原子时频技术进展

原子时频技术进展 翟造成 (中国科学院上海天文台 ,上海 200030) 摘 　要 :概述了传统原子频标的现状 ,以及新型原子频标和国际原子时的研究进展。介绍了为适应高精度新型频 标和国际原子时的比对需要而开展的远程时频传递技术。 关键词 :原子 　时间 　频率 　进展 Recent Progress in Atomic Time and Frequency ZHAI Zaocheng (Shanghai Astronomical Observatory ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 200030) Abstract :The status of traditional atomic frequency standards and research progress of new atomic frequency standards ,as well as new horizontal of international atomic time ( TAI) are described. Recent research and progress of long - distance time and frequency trandards comparison and atomic time comparison with high precision are also introduced. Key words :atom ,time ,frequency ,progress 引言 上世纪 50 年代初原子钟发明后 ,在 60～80 年 代期间 ,国际上几乎所有较发达的国家先后开展了 不同机理、不同工作元素和不同结构的原子频标的 研究。然而 ,几十年的实验和实用明 ,只有三种原 子频标 ———铯、氢、铷经受住实践的考验和体现出实 用的价值而先后形成商品 ,广泛应用于各个领域。 这种状况一直持续至今。几年前 ,一类准确度性能 比传统原子频标高得多的新型频标 ———冷原子钟和 光钟研制成功 ,成为当前原子频标研究领域的又一 新热点。冷原子钟在国际原子时系统的实际使用对 国际原子时 ( TAI) 产生了重要影响 ,使 TAI 归算的 取权方法得到了改变 ,突出了优秀原子钟的性能。 同时 ,高性能原子频标的诞生和实际使用对高精度 的时频比对手段提出了挑战 ,几种新的地面远程和 星 - 地远程时频传递技术进入了设想和实用研究阶 段。 1 　传统原子频标的现状 目前 ,最为成熟、实用的传统原子频标仍为铯、 氢、铷三种。几十年来 ,巨大的技术改造不仅使这些 频标的性能有了显著的提高 ,而且在体积、重量及商 品化程度等实用性方面也有十分惊人的改善和发 展。 目前国际上实际使用的作为商品生产的原子频 率标准源仍主要是作为传统原子频标的铷原子钟、 铯原子钟和氢原子钟等少数几种产品 ,它们在各时 频领域的和系统中起着重要的作用。上个世纪 50 年代发明原子钟后 ,几乎所有发达国家都曾开展 这三种标准的研究 ,但经半个世纪以来的实践、技术 较量与淘汰 ,至今真正作成商业产品并有批量生产 的国家与厂家所剩无几。 商品小铯钟保持商业生产的只有美国 Agilent 公司 (原 HP 公司) ,几十年来 ,它的产品 HP5071A (老型号为 HP5061A 目前已不生产) 小铯钟在国际 上独领风骚 ,无人与之匹敌。另一家商业生产小铯 钟的厂家是瑞士 Oscilliquartz 公司 ,它的产品 5585B 小铯钟最近也引起了国际各用户的关注。由于它采 用美国 Agilent 公司的铯束管配以它自己的电气系 统而构成 5585B 小铯钟产品 , 所以其性能与 HP5071A 的几乎一样 (见表 1) 。 美国的 Datum 公司 (现名为 Symmetre Com 公 司) ,它拥有差不多传统原子频标的所有产品 ,特别 是氢原子钟产品 ,在国际上已产生很大影响。目前 , 国际上氢钟产品能与之匹敌的是俄罗斯的“VRE2 M YA - CH”和“KVARZ”以及俄罗斯与英国的合资 公司“Quartzlock”等三个公司 ,它们的氢钟产品都是 流水线生产 ,俄罗斯的这几个公司几年来已生产了 几百台氢钟销往国内外。