国际原子时及NTSC守时工作进展

董绍武，王燕平，武文俊，屈俐俐，袁海波，赵书红



国际原子时及NTSC守时工作进展

董绍武1,2,3，王燕平1,2，武文俊1,2，屈俐俐1,2，袁海波1,2，赵书红1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101048）

介绍了国际原子时（TAI）、协调世界时（UTC）以及我国标准时间UTC(NTSC)的产生和发展。简要介绍了国际标准时间的定义、国际时间比对技术的发展、TAI和UTC计算方法、工作规范的发展和未来可能的形态。介绍了我国原子时工作的历史和发展，以及时间基准保持性能、国际比对及溯源和时间信号服务方面的最新进展。

TAI和UTC；UTC(CSAO)；UTC(NTSC)；国际比对；北斗时

0 引言

现代守时工作的标志是基于原子秒长的时间尺度的建立以及原子钟在守时工作中的广泛使用。有正式记载的国际原子时（International Atomic Time，TAI）工作可追溯到1967年，根据国际时间局（BIH）年报《BIH RAPPORT ANNUEL POUR 1967》记载[1]，当时只有包括美英法德的12个守时实验室参与TAI的归算，在这期BIH年报上登载的信息很少，主要是1966年的数据和时间信号发播台站信息。随着原子钟性能的提高以及远距离高精度时间比对手段的出现，国际原子时TAI的计算方法、工作规范不断完善并持续改进。伴随天文学、物理学等自然科学学科的发展，它们对于时间尺度的稳定性提出了越来越高的要求。过去的半个世纪中，全世界实际使用的时间尺度从稳定度为10-8/d的地球自转产生的世界时UT，过渡到目前稳定度达几×10-14/d甚至更高的原子时TA。为科学应用提供具有高稳定性的时间系统，是世界上所有的时间实验室的共同任务。近50年来，原子钟的准确度由最初10-11到目前锶原子光钟10-18，远距离时间比对精度由罗兰系统的微秒量级发展到目前卫星双向时间频率传递（TWSTFT）和GNSS精密单点定位（PPP）的亚纳秒级，精度提升了1万倍。

我国陆基无线电长、短波授时服务所依赖的时间基准UTC（CSAO）系统建成于20世纪70年代末，其缩写CSAO表示中国科学院陕西天文台，是中科院国家授时中心（NTSC）的前身。据1980年的国际时间局年报（BIH1980）记载，当年全球共有45个守时实验室参与国际原子时TAI和协调世界时UTC（Coordinated Universal Time）的归算和保持。当时，由中科院陕西天文台建立和保持的我国时间基准UTC（CSAO）系统由3台铯钟和两台国产氢钟组成，其原子钟差数据已经正式参与国际原子时TAI归算，国际时间链路采用Loran-C西北太平洋链（9970-Y）时号接收实现。1987年国际时间局年报（BIH Annual Report for 1987）已经正式发布了我国综合原子时TA（JATC）的数据，当时JATC系统由包括中科院陕西天文台（CSAO）、中科院上海天文台（SO）、中科院北京天文台（BAO）、中科院武汉物理所（WTO）以及北京无线电计量研究院BIRM的约22台各类原子钟共同归算，是最早实现原子钟资源共享，异地联合守时的典范。上世纪90年代初，CSAO在国内率先启用当时最先进的远距离时间比对技术——GPS共视时间比对，进行国际比对。

四十多年来，UTC（NTSC）连续、稳定、可靠运行并不断进步和发展，守时性能不断改进、作用不断拓展。目前UTC（NTSC）是全球最重要守时系统之一，对国际原子时归算的权重贡献连续多年排在全球前三位，为国际时间工作做出了重要贡献。同时，UTC（NTSC）为我国的授时服务工作做出了卓绝贡献[2]，满足了我国各个时期战略导弹、卫星发射等国防军工任务、国民经济建设以及科学研究对精密时间的需要。进入新时期，随着我国北斗卫星导航系统的建设，UTC（NTSC）作为北斗时间的溯源参考和备份，为北斗系统的试验验证、性能评估以及建设和运行发挥了重要作用。随着北斗卫星星座的完善，目前已经能在亚洲提供导航和授时服务，为了推动北斗系统的发展和应用，开展了UTC（NTSC）与欧洲守时实验室UTC（）间的洲际比对试验并取得初步结果。我国北斗系统未来将作为国际原子时国际比对手段之一对全球时间工作做出贡献。

