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确保国家时间基准的准确度及运行安全

来源:中国科技网-科技日报 作者: 2016年05月30日 01:29
[导读] 超高精度时间频率传输与同步项目由清华大学研究团队牵头。针对某些应用领域对时间频率同时传输与同步的应用需求,项目组通过波分复用技术及脉冲时延测量及控制技术实现了时间频率信号的同时传输与同步。
确保国家时间基准的准确度及运行安全



清华大学物理系、精仪系双聘教授王力军
    超高精度时间频率传输与同步项目由清华大学研究团队牵头。项目主要完成人为王力军、王波、李天初、高超、张建伟、冯焱颖、陈伟亮、朱玺、董婧雯、袁一博。完成单位为清华大学和中国计量科学研究院。
    随着现代高精度原子钟的快速发展,频率稳定度在1E-16/s的频率振荡器以及频率不确定度在1E-18的光钟相继出现。现有的时频传输和同步技术已无法满足高精度原子钟时间频率比对的需求,需要发展具有更高精度的时频传输与同步方法。基于光纤链路的时频同步技术以其具有的低损耗、高稳定度优势而逐渐发展成为一种新型同步技术,世界各国均已开展对此项技术的研究。清华大学和中国计量科学研究院研究团队充分利用现有的光纤网络资源,自主研制了“超高精度时间频率传输与同步系统”。该系统技术方案先进,创新性强,整体性能指标达到国际领先水平。
    项目创新之处体现在很多方面,首先就是对光纤链路时延起伏的实时测量与动态补偿,实现了微波频率信号的高稳定度传输——将微波频率信号调制在通讯波段的激光载波上,通过光纤链路进行传输后,在发射端实时监测返回光信号所携带的光纤传输链路相位噪声信息,然后主动控制发射端信号的相位对该噪声进行实时补偿,实现了微波频率信号的高稳定度传输,进而,将发射端的时间、频率及相位以超高精度复现于接收端。由于自由空间中频率信号的传输与同步对全球卫星导航系统(尤其是北斗系统)和射电天文学(例如甚长基线干涉测量)等具有重要意义,项目组在光纤时间频率补偿技术的基础上还首次提出并实验成功演示了自由空间高精度频率传输技术。
    基于对光纤频率传输系统的环内与环外器件进行了噪声来源与补偿机理的理论分析,项目组还创新性地提出了环外器件的噪声探测与抑制技术。通过对多方面噪声抑制的改进,提高了系统的传输稳定度。针对某些应用领域对时间频率同时传输与同步的应用需求,项目组通过波分复用技术及脉冲时延测量及控制技术实现了时间频率信号的同时传输与同步。经测试,在清华大学至中国计量科学研究院昌平园区往返约80公里的城市光纤链路上传输9.1GHz微波频率信号的稳定度为:7E-15/s,4.5E-19/天,时间信号的传输稳定度优于±50ps。2011年12月经科技查新表明,这一测试结果为:同类方法中,国际最好指标。
    自项目研发取得突破以来,基于此技术研发的高精度光纤频率传输系统已经过国家质检总局组织的专家鉴定,鉴定委员会认为:“NIM-THU原子时信号光纤传输系统”,瞄准国家重大需求,实现了微波频率信号的高稳定度传输,具有很高的实际应用价值。可应用于分布式守时体系、时频系统的统一、甚长基线射电天文观测及卫星定位观测等领域。系统技术方案先进,创新性强,整体性能指标达到国际领先水平。项目执行期间共发表SCI论文13篇,EI论文3篇,申请国家技术发明专利7项(已公开),授权3项。
    随着超高精度时间频率传输与同步关键技术的成熟,项目的应用推广也在如火如荼地进行。目前已联合中国计量科学研究院、中国航天科工集团203所、北京卫星导航中心等多家科研单位,在北京地区建立区域时频同步网络。在清华大学至中国计量院的光纤链路上,成功演示了被传输频率信号的任意点高精度下载,大大增强了区域时频网的实用性。这一区域网最终建成后,将实现北京地区各时频科研单位之间优质时间频率资源的共享;进一步确保国家时间基准的准确度,以及中国标准时的运行安全可靠性;实现北斗时间与中国标准时间的统一;并为下一步国家时间频率体系的建设提供前期演示。此外,清华大学研制的光纤时频传递系统于2014年8月4日至2015年5月14日,在某深空站参与某航天器试验测试任务,效果良好。
    在国际合作应用方面也同时稳步进展,2013年6月4日,清华大学研究团队加入国际大科学工程——平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array,SKA)的信号与数据传输(SADT)工作包国际联盟,高精度频率传输与同步技术用于解决SKA基于光纤网络的参考频率分发与同步任务(STFR.FRQ)这一关键技术难点之一。目前他们为SKA设计的参考频率传输与同步方案已通过两轮方案评审成为首选方案。2015年9月,清华大学研究团队赴南非SKA台址,进行了参考频率传输与同步系统的测试验证,效果非常理想,为SKA相关工作的继续推进奠定了基础。
    王力军,清华大学物理系、精仪系双聘教授,中国计量科学研究院首席研究员,“中国计量科学研究院—清华大学”精密测量实验室主任。美国光学学会会员、曾任德国马—普学会(Max-Planck Research Group)新成立的光学、信息、光电子学研究所所长(Director),组建该所,是马普迄今为止唯一的中国籍所长。2006和2009年两次应诺贝尔委员会邀请为次年的诺贝尔物理奖建议人选。2008年入选我国首批“国家特聘专家”(千人计划),2010年全时回国,担任科技部973项目首席科学家、专家组成员。王力军教授长期致力于光学、精密测量物理及应用、激光与物质相互作用等方面的基础研究;发表SCI论文130余篇,他引5200余次。(李海峰)  
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