日本的“安立芝”公司也生 第 28 卷 2006 年 6 月 　 第 3 期 63 - 69 页 世界科技研究与发展 WORLD SCI2TECH R &D Vol. 28J un. 2006 　 No. 3pp. 63 - 69 w w w . globesci . com 第 63　　　 页 产氢钟产品 ,但因性能欠佳或价格太贵而形不成气 候 ,少量产品仅供国内使用。瑞士 TN T 公司与俄 罗斯合作 ,目前正研制和生产星载小型氢钟 ,重约 16 公斤 ,已于 2005 年底用于欧洲伽利略卫星导航 定位系统。在我国 ,上海天文台氢钟的研制生产也 有 30 多年历史 ,50 多台氢钟已用于我国军工和国 家重要科学试验项目。 铷钟虽指标较差 ,但它体积小 ,价格低 ,预热快 , 是一种应用最为广泛的传统原子钟产品。正因如 此 ,它商品化最早 ,品种也最多 ,产量也最大 ,生产厂 商最多。美国的 Datum 公司和瑞士 TN T 公司的产 品有着比较大的影响。在我国 ,铷钟研制单位也不 少 ,但有商业产品的当属北京 768 厂和四川的 867 厂 ,它们的铷钟产品在国内获得广泛应用。 传统原子钟产品氢、铯、铷 ,几十年的精练和精 工细啄 ,其性能指标已达到或几近达到它们的极限 , 现在的工作不再是它们的性能再提升 ,而测重于它 们的实用性。 表 1 列出了商品型传统原子频标的主要性能特 征。 表 1 　原子钟典型技术指标 铷原子钟 铯原子钟( HP5071A) 氢原子钟 3 (主动型) 氢原子钟 (被动型) 准确度 10 - 11 2 ×10 - 12 3～5 ×10 - 13 3～5 ×10 - 13 稳定度 ≤1 ×10 - 11/ 秒 ≤1 ×10 - 12/ 100 秒 ～1 ×10 - 12/ 天 5 ×10 - 12/ 秒 8 ×10 - 13/ 100 秒 2 ×10 - 14/ 天 5～6 ×10 - 13/ 秒 n ×10 - 15 / 100 秒 n ×10 - 15/ 天 1. 5 ×10 - 12/ 秒 7 ×10 - 14 / 100 秒 5 ×10 - 15/ 天 频率 漂移 1 ×10 - 11/ 月 ≤1 ×10 - 15/ 天 ≤1 ×10 - 15/ 天 ≤1 ×10 - 15/ 天 寿命 (年) 5 3～5 8～12 8～12 频偏 相位 噪声 　dBc 5MHz 5MHz 5MHz 5MHz 1Hz - 95 - 96 - 100 - 100 10Hz - 120 - 120 - 125 - 125 100Hz - 125 - 125 - 135 - 135 1 KHz - 140 - 140 - 150 - 150 10 KHz - 147 - 146 - 155 - 1503 注 : KVARZ公司的氢钟广告指标达 10 - 16 ,但未见实用指标来源。 还有一种原子频标 ,尽管不是商品 ,但它仍属于 传统型原子频标之列 ,即实验室型传统铯束频标。 这种频标目前仍作为原子时基准。20 世纪 80 年代 以来 ,美国、加拿大、德国、日本、法国、意大利、俄罗 斯以及中国在传统时频基准的研究和改进方面取得 了很大成绩。尤其是德国技术物理研究院 ( PTB) , 加拿大国家研究院 (NRC) 和美国国家标准技术研 究院 (N IST) 的铯基准准确度最高 ,达 (2～018) × 10 - 14 ,它们的稳定度也都在 1 ×10 - 14以上。几年 来 ,这三家的铯基准向国际权度局 (B IPM)定向发送 数据 ,而且 PTB 和 NRC 的铯基准是作为钟连续运 转的。这些铯基准的主要功能是提供准确的秒长。 其它国家的铯基准的准确度也在 1 ×10 - 13左右。 造成铯基准不准确度的因素仍是黑体辐射、邻线牵 引和 Majorana 跃迁引起的频移。 2 　新型原子频标 电磁囚禁技术的出现以及激光冷却、囚禁技术、 激光抽运 ———荧光探测等技术的应用 ,对原子频标 技术的发展产生了重要的影响。最近几年出现了准 确度比当代最准确的传统热束铯基准好得多的冷原 子装置 ———冷原子钟。 