1 国际原子时TAI的定义和发展

国际天文联合会（IAU），国际无线电科学联盟（URSI）和国际电联无线电咨询委员会（CCIR，后来的国际电联无线电通讯局ITU-R）分别于1967，1969和1970年建议由当时的国际时间局（BIH）统一归算基于原子时间长度的国际时间标准，该国际时间标准在1971年的第14届国际计量大会（CGPM）决议中，被最终命名为国际原子时TAI。

1.1 TAI和UTC

从1988年起，由国际权度局（BIPM）时间部负责国际原子时TAI和协调世界时UTC的归算，代替原来BIH的工作。时间部门用来计算时间尺度的算法是一个迭代过程，产生自由原子尺度EAL并进而得到TAI和UTC。一直以来，BIPM采用ALGOS（加权平均）计算EAL，ALGOS也经历了多次的改进和发展，其目的是提高EAL的长期稳定性和TAI的准确性[3]。

当前，BIPM每个月计算一次国际参考时间尺度。计算步骤如下：

①基于分布于全球的自由运转的原子钟（截止2017年6月30日约460台）的加权平均计算出自由原子时EAL。EAL计算方法是首先给出EAL和每个参加计算的原子钟的差：

②对EAL的频率进行校准以与国际单位制SI秒定义一致。

③ 根据地球自转速率在TAI添加闰秒以在时刻上尽量接近UT1，从而获得UTC。闰秒的确定和发布由国际地球自转服务组织（IERS）负责。

1.2 EAL的稳定度

在计算UTC时，大约有89%是高性能的商用铯原子钟或主动型氢原子钟。近两年来，在参与TAI计算的全球守时实验室中所用的氢钟增加了28%，而铯原子钟的数量则没有显著增加。在时间尺度计算中采用的加权方法保证了EAL的长期稳定性，为了防止EAL由少数非常稳定的时钟所控制，采用最大相对权重的办法，每个月使用的最大相对权重取决于参与EAL计算的总的钟数量。在2016年，平均来说大约有12%的钟取到最大权，而几乎所有这些钟都是氢钟。2014年启用的改进加权算法的核心思想是基于时钟频率的可预测性，这种方法增强了氢原子钟在自由原子时间尺度计算中的影响[3]；大概只有0.1%的铯钟达到最大权。2016年底，用Allan偏差表征的EAL的稳定度为3×10-16/30 d。截止2017年6月30日，全球共有74个守时实验室的460余台各类原子钟参与TAI计算，国际时间工作合作更加紧密[3-4]。如图1所示。

图1 国际时间比对网及枢纽站

1.3 其他时间尺度UTCr和TT

为了比较UTCr和UTC，对每个守时实验室的UTC和UTCr的差计算权重平均[3]：

②TT（BIPM）由国际天文学联合会（IAU）定义，是地球时TT（Terrestrial Time）的实现。TT（BIPM）由国际权度局BIPM下一年年初计算，基于TAI频率估计的加权得到。它主要用于需要长期频率稳定度和超高频率准确度的科学应用，如脉冲星计时。

TAI是“实时”计算的结果，它不是TT的最优实现。BIPM于是利用后处理方法追加计算一个TT（BIPMXX），其计算的原理是基于由基准频标给出的TAI频率估计值的加权平均，TT（BIPMXX）的单位与在旋转大地水准面上的SI秒一致。理论上说，TT是统一的时间尺度，而TAI是统计方法导出的原子时，因此TT和TAI并不完全一致。在±10μs的容值范围内，二者的差是常数。其关系如下：

