光纤授时让时间传输达到皮秒级

阳光照耀晷针，在巨石圆盘面上投射出清晰的针影。时光在日晷的转动中静静流淌，不疾不徐，步履不停。

时间标注着事件发生瞬间和持续历程，是目前测量精度最高、应用最广的物理量。日前，中国科学院国家授时中心牵头承担的“高精度地基授时系统”研制与建设任务取得新进展，团队完成了西安至太原段1839千米双纤双路时间传递系统的设备安装和性能测试，标志着我国建成了全球首个10皮秒级稳定度的1000千米级光纤时间传递工程应用系统。

从日晷、沙漏，到机械钟、石英钟，再到今天的原子钟，未来的高精度地基授时系统⋯⋯时间之争，只争毫厘。

10皮秒意味着什么

时间“嘀嗒”，就是我们常说的1秒。“1皮秒等于1万亿分之一秒，相当于将1秒的小数点向前移动了12位。时间传递稳定度达到10皮秒量级，说明‘北京时间’的授时精度达到了千亿分之一秒。”中国科学院国家授时中心副研究员陈江告诉科普时报记者。

时间无处不在，但普通人往往对授时没有概念，很难了解高精度时间的价值。“这一成果将现有的授时精度提升了1000倍。”陈江说，我们熟知的飞机、军舰、战车、导弹等，都可以通过计算信号从卫星到自身所用的时间来确定自身位置、校正航向。

陈江举例说，洲际弹道导弹的最快飞行速度已达26马赫（8800米/秒）。为了能精确打击目标，导弹对于时间精度的要求也要达到千分之一秒，稍有0.3秒的偏差，就会偏离打击目标2.6公里。而作为防御，拦截导弹对于时间精度的要求更是要达到万分之一秒。

弥补卫星授时的不足

授时就是把国家标准时间，通过有线和无线的技术手段发播给用户。“光纤授时是一种新兴的、以光纤作为传输信道，以激光作为信息载体的高精度时间频率信号传输手段。” 陈江说，光纤时间传递系统是整个高精度地基授时系统的基础，是目前应用前景最好、传递精度最高的授时手段。

目前，广泛应用的是卫星授时系统，比如美国的GPS和我国的北斗。“卫星授时的优点是覆盖广、成本低，但随着发展需要，卫星授时精度的提升也遇到了瓶颈。”陈江解释说，卫星授时可靠性相对较低。比如，卫星授时接收机需要从开放的空间接收导航卫星信号，容易受到来自地面以及低空的无线电干扰，将影响授时精度及可靠性。

陈江说，利用光纤传递时间频率信号的精度已经远远超过卫星授时。“光纤授时可以较好地兼容光纤通信系统，并依托光纤通信网，建设网络化的光纤授时系统，大大增强该授时系统的可靠性与抗打击能力，满足各类用户需求。”

创新性技术保驾护航

为了能够实现大范围的高精度时间同步，团队在实际光纤链路上铺了一张“大网”。这张复合组网，将链路上的站点串联，以多用户技术为基础，避免了站点间时间同步的传递误差不断累积。

光纤链路传递过程中，难免会遇到逐级累加的噪声干扰。“团队突破了净化技术，消除引入的噪声。”陈江说。

为保障整个系统的可靠运转，稳定的光源必不可少。陈江透露，团队研制低相噪超稳光源作为传递光源，采用光纤光频级联传递技术，一举实现了长距离站点间高精度的光学频传递。

在网络架构方面，光纤授时系统采用的是双线传输，链路上的任意授时站点都可以接收来自上、下游两个方向传来的时间频率信号。“考虑到华北和华南地区的光纤环网结构，设置多个光纤授时路由，减少单点线路故障导致的授时信号中断现象的发生。”陈江说。

陈江介绍，我国未来要建设国际上首个线路总长约20000千米、时间同步精度达到100皮秒和频率传递稳定度达到19量级的高精度光纤授时运行系统。那时，在壮美的祖国山河上，高精度时间频率有望搭乘光纤，在更多重大科技平台上大展拳脚。