2. 1 　原子喷泉钟 原子喷泉是科学家早年提出的设想 ,它以一个 单微波腔来实现 Ramsey 分隔场的作用。原子束向 上运动时通过腔一次 ,下落时再通过腔一次 ,从而完 成 Ramsey 跃迁。由于当时热运动原子束中慢原子 的缺乏和对原子束难于实现有效的减速 ,这种设想 一直未能构成实用装置。20 世纪 80 年代后期和 90 年代以来 ,激光冷却与囚禁中性原子技术得到了发 展 ,重新引发了人们对原子喷泉的兴趣。此后 ,应用 激光冷却和囚禁技术的原子喷泉的研究在世界各国 蓬勃开展。这种频标由于原子速度的降低 ,极大地 减小了所有与原子速度有关的各项不确定性。原子 喷泉冷原子钟由于有着更高的性能 ,因此仍是目前 原子频标的研究热点。 2. 1. 1 　铯原子喷泉钟[3～5 ] 喷泉钟同传统原子钟的最大差异在于原子样品 的制备。传统铯原子钟所用原子样品是由加热铯炉 到 90 ℃～150 ℃铯汽化经准直器扩散出来形成的铯 原子束 ,相应原子热运动均方根速度为 312～336 m/ s ;而喷泉钟所用原子样品则是应用激光冷却和 囚禁技术制备的线度 ≤1 cm 的原子云 ,原子云温度 控制在几个μK ,相应原子热运动速度在 cm/ s 量级 (对铯原子而言) 。根据制备的原子样品的差异 ,喷 泉钟又称冷原子钟 ,确切地说 ,属冷原子钟一类。 铯原子喷泉钟所有部件处于一个超高真空容器 中 (真空度在 10 - 7 Pa 量级) 。用磁光阱 (MO T ,即利 用磁场和光场建立的原子阱) 或光学粘团 (OM) 方 法将铯汽泡扩散过来的极稀薄的铯原子冷却和囚禁 21 世纪青年学者论坛 世界科技研究与发展 　　 　2006 年 6 月 第 64　　　 页 w w w . globesci . com 于一段容器中心 ,形成温度极低 (≈5μK) 、直径约 1 cm 的冷原子云 ,然后用垂直激光 (或垂直激光分量) 移动该原子云。当原子云获得一定向上运动速度后 关断水平和垂直激光 ,令原子处于自由运动状态 ,此 后原子将在重力场作用下作弹道飞行 ,先后两次穿 过微波谐振腔并落经一个探测激光束 ,最后获得与 Ramsey 钟跃迁相应的荧光信号。应用该荧光信号 即可完成对实用频标 (晶振)的频率锁定。这种喷泉 型铯频标 ,由于用一个腔实现传统的 Ramsey 分离 振荡场 (两腔) 的作用 ,所以 Ramsey 腔相位差得到 极大减小 ,而且激光冷却使原子速度比传统装置中 的原子速度降低了两个量级以上 ,从而大大削弱了 影响铯基准准确度的主要因素。铯原子喷泉钟的准 确度潜力很大 ,预期可达 10 - 16 。 法国 L PTF 最早研制成功铯喷泉钟 ,其准确度 为 3 ×10 - 15 。德国 PTB 的铯喷泉钟 CsF1 从 1999 年开始运转 ,并向 TAI 提供数据。CsF1 的不确定 度为 114 ×10 - 15 ( 1σ) ,频率稳定度为 ( 3～ 5) × 10 - 13 (τ) - 1/ 2 。美国 N IST 的铯喷泉钟 N ISF - F1 差不多与德国 PTB 的 CsF1 同时工作。为了比较不 同结构的铯喷泉钟的性能 ,德国的 PTB - CsF1 和美 国的 N IST - F1 两个喷泉钟 ,在 2000 年 8 月和 9 月 期间进行了远程比对。使用卫星双向时频传递 ( TWSTFT)技术测得的两个喷泉钟的频差为 - 014 ×10 - 15 ,用 GPS 载波相位法测得的频差为 - 012 × 10 - 15 ,而比对过程对不确定度的贡献为 017 × 10 - 15 。美国海军天文台 ( USNO) 第一台铯喷泉钟 目前的短期稳定度为 2 ×10 - 13/ τ。美国 USNO 正在进行的一项计划是把喷泉钟加入守时钟组 ,这 些铯喷泉钟将用来增强 USNO 主钟钟组的稳定度 , 优化长期稳定度而不是作为频率基准。 除了上述已研制成功铯喷泉钟的这些实验室 外 ,目前 ,加拿大、我国北大、国家计量院和台湾大学 等也积极进行铯原子喷泉频标的研究。 2. 1. 2 　铷原子喷泉钟[6～8 ] 铷原子喷泉与铯原子喷泉类似 ,也是采用激光 冷却 —囚禁和抛射技术。