中国科学院国家授时中心承担着我国标准时间的产生、保持和授时发播任务,并代表我国参加国际原子时合作。长短波授时系统是我国重大科技基础设施之一,是国家不可或缺的基础性工程和社会公益设施。上世纪70年代,系统建成投入运行以来,一直为国家国防试验、空间技术、测绘、地震、交通、通信、气象、地质等诸多行业和部门提供着可靠的国家标准时间和标准频率服务,并为我国航天技术领域的火箭、卫星发射等提供高精度授时服务保障,特别是2009年长波授时系统现代化改造项目完成后,系统整体技术水平得到大幅提高,尤其是时间基准保持系统和长波授时系统的性能指标已跻身国际先进水平。
长短波授时系统主要由时间基准保持系统、BPL长波授时发播台和BPM短波授时发播台组成。BPL长波授时系统和BPM短波授时系统是将时间基准系统产生的标准时间频率信号通过长短波发射出去,用户通过长短波定时接收机接收授时信号进行精确定时。
时间基准保持达到国际先进水平
时间基准保持系统主要由高性能原子钟组、高精度时间频率测量比对和控制系统及高精度国际时间比对系统组成。主要负责我国地方原子时TA(NTSC)、地方协调世界时UTC(NTSC)的产生和保持,并代表国家参加国际原子时合作。同时同我国相关单位合作建有我国综合协调世界时UTC(JATC)系统;同国际权度局BIPM间建有GPS共视比对系统,每月向BIPM提供原子钟比对数据,每年参加BIPM组织的GPS共视接收机时延标校工作;同日本国家情报和通信技术研究所(NICT)、法国巴黎天文台(OP)、德国物理技术实验室(PTB)和荷兰VLS实验室建有高精度卫星双向时间比对系统,与德国物理技术实验室(PTB)间的高精度卫星双向时间比对数据纳入了国际原子时计算;目前,共有23台高性能原子钟(其中HP5071A铯原子钟19台,MHM-2010和SOHM氢原子钟各2台)用于时间基准保持工作和参加国际原子时计算。
2009年度,国家授时中心所保持的我国地方协调世界时UTC(NTSC)综合指标均排在全球69个时间实验室前列,达到国际一流水平,在为我国重要授时系统提供发播时间基准同时,成为国际原子时系统重要时间实验室并为其发挥重要作用。其各项技术指标如下(数据资料来自国际权度局BIPM发表的T公报):
时间基准中长期稳定度:2009年,在全球69个时间保持实验室中,国家授时中心时间频率基准实验室所保持的地方原子时TA(NTSC)中长期稳定度综合指标排在全球守时实验室的第3~4位。
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注:CH-瑞士联合实验室;F-法国国家联合实验室;NICT-国家情报和通信技术研究所;NIST-美国国家标准与技术研究所;NTSC-中国科学院国家授时中心;PTB-德国物理技术实验室;TL-台湾电信实验室;USNO-美国海军天文台。
UTC(NTSC)控制精度:2009年度,国家授时中心UTC(NTSC)的控制精度(RMS)处于国际第2位,仅次于美国海军天文台。
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主要实验室UTC(k)的控制精度(RMS)
UTC(NTSC)与国际协调世界时偏差:2009年由国家授时中心所保持的地方协调世界时UTC(NTSC)与国际协调世界时UTC的偏差,即|UTC-UTC(NTSC)|<20ns,优于国际电联ITU要求的|UTC-UTC(i)|<100ns的要求,2009年,国际上|UTC-UTC(k)|< 20 ns的实验室只有7个。
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全球主要守时实验室UTC(k)的控制情况
在国际原子时中占有权重:2009年度国家授时中心时间基准系统原子钟组对国际原子时TAI归算占有7%的钟权重,排在全球守时实验室的第3位,为全球最重要的守时实验室之一。
国家授时中心(NTSC)原子钟组目前在国际原子时的权重如下图所示。
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国家授时中心原子钟组参加国际原子时计算权重
BPL长波授时自主授时发播能力达到国际先进水平
BPL长波授时系统是我国上世纪七十年代建成的第一个罗兰-C专用授时系统,授时信号覆盖我国大部分陆地和近海海域,授时精度达到微秒量级。
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![文本框: 罗兰-c脉冲信号波形图](./W020110923596147647582.gif)
![P1010491](./W020110923596147641147.jpg)
![文本框: 现代化技术改造后的BPL长波授时发播台](./W020110923596147643150.gif)
受我国上世纪七十年代科学技术水平的限制,原BPL发播系统发射机采用电子管发射机,耗能大,工作效率低,每天只能定时发播8小时。不具有数字调制发播功能,授时发播信号中没有时码信息,用户只能借用短波授时信号粗同步后才能实现精确定时,对用户使用带来极大不便。
为进一步提升BPL长波授时功能和性能,从2006年开始,国家授时中心对BPL系统进行了全面技术改造。
技术改造于2008年底全面完成,2009年元月10日开始已用新系统提供授时服务,并于2010年元月通过中科院组织项目验收。
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![文本框: 全固态发射机主机图](./W020110923596147657207.gif)
在改造中国家授时中心重视科研成果与新技术应用,使改造后的BPL系统功能和性能指标均得到大幅提升,主要体现在以下几个方面:
一是发播信号时刻控制精度得到大幅提升,使发射机输出信号时刻与时间基准TUC(NTSC)信号同步不确定度由原±300ns提升到±20ns以内;二是选用了技术更加先进的全固态发射机;三是实现了自主授时功能。增加了时码发播、授时脉冲信号时刻数据发播功能,新研制了数字解调定时接收机,建立了电波传播时延数据库和研制了自动修正软件等,用户接收机使现了全自动定时(只需为接收机输入天线坐标),使我国在罗兰-c自主授时方面,达到国际领先水平。
通过2年多的发播运行,BPL技术改造取得完满成功。在实现每天24小时连续发播、时码发播、自主授时、与长河二号信号兼容同时,系统耗能效率约为原系统3倍,天线辐射信号功率由原平均1100kw提升到1300kw以上,授时信号年平均阻断由原5‰提升到3‰,授时信号波形一致性、稳定性、可靠性均得到大幅提升。在为用户提供更加稳定可靠便捷授时服务同时,为我国今后罗兰-c系统的发展打下坚实技术基础。
目前,国家长短波授时系统的硬件设备算不上国际一流,然而,通过科技人员创新性和扩展性的研究工作,以及科研人员对时间频率很好的驾驭和控制能力,使得我国守时授时技术都达到了国际先进水平。国家授时中心已成为国际权度局(BIPM)国际原子时计算主要成员,时频基准实验室已成为国际有较大影响的实验室,是国际卫星双向比对(TWSTFT)工作组成员,被国家工信部国际电联办确定为国际电信联盟(ITU)第七工作组7A国内对口工作组组长单位。
随着我国北斗卫星导航系统的发展,只要进一步发掘BPL长波授时系统、BPM短波授时系统、长河二号系统、时间基准TUC(NTSC)系统的潜能和作用,发挥军民融合作用,就一定会构成我国更加稳定、可靠、具有国际水平的时间频率保障体系。