，衛(wèi)星授時(shí)可靠性相對(duì)較低。比如，衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)需要從開放的空間接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，容易受到來自地面以及低空的無線電干擾，將影響授時(shí)精度及可靠性。

陳江說，利用光纖傳遞時(shí)間頻率信號(hào)的精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過衛(wèi)星授時(shí)?！肮饫w授時(shí)可以較好地兼容光纖通信系統(tǒng)，并依托光纖通信網(wǎng)，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化的光纖授時(shí)系統(tǒng)，大大增強(qiáng)該授時(shí)系統(tǒng)的可靠性與抗打擊能力，滿足各類用戶需求?！?/p>

創(chuàng)新性技術(shù)保駕護(hù)航

為了能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的高精度時(shí)間同步，團(tuán)隊(duì)在實(shí)際光纖鏈路上鋪了一張“大網(wǎng)”。這張復(fù)合組網(wǎng)，將鏈路上的站點(diǎn)串聯(lián)，以多用戶技術(shù)為基礎(chǔ)，避免了站點(diǎn)間時(shí)間同步的傳遞誤差不斷累積。

光纖鏈路傳遞過程中，難免會(huì)遇到逐級(jí)累加的噪聲干擾?！皥F(tuán)隊(duì)突破了凈化技術(shù)，消除引入的噪聲?！标惤f。

為保障整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定的光源必不可少。陳江透露，團(tuán)隊(duì)研制低相噪超穩(wěn)光源作為傳遞光源，采用光纖光頻級(jí)聯(lián)傳遞技術(shù)，一舉實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離站點(diǎn)間高精度的光學(xué)頻傳遞。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，光纖授時(shí)系統(tǒng)采用的是雙線傳輸，鏈路上的任意授時(shí)站點(diǎn)都可以接收來自上、下游兩個(gè)方向傳來的時(shí)間頻率信號(hào)?！翱紤]到華北和華南地區(qū)的光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置多個(gè)光纖授時(shí)路由，減少單點(diǎn)線路故障導(dǎo)致的授時(shí)信號(hào)中斷現(xiàn)象的發(fā)生。”陳江說。

陳江介紹，我國未來要建設(shè)國際上首個(gè)線路總長(zhǎng)約20000千米、時(shí)間同步精度達(dá)到100皮秒和頻率傳遞穩(wěn)定度達(dá)到19量級(jí)的高精度光纖授時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)。那時(shí)，在壯美的祖國山河上，高精度時(shí)間頻率有望搭乘光纖，在更多重大科技平臺(tái)上大展拳腳。