经过磁光阱的 87Rb 在 1185μK温度下以 3～4 m/ s 的速度抛射。 近期 , 美国的耶鲁大学、喷气推进实验室 (J PL) 、N IST、法国的 L PTF 以及 Paris2Nord 大学等 都在开展激光冷却的铷原子喷泉钟的研究。耶鲁大 学的铷原子喷泉钟实现了 211 ×10 - 13/ τ的短期稳 定度 ,目前的工作重心放在新的态检测器和微波谐 振腔的设计上 ,以提高信噪比 ,减小腔相移。喷泉钟 性能的主要限制是冷原子碰撞频移。耶鲁大学的实 验表明 ,铷原子喷泉钟的冷碰撞频移比铯原子喷泉 钟的冷碰撞频移小 30 倍。法国的 L PTF 实验发 现 ,87 Rb 喷泉钟比133Cs 喷泉钟的冷碰撞频移至少小 70 倍。因此 ,在铷喷泉钟中可以应用比铯喷泉钟多 100 倍的原子密度而不降低准确度 ,频率稳定度也 可以提高一个量级。美国 N IST 的铷原子喷泉钟的 一个主要特点就是应用超低速高原子密度 (LV IS) 运转。铷原子喷泉钟预期的频率稳定度为 10 - 14/ τ。在我国 ,上海光机所也在积极开展小型铷喷 泉研究。 2. 2 　光抽运铯束频标[9 ] 在这类原子频标中 ,用调谐于 D2 线的两束激光 来取代传统的选态磁铁进行能态选择 ;用荧光探测 输出光信号来取代传统原子的热丝检测器 ;而微波 相互作用范围保持不变。荧光信号实现对压控晶振 的频率锁定。 这种激光技术除改善束利用率外 ,也改善铯束 频标的信噪比 ,同时 ,也消除和大大减小在传统磁态 选择型铯频标中 ,由于原子在磁场中运动而受磁场 大小和方向的突然变化所产生的能级跃迁 (称 Ma2 jorana 跃迁)引起的频移以及二级 Doppler 频率修正 的不确定性。 目前还有一种正在研制中的光抽运铯原子频 标 ,称为弥漫激光抽运斜入射光检测铯原子频标。 它是利用弥漫激光场对铯原子束进行光抽运以制备 特定的原子态 ,与斜入射光检测结合起来 ,实现用一 个激光器同时获得抽运和检测两个不同的激光频率 的效果 ,建立弥漫激光抽运斜入射光检测铯原子束 频标系统。 弥漫激光抽运斜入射激光检测铯原子束频标这 一新的提出 ,目的是要提高光抽运铯原子束频 标的性能 ,尤其是长期稳定工作性能。弥漫激光场 抽运能消除抽运激光频率噪声对频标信号的影响。 美国 N IST 研制的光抽运铯束频标在实用中出 现的准确度已达 1 ×10 - 14 。法国时间频率研究所 (L PTF)和日本综合通信研究所 (CRL) 的光抽运型 铯基准多次评定的准确度都在 10 - 15量级。另外 , 加拿大的 NRC、英国的国家物理实验室 (NPL) 和中 国北京大学都在开展这方面的研究。但是 ,这种标 准 20 年的发展 ,仅有几台用于原子时系统 ,无论是 性能指标、还是实用性都没有产生足够优势。 2006 年 6 月 　 　　 世界科技研究与发展 21 世纪青年学者论坛 w w w . globesci . com 第 65　　　 页 2. 3 　离子阱微波频标[10 ] 离子阱微波频标是将作为工作物质的离子 (如199 Hg + ,171 Yb + ,87 Sr + 等) ,通过加在特定构型电 极上的静电、磁场或射频场构成的离子阱的作用 ,约 束在超高真空的甚小尺度范围内 ,然后利用此离子 跃迁产生的鉴频信号 ,将实用频标频率锁定在频率 非常稳定、谱线 Q 值极高的离子跃迁谱线上。由于 离子处于几乎不受干扰和外部参数十分稳定的环境 下 ,与探测场的作用时间很长 ,因此比传统的原子钟 具有更高的性能。 世界上第一台离子阱频标是 1981 年用199 Hg + 离子在法国的原子钟研究所 (L HA) 研制成功的。 用射频阱囚禁离子 ,离子由电子束轰击汞蒸汽产生。 用202 Hg +放电灯的 192 nm 谱线进行光抽运 ,使基态 超精细结构 F = 1 态抽空。钟跃迁发生在 F = 1 , m F = 0 与 F = 0 , m F = 0 超精细子能级之间 ,其频率为 401507348 GHz ,用荧光探测共振。早期的实验表 明 ,二级多普勒效应是影响该频标准确度和长期稳 定度的主要原因。