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探访中国“时间工厂”
2004年06月30日 00:52:15

本报记者 黄博

差不超过0.1微秒

  陕西西安临潼骊山脚下,在一大片农村民居包围之中有一所普通的院落,门口挂着“中国科学院国家授时中心”的小牌子。生活在这一带的村民不清楚这个地方是干什么的。在一般村民的眼里,它仅仅是一个“吃国家饭”的单位,可以就近多卖两个鸡蛋、一把蔬菜而已。

  但这所普通的院落,正是中国惟一的高精确度标准时间产生的地方。

  “日常生活中对时间的要求并不很精确,电视台、广播电台报时也只是精确到秒,体育比赛、股票操作要求精确到百分之一秒,但火箭发射就必须精确到微秒量级(百万分之一秒)”中国科学院国家授时中心时频基准实验室首席专家王正明带领记者参观,一边耐心地解说,“火箭上天的过程和之后的变轨等需要精确制导,地上相差1秒钟,天上可能就相差十万八千里了。因此,这些工程对时间的精确度要求就特别高,误差不能超过1微秒”。

  “考虑到时间信号在传输过程中的误差,我们的发射台要求所发布时间的精度偏差不超过0.5微秒,而我们台本部所产生的时间精度必须达到0.1微秒量级。”

  国家授时中心目前由两部分组成,一部分是临潼本部,负责“生产”高精度时间,一部分是位于几十公里外陕西蒲城县的发射台,负责发射本部“生产”的时间信号。王正明带领记者参观的正是本部的“时间生产车间”,精确到0.1微秒的时间就在这里产生。

  在位于地下一层的几个房间里,陈列着几个外形并不大,外表非常简单的仪器。

  “这些外表简单,其实非常精密的仪器是原子钟,它利用原子非常恒定的跳动来确定时间基准,由原子钟所确定的时间基准是目前被认为最精确的时间尺度。”王正明介绍说。

  但并不是有了原子钟,就可以知晓最精确的时间。每一个原子钟和每一个钟表一样,所报出的时间也有细微的差别,要想得到最精确的时间,必须经过复杂精密的比对、计算。此任务由王正明担任首席专家的时频基准实验室承担。“我们一直不断地在9台钟之间比对计算,同时还通过GPS共视比对和卫星双向时间频率比对,代表中国与国际原子时间标准相联系,一方面不断提高我们所产生的时间的精度,同时也对国际原子时的保持做出贡献。”王正明说。

  据了解,全世界共有50多个时间时频基准实验室,拥有250多台高稳定原子钟报时系统。这些实验室每一个钟所报的时间数据在每一个月都汇总到巴黎国际时间计量总部,总部经过比对计算之后,找出最精确的时间,成为国际协调时,再反馈给50多个实验室。

  一个不争的事实是,谁拥有的原子钟越多,最终得出的时间结果就越精确。基本上,国际协调时是全世界目前250多台钟时间数据的平均值。和国际协调世界时差异最小的是美国海军天文台,拥有90多台原子钟,因此和国际协调时相差只有几个纳秒(10-9秒)。“我们目前本地协调时和国际协调时的偏差已经控制在50个纳秒之内,达到国际先进水平。”王正明告诉记者。

  这些原子钟价值都非常昂贵,有的单价8万美元,有的20万美元,这还不算为保证这些仪器正常工作所要求的相应的温度、湿度保持,及抗震等附属设施的代价。更重要的是这些仪器并不是仅仅有钱就能买来的。

  这些钟都来自于美国,国内目前还无法生产。而美国对出口这些钟是严格限制的,尤其是对中国出口,每出口一台钟,都必须经过美国国防部的同意。中国目前只有两家有进口资格,一个是中国科学院国家授时中心,一个国家计量局。进口同时还必须保证只用于科学研究,不能直接应用于军事。另外,每进口一个新钟,必须返回旧钟。

  据王正明介绍,他们目前正准备建立国家综合原子时系统,设想将散落在全国各地天文台等单位的几十个原子钟资源利用起来,进行时间数据比对计算,这样得出的时间精度会更进一步提高。

  每天,从这里产生的高精度基准时间信号,通过微波传送到授时台进行发播。发射台位于几十公里外的蒲城县。

“时间产品”走进百姓生活

  陕西蒲城一处土山下的普通农田,就在地下20米深处,深藏着国家最重要的可以防核战的授时发射系统。

  这里共有短波和长波两种授时方式。短波授时台每天24小时连续不断地以四种频率交替发播标准时间、标准频率信号,覆盖半径超过3000公里,授时精度为毫秒(千分之一秒)量级;长波授时台每天定时发播高精度长波时频信号,地波作用距离1000-2000公里,天地波结合,覆盖全国陆地和近海海域,授时精度为微秒(百万分之一秒)量级。

  选址蒲城是出于备战的需要,时在1966年。

  由陕西天文台发展过来的国家授时中心如今已经走过了备战的年代。

  王正明是1968年从南京大学天文学系毕业后来到当时的陕西天文台的。她亲身经历了从70年代到80年代,国家授时服务中心从恒星定时的天文报时到靠原子跳动定时的原子钟报时的转变。也经历了该中心从当时的备战到现在全方位服务的转变。

  科技处处长窦忠向记者介绍了国家授时服务中心的新业务:

  2002年4月1日,国家授时中心新建成的低频时码授时台正式试播。低频时码技术在电子政(商)务、电力电网同步、通讯网同步、金融证券系统、中低精度军用、电波钟表产业等诸多领域有着广泛的用途和巨大的产业化前景。在现在所有钟表中提供最精确时间的电波钟正一步一步走向市场。

  目前,国家授时中心还开展了网络授时服务、电话授时服务等。电话授时系统可满足几毫秒至几十毫秒中等精度时间用户的需求。网络授时服务在局域网内的授时精度达到0.5微秒。

  国家授时中心的“时间产品”正日益走进普通百姓的生活。

 

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