超高精度時間頻率同步及其應用

超高精度時間頻率同步及其應用

京準電子科技官微——ahjzsz

1、引言

時間這是最早被人類意識到的同時也是最神祕的一個基本物理量。從古時代人們的日出而作，日落而息，到地心說和日心說，再到相對論和宇宙大爆炸理論，人類從未停止過對時間本質與起源的探求。另一方面，如何不斷地提高“時間”這一基本物理量的測量精度，也一直是人類不懈追求的重要目標之一。早在18 世紀，為爭奪海上霸權，解決遠距離航海定位(經度)的難題，歐洲各國都在積極尋找海上精確守時的辦法。最終，一位英國鐘錶匠約翰·哈里森(John Harrison)發明了航海鍾，首次使鐘擺的擺動頻率擺脫了重力影響，大大提高了航海過程中的時間測量精度，從而使安全的長距離海上航行成為可能。在一定程度上，這也是日後英國成為“日不落帝國”的根本原因所在。

在此之後，隨著現代高精度原子鐘的快速發展，時間測量的精度已經遙遙領先於其他物理量的測量精度，時間因而成為測量精度最高的基本單位。1967年，國際度量衡大會通過了新的國際單位制原子秒的定義——位於海平面上的銫(133Cs)原子基態的兩個超精細能級在零磁場中躍遷振盪9192631770週期所持續的時間為1 秒(定義中的銫原子在溫度為0 K時必須是靜止的)，這標誌著時頻計量由天文基準過度到量子基準。極高的測量精度和可直接傳遞的特性也使時頻計量成為其他計量向量子基準轉化的先導；1983年，國際計量大會(CGPM)會議重新定義長度計量單位“米”為光在真空中1/299792458秒所傳播的距離。長度和時間的這種密切關係已被廣泛應用於衛星定位系統，例如全球定位系統(GPS)以及我國的北斗系統。在衛星定位系統中，星載鍾之間的時間同步精度決定了定位精度。為了提高定位精度，一方面要提高星載守時鐘的穩定度和準確度，更重要的則是提高整個系統的時間同步精度。

超高精度時間頻率同步的重要性不僅僅體現在導航領域，而且在基礎科學、天文觀測、國防安全、通訊以及金融等領域，精密授時與同步均有著廣泛而重要的應用。本文將介紹幾種主要的時間同步方法及其在科學領域的一些重要應用。

在此，有必要指出，約翰·哈里森在250年前提出的使用高精度守時鐘保持時間同步的基本概念影響至今。就基本概念而言，假如有兩臺獨立守時鐘，計時分別為t1與t2，那麼，二者相對誤差為

其中，σ1和σ2分別為兩臺鐘的獨立穩定度，σ12為二者相互不確定度。當兩臺鍾完全獨立時，其互相關係數C12=0，那麼它們都必須有很高的穩定度(即σ1，σ2均較小)才可以保證其相對誤差很小。今天，我們需要重新審視這個基本假設。事實上，當兩臺鍾頻繁地進行比對時，則兩臺鍾可以不再獨立，其相對誤差可以非常小，而對其“絕對”穩定度，例如σ21的要求可以大大放寬。在大家熟知的重要應用方面，超高精度的異地時間頻率同步才是根本；“絕對”時間並沒有太多意義。所以，近年來國際、國內大量發展的“光鍾”假如不能做到長期執行(守時)和異地可搬運，其實際應用意義並不是很大。相比之下，“授時”(同步)將有可能帶來相關方面科學上的革命性進展。

2 時頻同步方法

在原子鐘技術發展初始，人們最早採用搬運鐘的方法進行時間同步，然而這種方法限制了同步距離，同時對原子鐘穩定性有很高要求。隨著衛星導航系統的發展，目前異地時鐘的時間頻率傳輸與同步主要是通過衛星鏈路來實現的。利用衛星雙向時間頻率傳遞(TWSTFT)，衛星共視(CV)等方法可以實現10－15/天量級的頻率傳輸穩定度以及納秒量級的時間同步精度。

隨著現代高精度原子鐘的快速發展，頻率穩定度在10－16/s的頻率振盪器以及頻率不確定度在10－18的光鐘相繼出現。現有的時頻傳輸和同步技術已無法滿足高精度原子鐘時間頻率比對的需求，需要發展具有更高精度的時頻傳輸與同步方法。基於光纖鏈路的時頻同步技術以其具有的低損耗、高穩定度優勢而逐漸發展成為一種新型同步技術，世界各國均已開展對此項技術的研究。2012年6月1日，由歐盟9國(德國、法國、英國、奧地利、義大利、荷蘭、瑞典、芬蘭、捷克)共同出資合作進行的聯合研究專案NEAT-FT正式啟動，旨在未來建設一個頻率傳輸穩定度優於10－17/天，時間同步精度優於100ps的歐洲時頻光纖同步網路。此外，在光纖鏈路中，在進行微波、光頻、脈衝以及飛秒光梳訊號的傳輸與同步技術方面，也逐漸有越來越多的研究成果出現。

清華大學精密測量聯合實驗室長期從事超高精度時頻同步領域的研究，且其成果在世界上處於領先水平。2011年，我們在清華大學與中國計量科學研究院(昌平)之間往返80km的商用光纖鏈路上，首次演示了時標脈衝、微波頻率的同時傳輸與同步實驗。圖1 為該實驗的原理圖，通過在發射端(圖中左側)主動探測並補償光纖傳輸引入的相位噪聲，實現了7×10－15/s，5×10－19/天的頻率傳輸穩定度以及優於50ps的時標同步精度。使用此時標，並進一步使用頻率訊號過零點作為時間同步基準，可以將時間同步精度提高至50fs。相比於衛星傳輸中常見的ns級穩定度指標，這一結果在傳輸天穩定度上提高了4個數量級。