这需要降低离子的温度 ,有两种 方法 :激光冷却 ;用低气压的缓冲气体 (如氦气)与离 子碰撞来降温。离子冷却后 ,多普勒频移和加宽大 为减小 ,存贮时间可很长 ,谱线 Q 值极高。但离子 阱频标信噪比较低 ,碰撞频移较大 ,需要进一步解 决。这也正是该频标自发明后几十年来未形成热点 和进展不很显著的主要原因之一。 在实用频标方面 ,1981 年法国 L HA 第一个汞 离子频标取得成功后 ,美国 HP 公司在使该种频标 商品化方面作了大量的工作 ,其产品的准确度已达 (1～2) ×10 - 13 ,稳定度达 (3～4) ×10 - 11/ τ。美国 N IST 正在进行9B + 离子频标的研究 ,其准确度为 1 ×10 - 13 。其它国家 ,如日本 CRL 、英国 NPL 、法国 L HA 和我国中国科学院湖北物理所等单位都在积 极开展这方面的研究。但是 ,经 20 多年的发展 ,现 在看来 ,这种频标没有产生引人关注的影响。 2. 4 　光频标[11 ,12 ] 象离子阱频标那样 ,利用射频阱把离子储存与 激光冷却方法相结合 ,可以制成准确度为 10 - 15的 光频标。 光频标是利用囚禁在射频阱的单离子 (或原子) 被激光冷却到几百μk 的温度后 ,由另一激光 ,如 Nd : YA G或 dye 激光频率数倍的光辐射信号去激励 离子某个处于光频段的钟跃迁。具有很好不确定度 的钟跃迁光学频率通过倍频链与微波频率连接起 来 ,能够转换成时间标准且具有相同的相对不准确 度。利用频率梳能够与汞离子频标比对测量其性 能。 光频标的跃迁频率由于很少受多普勒偏移、跃 迁时间偏移、碰撞偏移以及电磁场偏移的影响 ,因此 准确度预期达 10 - 18 。美国 N IST 建造了两台光频 标 :一台是囚禁单离子199 Hg + ,使用2 S 1/ 2 - 2 D5/ 2跃 迁 ,波长为 282 nm ;另一台是激光冷却40 Ca 原子 ,使 用1S0 - 3 P1 跃迁 ,波长 657 nm 。目前 Ca 频标的相 对不准确度为 5 ×10 - 14 ,秒级频率稳定度已达 10 - 15量级 ,大大优于其它频标的短期稳定度。德国 Max2Planck 量子光学研究所和 Ludwig2Maximilians 大学物理系正在研制射频囚禁激光冷却铟离子光频 标 ,使用1 S0 - 3 P3 跃迁 ,波长 23615 nm ,测量的不准 确度为 3 ×10 - 13 。美国华盛顿大学物理系也在进 行该种频标的研究 ,并且了激光冷却铟离子作 光频标的优势 ,他们预期此种光频标的不确定度为 1 ×10 - 18 。但是这种光频标钟走向实用尚需时日。 2. 5 　组合原子频标 在原子频标研究领域 ,人们正在实现早已有过 的动意 ,即整合不同种类原子频标的各自优势 ,组合 成一个全性能、各项指标都较好的单一频标系统。 2. 5. 1 　冷原子钟 - 氢脉泽组合频标[13 ] 在欧洲空间中心正在实施一项称为 ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) [14 ]的计划。该计 划将为国际空间站 ( ISS)的早期运行提供服务。 该计划的鉴频器是一个铯冷原子鉴频器 ,它的 准确度为 5 ×10 - 16 ,稳定度为 5 ×10 - 16/ d。该计划 的本机振荡器 (即飞轮振荡器)将用步进调节分辨率 为 10 - 17的氢脉泽。也就是说 ,稳定度和频率调节 精度优秀的氢脉泽被锁定在频率准确度优秀的铯冷 原子钟上。这个组合原子频标将于 2008 年载于国 际空间站 ( ISS)上 ,作为全球共享的高精度的国际时 频标准 ,并进行基础物理测试。铯冷原子鉴频器由 法国研制提供 ,氢脉泽本机振荡器由瑞士天文台 (ON)研制提供。美国耶鲁大学的空间铷喷泉频标 也在研制之中。 2. 5. 2 　铷和铯双喷泉系统[15 ] 喷泉频标具有很好的频率不确定度 ,将它们相 互比较可以进行原子精细结构常数等基础物理测 试 ,以及探索在相同物理实验条件下它们所能实现 的极限性能指标。法国的 L PTF 正在建立一个铷和 铯同时工作的双喷泉系统。