1.2.3 时间统一技术发展历程

时间统一技术是实现高精度时间服务和维持高精度时间基准的关键。没有高精度的时间统一技术不可能实现分布在世界各地的时间实验室和不同用户的时钟之间保持高精度的时间同步，也不可能实现高精度的守时和授时。而且，原子钟的性能基本上每7年提高一个数量级，这就要求不断地提高时间比对的精度[3]。时间最显著的计量学特征是通过某种时间统一方法将其传递至众多节点。当前主要的时间统一技术有：搬运钟、卫星双向时间统一、GNSS时间统一、光纤时间统一等。

1.2.3.1 搬运钟技术

搬运钟技术是最早的时间统一技术。这一技术可追溯到1923年，W.G.Cady等携带简易的压电晶体振荡器与意大利、法国、英国和美国的频率标准进行比对。1958年，在美国海军天文台与英国国家物理实验室之间，首次利用搬运原子钟技术进行频率比对实验。1959年通过搬运原子钟，实施了一次世界范围内的时间同步实验。1967年，首次简易铯原子钟由瑞士飞越了美国、加拿大和远东的几个时间中心进行时间比对，获得10-12量级的一致性。我国搬运钟实验开始于20世纪70年代后期，当时采用的是铷原子钟。自1978年10月天文台系统成功地利用飞机搬运西德铷原子钟，检验短波和长波时间同步系统后，第十研究院、航天部、中国计量科学研究院、上海天文台等单位先后进行了搬运钟实验，为我国的天文、授时、航天、导航等事业做出了巨大贡献。

搬运钟方法方便快捷、可信度高，适用于中近距离的时间比对，但该方法受到时钟性能、钟参数估计方法、钟搬运条件和运输费用、钟差测量精度、环境因素等的限制，难以实现广泛应用。随着全球定位系统的兴起，飞机搬运钟比对被逐渐边缘化[4]，本书将不再对搬运钟技术进行详细介绍。

1.2.3.2 卫星双向时间统一技术

自人造卫星上天后，利用卫星传输时间频率信号进行时间比对得到了广泛重视。1960年，首次采用ECHO I卫星做单向时间传递试验，因时延无法准确测定，结果较差。1962年，美国海军天文台（USNO）和NRL（现NPL，National Physical Laboratory）用TELSTAR卫星做了跨大西洋的时间比对试验；1965年USNO和RRL（现CRL，Communications Research Laboratory）用RELAY II卫星实施跨太平洋的时间比对试验，当时的比对精度为0.1～1μs[5]。随着扩频技术和伪随机码技术的应用，时间比对精度大大提高，现在卫星双向时间比对（Two Way Satellite Time Transfer，TWSTT）的精度可达纳秒甚至优于纳秒级[6-8]。

此外，卫星双向时间比对也是国际计量局（BIPM）计算国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）的重要方法。本书将在第5章对卫星双向时间比对技术进行详细的介绍。

1.2.3.3 GNSS时间统一技术

GNSS的主要功能之一是提供授时服务，即根据参考时间基准对本地时钟进行校准。20世纪70年代，美国和苏联相继开始研究用于全球定位、导航和授时的卫星导航系统——GPS和GLONASS，系统先后于90年代具备初步运行能力。中国和欧盟在20世纪90年代开始规划和建设自主的卫星导航系统——北斗和Galileo，系统如今也都具备运行能力。基于GNSS实现时间统一的方法主要包括单向授时、共视比对授时、全视授时、精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）等。

GNSS设计之初的授时方法主要为单向授时：地面接收机接收GNSS卫星信号，结合卫星到接收机天线相位中心的几何距离和大气延迟信息，解算本地钟和星载钟之间的钟差，进而实现对本地时钟的授时，授时精度约为15ns。而且，单向授时的接收机成本低、信号覆盖全球，可同时为众多用户提供服务。

1980年，Allan和Weiss提出导航卫星共视时间比对授时法（Common View，CV），通过消除星载钟的影响，以及一部分卫星位置和电离层、对流层的影响，能够获得精度比GPS单向授时法高（几个纳秒的水平）的授时结果[9]。该方法自提出后，迅速成为主要的时间传递技术。到20世纪80年代末，国际计量局（BIPM）的时间部正式采用标准化的GPS共视时间比对技术，将全世界几十个守时中心的主钟联系起来，建立了准确度最高的国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）。本书将在第5章详细介绍卫星共视时间比对技术。

随着IGS开始提供精确的GPS产品，Jiang和Petit于2004年提出全视授时法（All in View，AV）[10]。全视授时法的观测数据中增加了高度角较高的观测量，并结合高精度的IGS产品，能够获得较共视授时法更优的授时结果，可以保证一天内的误差小于100ps[11-12]。时间频率咨询委员会（CCTF）于2006年9月决定采用AV法代替CV法进行TAI比对。

精密单点定位技术用于授时的原理与全视授时法类似。由于GNSS的载波相位测量值比伪距测量值精度高出两个数量级，且多径效应的影响较小，并且可以更好地估计大气延迟信息，因此，CCTF在2006年9月举行的第17届会议上，通过了“关于在TAI中使用GNSS载波相位接收机进行时间与频率传递”的建议。其中要求国际计量局“应高度合作开发自主解决方案，并免费向其他实验室提供，以及加入时间比对数据库”。

1.2.3.4 光纤时间统一技术

利用光纤进行高精度时间同步是当前时间统一领域的热点。光纤具有通信容量大、温度系数小、中继距离长、损耗低、抗干扰能力强等优点，其用于时间传递的主要方法有环回法和双向时间比对法[13]。近年来，国外多家研究机构在实地光纤时间传递方面展开了研究测试：2009年瑞典SP技术研究所（SP Technical Research Institute of Sweden）在560km的光纤链路上实现了优于1ns的光纤时间同步指标[14]；2010年捷克教育科研网络（CESNET）在744km的光纤链路上实现了时间传递的秒级稳定度优于100ps，时间同步不确定度为112ps的光纤时间传递[15]；2013年法国巴黎天文台在540km的光纤链路上实现了时间偏差20ps的时间同步精度[16]；同年波兰克拉科夫理工大学在420km光纤链路上实现了时间传递，其稳定度优于50ps[17]；2011年，欧洲还发起了欧洲精确时频传输网络（NEAT-FT）联合研究项目，拟建设时间同步不确定度优于100ps的欧洲时频光纤同步网络[18-19]。

国内的多个研究机构在光纤时间同步领域也相继开展研究工作：从2003年开始，国家授时中心就持续开展设备研制与实验测试，现已建立了多条完整的千公里级实地光纤时间频率传递实验平台；2010年解放军理工大学在125km室内光纤上的时间同步精度优于0.5ns[20]；2014年清华大学在实地80km的光纤链路上实现了±50ps的时间同步指标[21]；2016年中国科学院上海光学精密机械研究所在实地230km（150km+80km级联）光纤链路上的时间同步准确度为90ps，平均时间102～104s的时间稳定度为3.5ps[22]；同年，上海交通大学在约6000km实验室光纤链路上的光纤时间同步偏差小于70ps[23]。

经国内外诸多机构的试验验证，光纤时间同步技术能够达到较高的精度，但仍存在一些问题，如长距离传输中需要考虑中继和信号补偿，以及无法对运动目标授时等。有关光纤时间统一技术的详细介绍，本书将在第5章讲述。