光纖授時讓時間傳遞更“硬核”！高精度時間如何應(yīng)用于未來？

科普時報記者 史詩

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

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

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

10皮秒意味著什么

時間“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)點向前移動了12位。時間傳遞穩(wěn)定度達到10皮秒量級，說明‘北京時間’的授時精度達到了千億分之一秒?！敝袊茖W(xué)院國家授時中心副研究員陳江告訴科普時報記者。

時間無處不在，但普通人往往對授時沒有概念，很難了解高精度時間的價值。“這一成果將現(xiàn)有的授時精度提升了1000倍?！标惤f，我們熟知的飛機、軍艦、戰(zhàn)車、導(dǎo)彈等，都可以通過計算信號從衛(wèi)星到自身所用的時間來確定自身位置、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26馬赫（8800米/秒）。為了能精確打擊目標(biāo)，導(dǎo)彈對于時間精度的要求也要達到千分之一秒，稍有0.3秒的偏差，就會偏離打擊目標(biāo)2.6公里。而作為防御，攔截導(dǎo)彈對于時間精度的要求更是要達到萬分之一秒。

彌補衛(wèi)星授時的不足

授時就是把國家標(biāo)準(zhǔn)時間，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間頻率信號傳輸手段?！?陳江說，光纖時間傳遞系統(tǒng)是整個高精度地基授時系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是目前應(yīng)用前景最好、傳遞精度最高的授時手段。

目前，廣泛應(yīng)用的是衛(wèi)星授時系統(tǒng)，比如美國的GPS和我國的北斗?！靶l(wèi)星授時的優(yōu)點是覆蓋廣、成本低，但隨著發(fā)展需要，衛(wèi)星授時精度的提升也遇到了瓶頸?！标惤忉屨f，衛(wèi)星授時可靠性相對較低。比如，衛(wèi)星授時接收機需要從開放的空間接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號，容易受到來自地面以及低空的無線電干擾，將影響授時精度及可靠性。

陳江說，利用光纖傳遞時間頻率信號的精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過衛(wèi)星授時?！肮饫w授時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)化的光纖授時系統(tǒng)，大大增強該授時系統(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)保駕護航

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

光纖鏈路傳遞過程中，難免會遇到逐級累加的噪聲干擾。“團隊突破了凈化技術(shù)，消除引入的噪聲?！标惤f。

為保障整個系統(tǒng)的可靠運轉(zhuǎn)，穩(wěn)定的光源必不可少。陳江透露，團隊研制低相噪超穩(wěn)光源作為傳遞光源，采用光纖光頻級聯(lián)傳遞技術(shù)，一舉實現(xiàn)了長距離站點間高精度的光學(xué)頻傳遞。

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

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