该系统利用铷喷泉碰撞 21 世纪青年学者论坛 世界科技研究与发展 　　 　2006 年 6 月 第 66　　　 页 w w w . globesci . com 频移低的优势 ,并结合具有优秀短期稳定度的超导 蓝宝石振荡器 ( SCO) 作为本振。另外 ,L PTF 的科 研人员还理论分析和仿真讨论了原子反冲对频率的 影响 ,初步结果表明原子反冲对频率漂移的影响为 (1～2) ×10 - 15 。 2. 5. 3 　氢脉泽钟组超稳系统[16 ] 美国的 N IST 建立了一个由 5 台氢脉泽组成的 钟组作为超稳时频标准。这个组合钟系统用于建立 实时原子时 (A TI)和用来产生精处理纸面原子时尺 度 (A TIE) 。它使 A TIE 在 4 h～100 d 的稳定度优 于 1 ×10 - 15 , 10 d 取样时间的最好稳定度为 3 × 10 - 16 。每年的频率漂移为 3 ×10 - 15 。这个组合钟 组比任何一个单个脉泽频标都优秀和可靠。 2. 6 　CPT 钟[17 ] CPT 是英文 Coherent Population Trapping 的缩 写 ,意即“相干布居囚禁”。 研究发现 ,如果用两个相干光场照射含两基态 超精细能级和一激发能级的二能级原子系统 ,当两 相干光的频差严格与基态超精细能级间隔相应时 , 由于激励过程的相干 ,基态至激发态之间将不再有 跃迁发生 ,此时 ,观测原子样品的荧光光谱 ,将因无 荧光而出现“暗线”,而对传输光而言 ,系统是透明 的 ,出现“亮线”。上述这两种“线”,其线宽较窄 ,但 其谐振信号含于光信号中 ,成为原子钟的新参考谱 线。 应用这种现象制成的原子钟 ,简称为 CPT 钟。 它的原子样品可以是铷 ,也可以是铯。 这种 CPT 钟可以工作在主动模式或被动模式。 在被动模式中 ,不需谐振腔 ,样品室可做得很小 ,可 做成一种超小型原子钟 ,其物理部分体积只有 13 cm 大小。整个 CPT 钟也不过一个火柴盒大小。工 作于主动模式的钟 ,其尺寸也比传统型脉泽小许多。 目前 ,美国 N IST 正在为美军方研制这种原子 钟。由于这种原子钟体积小 ,功耗小 (1 瓦) ,在军用 尤其空间应用有着诱人的前景。 表 2 列出了新型原子频标的性能特征。 表 2 　新型原子频标目前的性能特征 特征 种类 光抽运铯钟 离子阱频标 铯原子喷泉钟 铷原子喷泉钟 光频标 CPT 稳定度 6 ×10 - 13/ τ 1 ×10 - 12/ τ 2 ×10 - 13/ τ 2. 1 ×10 - 13/ τ 10 - 14/ τ 2 ×10 - 12/ τ 准确度 < 1 ×10 - 14 (1～2) ×10 - 13 (0. 5～1) ×10 - 15 1 ×10 - 15 10 - 15 n ×10 - 15 3 　国际原子时新进展[ 18～20 ] 国际原子时 ( TAI) 从 1973 年开始直接由原子 钟时间比对数据计算得到。目前 ,分布在世界上 30 多个国家近 50 个时间实验室的 250 多台原子钟的 时间比对数据 (通过 GPS 共视法或 TWSTFT 法来 获得) ,定时传送到 B IPM 时间部 ,由原子时算法进 行加权平均计算得到 TAI ,然后变换得到实用的协 调世界时 (U TC) 。 根据 2002 年 B IPM 时间年报介绍 ,目前 TAI 的准确度优于 016～110 ×10 - 14 ;不确定度为 2 × 10 - 15 ;平时时间 (20～40 d) 的频率稳定度优于 6 × 10 - 16 。 原子钟权重的大小是 TAI 归算时衡量原子钟 长期性能的标志。从 1998 年 1 月开始 , TAI 归算的 取权方法有了改进 ,由绝对权改为相对权 ,即单台钟 的相对权等于单台钟的绝对权除以所有参加钟的绝 对权总和 ,并规定最大相对权满权为 017 %。但后 来发现 ,参加 TAI 计算的原子钟有大约 80 %都达满 权 ,这种情况的出现不利于突出优秀钟的作用。 2001 年起 ,改变了取权规则 ,采用 W最大 = A/ N ,其 中 N 为每参加计算的钟数 ,A 为经验值。N 每月不 固定 , A 目前取值 215。