解決方案

時間頻率的現狀及意義

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發表時間:2016-10-09 16:12作者:小齊來源:西安同步原創

在中國計量院的時間頻率研究室,有我國的國家時間頻率基準,無論是電視臺的時間信號還是千千萬萬臺時鐘;無論是衛星、導彈的發射還是無線電通信、交通運輸,所運用的時間最終都溯源到這里?!斑@個恒溫房間里存放的就是我國的時間頻率基準鐘組,共有兩臺氫鐘、兩臺銫鐘,它們一起構成了我國的守時鐘組?!毖芯渴抑魅螐垚勖艚榻B。

時間是國際單位制中7個基本物理量之一,是目前所有物理量中準確度最高的物理量。時間頻率作為最準確的基本物理量,一直在國防建設、國民經濟和人們日常生活中起著重要作用。早在春秋時期,我國就有借日測影計時一說,用尺子測量影子的角度和長度來確定時刻,以此來推算出一年中的24節氣。在民間還有燃燒長短、粗細相同的香來計時,一天能燃幾柱香,如民間流傳的“一柱香工夫”等。北京故宮保和殿還保存著銅壺滴漏計時用的4個銅壺,是以水位、容量、刻度來計時,如在壺中直立箭刻度的尺,分為一天一百刻,一刻相當于864秒,與現在的一刻鐘相差36秒?,F在,我國已經擁有了獨立完整的時間頻率體系,中國計量院保持的標準時間已經接近1300萬年不差1秒。

時間頻率和國民經濟密切相關,目前,國內通信網同步要求頻率準確度<1×10-11?,F代化的導航技術也是建立在高準確度的時間頻率技術基礎之上的。中國計量科學研究院已經建立了原子頻率基準[實驗室型原子鐘]和原子時間標準[UTC(NIM)];研究中的新一代原子頻標,其設計準確度可進入-15量級,有了高準確度的原子頻標之后,下一個重要任務就是建立相應的傳遞體系,使國民經濟各行業得到有效的高準確度時間頻率服務。

時間頻率作為一個重要的基本物理量在國民經濟、國防建設和基礎科學研究中起著重要作用。時間與頻率互為倒數。

時頻測試儀

它的主要特點有:時間頻率是目前最準確的基本物理量,準確度已經進入10-15量級。許多其他物理量,例如長度的米、電學的電壓都可由時間頻率導出。它是基礎物理學研究的一個重要方面。近十年來的諾貝爾物理獎有三個和時間頻率標準有關。

時間頻率有著良好的傳遞性,可用電波傳播而保持很高的準確度,是現代導航技術的基礎。美國**的GPS系統(全球定位系統)和俄羅斯的GLONASS系統(全球導航衛星系統)就是利用這一特點,綜合衛星和電腦技術建成的。在海灣戰爭和北約空襲南聯盟過程中GPS系統發揮了不可替代的作用。

它和人民大眾的日常生活密切相關,試問在今天的世界上誰能離開準確的時間?正是由于時間頻率如此重要,主要發達國家政府投入巨資研究開發相關技術,以求保持**地位。中國計量科學研究院保存著中國時間頻率的計量基準。原子時標始建于1980年,利用連續運轉的商品型原子鐘,3臺銫原子鐘和兩臺氫原子鐘組成一個鐘組,通過加權平均計算得出本地原子時,由此導出國家的標準時間——北京時間。其正式代號為UTC(NIM),并參加國際原子時(UTC)合作,同時由計量院保存的銫原子頻率基準對準確度進行校準?,F在的指標為:時刻偏差的不確定度為100ns,頻率的不確定度為5×10E-14。中國計量科學研究院現提供時間頻率傳遞服務,包括電視發播標準時間系統、網絡(Internet)授時、電話授時、GPS實時監測、以及各種頻率源和測量儀表的檢測和校準。

一個國家的時間頻率計量水平,不僅體現著一個國家的國力和科技發展水平,同時也體現著一個國家的自尊自強?!耙粋€國家時間頻率的精度與鐘組相關,更與其算法相關?!睆垚勖粽f。我國的時間頻率基準從上世紀80年代初就開始作為國家基準,一直連續不斷地履行著它的職能,其穩定度和準確度不斷提高。目前,這套系統直接溯源到我國最先進的銫原子噴泉時間頻率基準(NIM5)。也就是說,受NIM5噴泉鐘的駕馭,守時系統更加穩定,更加精確。這個技術方案,在國際上也是首次付諸實施并取得成功。

尖端武器、航天系統、導彈與火箭的發射及跟蹤,都需要高精度的時間和時間測量,同時要求高穩定度和高準確度的頻率控制。在現代武器裝備中,導彈、飛機、艦船等都安裝了精密傳感器裝置,用以接收裝有全球定位系統的衛星發來的信號,而武器上的計時器就是用來計算信號從衛星到接收器所用的時間來確定自身位置的,從而校正航向,準確地擊中目標。所以要使導彈命中率高,就是要提高計時器的準確度,否則就會出現“差之毫厘,謬以千里”的惡果。美國的一位科學家說,如果一枚導彈的計時器的誤差是十億分之一秒(1×10-10)的話,導彈的誤差則是10英尺(相當于3米)。

對航海的人來說,準確的計時是至關重要的,一艘輪船在浩瀚無際、天水一色的大海上航行,如果只靠手表來定位是十分危險的,因為一秒鐘的誤差就會使船的航向偏離400米。在對接試驗中,如果頻率標準不統一,應答機和雷達頻率要產生2兆赫的誤差,就可能失掉聯絡以致無法進行控制。核潛艇遠航定位,就是靠接收來的無線電波與發射無線電波之間的延遲時間來確定的,如果時間相差1微秒(10-6秒),將產生300米距離的偏差,也就無法擊中目標。在我國自行研制的通訊衛星上,發播標準時間頻率是目前世界上極為重要的一項先進技術,其主要優點是占用衛星功率少、與電視及廣播通訊等兼容、有很強的抗干擾能力,它能使定時精確度達到0.5毫微秒,還可用10米,甚至3米~5米的小型地面站接收。

在軍事上,標準時間頻率對艦艇、潛艇、飛機的導航和定位、火箭打擊和跟蹤目標,都有重要的作用。所以,世界各國都極為重視時間的準確度,千方百計地使計時器跟地球的轉速保持極限的同步,科學家們不停地關注著地球的自轉速度。根據銫原子和氫原子的固有振動頻率極為穩定的原理,來調整原子鐘跟地球轉速的誤差。

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