圖1 時間頻率光纖傳輸與同步系統原理圖

與衛星同步相比，基於光纖的時頻同步方法一個顯著的不足之處就在於其覆蓋範圍的侷限性——傳統方案具有“點對點”結構，即一個發射端對應一個接收端，這在很大程度上限制了光纖時頻同步技術的應用範圍。基於此，我們提出並演示了一種可在光纖鏈路任意位置處下載高穩定度頻率訊號的方案，如圖2 所示，這一技術大大拓展了傳統方案的應用範圍，使光纖時頻同步的網路化建設成為可能。

圖2 可多點下載光纖時頻同步系統原理圖

我們還進一步研究了不同拓撲結構的光纖同步網路，針對一個發射站對應於多個接收站的多分支網路化結構，提出了在接收端對光纖傳輸引入相位噪聲進行被動式補償的同步方案，採用此方案進行高精度時頻同步，各接收站相互之間獨立，具有樹狀拓撲結構並且易於擴充套件，增加新的分支。在國際合作建設的平方公里陣列天文望遠鏡(SKA)等實際系統中具有廣闊的應用前景。

3 重要科學應用

超高精度的異地時間頻率同步與精密授時在眾多科學領域均扮演著舉足輕重的角色，研究結果往往取決於時間同步的精度。

在衛星導航領域，星載鍾之間的時間同步精度很大程度上決定了最終的定位精度。衛星定位、導航的基本原理十分簡單：假設位於地表或地表附近的使用者看到四顆或更多導航衛星，並接收到了導航衛星所廣播的訊號。此訊號包括了精確的發射時刻及該時刻衛星的精確位置，據此，使用者可以列出至少4個方程：

其中Rj是第j顆衛星在tj時刻所處的位置， R是使用者在接收時刻t的位置。這裡的未知量一般是位置R(x,y,z)及時刻t，共4個變數。通過上述4個方程可以求出這4個未知數，使用者也就得到了自己的時間和位置資訊。從以上方程我們很容易看出，定位精度取決於星載鍾之間的時間同步精度。以GPS系統為例，其星載鍾與分佈在全球範圍的地面監測站地面站之間每天進行兩次時間同步校準，校正後便自由執行，執行一段時間≈40000s之後，這些鐘的時間將不再一致，偏離值的不確定量為。其中σ為描述原子鐘頻率穩定度的阿倫標準方差，典型原子鐘的頻率穩定度滿足關係式。因此，星載鍾間的偏離值將隨著執行時間發生正比於的積累。針對於此，我們提出了對北斗系統星載鍾利用星間微波鏈路進行相位鎖定時間同步的設想，有望使其定位精度得到大幅度提高。例如，相比於GPS每40000s校準鐘差，假如北斗系統每5分鐘校準鐘差，則其精度可以提高10倍。

另一方面，將衛星導航的原理反過來應用，即所謂倒GPS系統(reversed GPS)，通過設立在地面的觀測站，實現對衛星以及其他天體進行觀測定位，由於地面守時鐘精度遠高於星載鍾，且利用光纖進行時間同步可以大大提高同步精度，因此可對衛星執行軌道以及天體星曆進行精確測定。

在天文觀測領域，採用甚長基線干涉測量技術(VLBI)時，可以通過距離達數千公里的觀測站對同一射電源發出的訊號進行接收，並根據時延差做相關處理，最終得到超高解析度的干涉訊號。觀測精度最終取決於延時的測量精度，即時間同步精度。傳統的方案是，通過在各觀測站放置獨立執行的高精度原子鐘(如氫鍾)進行守時，時延誤差隨時間積累。若採用光纖鏈路進行時間同步，各觀測站無需分別放置守時鐘即可獲得高精度同步的時頻訊號，並對時延實時進行補償，保證誤差不隨時間積累，天穩定度可比採用獨立氫鍾守時提高3個數量級。

此外，清華大學精密測量實驗室已加入“平方公里射電望遠鏡陣列(SKA)”這一國際大型合作專案的研究工作，此專案由澳大利亞、加拿大、義大利、紐西蘭、荷蘭、南非、英國、中國等20個國家共同合作，旨在通過建設一個由3000—4000個大型天線組成的陣列，形成1km2的資訊採集區，構成世界上最大的射電天文望遠鏡。實施SKA將有助於科學家真正瞭解宇宙和人類起源的奧祕，並有望推動一些直接影響人們日常生活的新技術的誕生。超高精度時間同步是其中一項十分關鍵的新技術，為保證組成陣列的數千面天線之間的相位相干，短期時間同步精度需要達到1ps量級，同時長期穩定度要達到10年內時間誤差不超過10ns，並且天線陣列具有在中心處呈網狀分佈，在3個旋臂處呈鏈狀分佈的不同的拓撲結構。針對以上要求，我們提出了適用於不同網路結構的光纖時間同步方案，有望最終應用於SKA專案。

綜上所述，在眾多科學研究領域，新興的基於光纖鏈路的超高精度時間同步技術以及空間微波鏈路時間同步技術與傳統的授時與同步技術相比，有著巨大的精度優勢；隨著相關技術的逐步發展與完善，這兩項新技術也會逐步展現其在其他領域的巨大應用潛力