最近 几 年 的 氢 钟 和 HP5071A 小铯钟这两种原子钟贡献的权重仍分别 为参加 TAI 归算的 14 种原子钟的第一位和第二 位。2000 年 8 月以后参加 TAI 校准的频率基准钟 有 :日本 CRL - 01 光抽运型铯基准 ,准确度为 (013 ～015) ×10 - 14 ;美国 N IST - 7 光抽运铯基准 ,准确 度为 (015～1) ×10 - 14 ;美国 N IST - F1 铯喷泉基 准 ,准确度为 1 ×10 - 15 ;日本 NRLM - 4 光抽运铯基 准 ,准确度 3 ×10 - 14 ;德国 PTB - Cs1、Cs2、Cs3 典型 的磁选态型铯基准 ,准确度为 (018～114) ×10 - 14 ; 德国 PTBCsF1 铯喷泉基准 ,准确度为 ( 1～ 2) × 10 - 15 ;法国 L PTF - J PO 光抽运铯基准 ,准确度为 6 ×10 - 15 。最近 ,淘汰了日本 NRLM - 4 和 PTB 的 Cs3 ,又增加了三个 Cs 喷泉 , F02 , FOM 和 IEN CsF1。 值得一提的是 ,原子钟的频率漂移率对钟性能 权重的影响越来越显得重要。原子钟的长期稳定度 和漂移率是原子钟长期性能的重要指标。在经典原 2006 年 6 月 　 　　 世界科技研究与发展 21 世纪青年学者论坛 w w w . globesci . com 第 67　　　 页 子时算法取权方法中 ,频率漂移率对钟权重的影响 不可忽视。新的取权方法对原子钟频率漂移率提出 了更高的要求 :要求获满权的原子钟频率漂移率为 1 ×10 - 16/ d 或 3165 ×10 - 14/ yr。因此对于原子钟 不能只重视稳定度而忽视其漂移率。 4 　远程时、频传递技术进展 随着冷原子钟的诞生和应用 ,原子钟的准确度 和稳定度指标远优于它们之间远距离时频比对的技 术能力 ,这促进了高精度时频传递技术的不断发展。 4. 1 　地面远程时频传递 双向 卫 星 时 间 传 递 ( TWSTFT ) 、GPS - GLONASS 共视以及 GPS 载波相位等技术是目前 国际上高精度时频同步的实用手段。由 B IPM 公布 的实测数据的统计分析表明 ,这些远程时频传递技 术用于时间同步的精度为 2～3 ns ,平均时间 (30 d) 的频率稳定度为 10 - 16[21 ,22 ] 。 随着冷喷泉原子钟走向实用 ,不同实验室频标 之间的一致性需要比较验证。为此 ,美国 N IST 的 铯喷泉钟 N IST - F1 与德国 PTB 的铯喷泉钟 PTB - CSF1 采用上述三种时频传递技术进行了远程比 对[6 ] 。这次比对 ,也可说是用高精度的铯喷泉频标 验证三种时频传递技术的比对能力。GPS 共视比 对是用 B IPM Circular T 的数据修正精密轨道和电 离层数据来进行的。TWSTFT 比对与采用 B IPM 的数据进行比对的方法相同。GPS 载波相位比对 是用放在 N IST 和 PTB 两实验室的两个 Tur2 borogue 接收机进行的。据保守估计 , TWSTFT 和 GPS 载波相位技术给出的频率传输链的不确定度 分别为 016 ×10 - 15和 017 ×10 - 15 ,而 GPS 共视链的 不确定度约为 2 ×10 - 15 。 两个铯喷泉钟 : N IST - F1 和 PTB - CsF1 ,用 TWSTFT 技术测得的频率差为 014 ×10 - 15 ;用 GPS 载波相位技术测得的频率差为 012 ×10 - 16 ,比对不 确定度为 017 ×10 - 16 ;用 GPS 共视技术测得的频率 差为 116 ×10 - 16 ,比对不确定度为 2 ×10 - 16 。为了 进一步对比对技术和铯喷泉钟的性能进行验证 , N IST - F1 和 PTB - CsF1 又与 N IST 的组合氢脉泽 钟组超稳频标进行了比对 ,其估计的不确定度为 014 ×10 - 15 。两个铯喷泉钟的不确定度为 115 × 10 - 15 ,综合的 (系统的和统计的) 不确定度为 117 × 10 - 15 。可见 ,铯喷泉钟的远程比对证实了 TW2 STFT、GPS 共视和 GPS 载波相位时频传递技术的 比对能力。 4. 2 　地面 - 空间时频传递[13 ,23 ] 一些现有的空间系统 ,如 GPS 和已建议或正在 进行的空间计划 ,如 ACES , GESNS ( Galileo Euro2 pean Satellite Navigation System) 等 ,都需要地面钟 和空间钟时间同步及频率比对。多链微波系统和脉 冲激光技术是能满足星 - 地 T/ F 传递要求的最精 确的方法。高精度的星 - 地 T/ F 传递需要对相对 运动效应、对流层和电离层干扰 ,以及相对论和重力 效应进行修正。对于信号传输干扰和相对运动效应 进行处理的最有效的方法 ,是测量这些干扰效应并 实时地从传输数据过程中系统地消除它们。 4. 2. 1 　微波 T/ F 传递系统 ( PRARE) 地面站和空间站之间采用三链 (或四链)微波线 路来传输信息。应用微波频率比对时 ,星 - 地钟的 短期稳定度可在每次通过时段中由地面站连续测 量 ,单次通过时段的比对精度可达 1 ×10 - 14 ,多次 通过的平均比对精度可达 10 - 16量级。长期稳定度 可由时间传递方法测量。 空间钟产生的 X带和 S 带的两个一路信号 ,携 带着 PRN 码调制的时间信息和载波相位的频率信 息被送到地面站 ,由地面站测量同一信号通过 X 带 和 S 带同时传播的差分延迟和差分多普勒 ,进而得 到实际的电离层延迟和多普勒数据。随后地面站上 的相干应答器返回信号到空间站 ,这个信号同样携 带时码调制时间信息和载波相位频率信息。空间站 接收并处理信号后产生一路延迟和一路多普勒数 据 ,分别与二路延迟的 1/ 2 和二路多普勒的 1/ 2 作 比较 ,最终得到一路延迟和多普勒数据 ,通过常轨数 据通道实时地传送到地面站。这个方法也消除了电 离层中瞬时变化比传播时间长的电波传播效应。 4. 2. 2 　激光时间传递系统 ( T2L2) 激光时间传递是远程钟时间同步比对的最准确 的方法。地面激光站发射短激光脉冲到空间飞行 体 ,再由空间飞行体的角反射器阵反射回地面站。 激光脉冲的发射时间 te1和回到地面的时间 te2由地 面站的时间尺度下来。 te2 - te1的 1/ 2 提供激 光脉冲到飞行体的时间延迟。激光脉冲到达飞行体 的时刻 ts 由飞行体上时间尺度记录。比较 ( te2 - te1) / 2 和 ts 两个时刻之差便是星 - 地钟的时间差。 激光时间传递系统的精度可达 20 ps。 激光时间传递系统的唯一限制条件是气候 ,因 此激光时间传递系统通常不作为常规的时频比对手 21 世纪青年学者论坛 世界科技研究与发展 　　 　2006 年 6 月 第 68　　　 页 w w w . globesci . com 段 ,而是在星 - 地时间同步比对中用来作为校准系 统。 4. 3 　甚长基线干涉技术 (VLB I) 甚长基线射电干涉测量对大地测量和高精度天 文参考系的实现是一种精密的技术 ,它是需要最高 稳定度原子钟的一种技术系统。VLB I 可以被用来 提供极高准确度的时间比对 ,其潜在能力为 10～ 100 ps。 表 3 列出了各种时频传递比对技术的特征比 较。 表 3 　高精度国际时频比对技术 方 法 时刻比对精度 频率比对精度 应用范围 GPS - GLONASS 共视 5 ns 左右 5 ×10 - 14/ 天 全球 TWSTFT 技术 1～2ns 1～2 ×10 - 14/ 天 全球定点 GPS 载波相位技术 1～2 1～2 ×10 - 14/ 天 全球 PRARE 技术 1 ×10 - 14/ 单次 星2地 ,洲际 TZL Z技术 50～100 ps 星2地 ,洲际 VLBI 技术 0. 1～1 ns (0. 1～1) ×10 - 14/ 天 洲际 参考文献 [ 1 ] Hp company.“Hp5071A primary Frequency standard”manual , 1991 [ 2 ] CCDS. 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