该常数偏差值是1958年1月1日TAI时间历元时历书时（ET）与世界时（UT1）偏差的估计值，TT可以被认为是TAI的理想形式。BIPM于2016年元月给出TT更新计算值TT（BIPM15），其有效期至2015年12月。最新版TT（BIPM16）使用2016年12月前所有一级和二级频率标准的数据，所有频率标准数据都加上了黑体辐射漂移改正。TT（BIPM16）和TT（BIPM15）的最大偏差是3.6 ns。在下一次更新计算前，用户可以通过下式获得TT的实现（在MJD 57 749后）[5-6]：

2 我国时间基准UTC(NTSC)系统及其性能分析

随着原子钟性能的提升和远距离比对手段的发展进步，国际原子时归算方法以及相应的工作规程在不断发展、进步。UTC（NTSC）是国际时间UTC的物理实现，是国际原子时系统的最重要成员之一，NTSC的守时工作一直与国际原子时系统同步发展，与时俱进的守时工作保障了UTC（NTSC）性能的不断提升和我国授时发播工作的发展和进步。

表1 UTC(k)相对于UTC的指标 ns

注：NTSC：中科院国家授时中心；NICT：日本通信与技术研究院；OP：法国巴黎天文台；PTB：德国物理技术研究院；SU：俄罗斯国家时间中心；SP：瑞典国家技术研究中心；USNO：美国海军天文台；NIM：中国计量科学研究院

标准偏差计算公式如下：

3 北斗时间国际比对及其应用

我国北斗全球卫星导航系统时间历元2006年1月1日，UTC（NTSC）是北斗系统时间的溯源参考和BDT与国际标准时间UTC的桥梁。随着北斗系统的建设和发展，为拓展北斗应用，国家授时中心时间基准实验室基于我国时间基准UTC（NTSC）系统，采用北斗共视（Beidou common-view）法，通过与瑞典国家技术研究中心（RI.SE）所保持的瑞典国家标准时间UTC（SP）的比对（> 7 000 km），实现比对精度2.25ns，在北斗系统星座还不完善的情况下（目前在欧洲只能观测到4颗卫星）其性能与GPS共视相当。此次亚欧国际时间比对，为北斗比对正式纳入国际原子时TAI归算比对链路做了技术准备，对于北斗走向国际拓展应用具有重要价值和里程碑意义。图2是2017年NTSC与瑞典SP间的北斗共视比对结果。

图2 亚欧北斗共视比对

4 TAI的未来

随着新型频率标准和比对技术的发展，特别是可连续运转可作为守时钟的喷泉钟的使用，TAI的形态可能面临很大的冲击[3]。同时，UTC定义的可能修订也为现有全球时间体系带来变数。在国际时间比对方面，随着科学技术的发展，时间尺度的计算方法反映了新的科学方法和技术手段，TAI和UTC的形态应能满足守时实验室和用户的需求。目前，支撑TAI全球比对网的主要是两种独立的技术：基于通信卫星的卫星双向比对TWSTFT和基于导航卫星的GNSS观测。守时实验室运行的GNSS观测设备包括GPS或者GPS/GLONASS单频、双频码测量以及GPS相位测量。未来，随着伽俐略、北斗卫星系统的应用，将会为国际原子时比对网络提供更多手段。目前，同时使用卫星双向和GNSS PPP的守时实验室有十多个，其他实验室使用GNSS观测。当TWSTFT链路可用时，钟差计算来源于某个守时实验室和枢纽站间的直接比对结果，当双向链路不可用时，用GNSS数据将实验室和枢纽站连接起来[3]。目前国际原子时的这种比对结构，认为钟差是不相关的，其结果是枢纽实验室低估了其不确定度，所以目前估计的不确定度应该比实际值小。新的解决方案基于冗余系统，并考虑钟的相关性，从而采用新的不确定度表征方法。而对于双向比对，链路不确定度不变。

目前，GNSS观测的时间稳定度可以达到100 ps（1 d）或10-15频率稳定度，30 d可以达到300 ps和10-16，与卫星双向比对的性能相当。但卫星双向比对受限于信号强度、带宽和昂贵的通讯卫星转发器租赁费用。因此，未来的改进可能寄希望于GNSS技术的应用，比如使用能带来更多测量的新系统和新的码测量比如使用Galileo E5信号[3]，使用新的数据处理技术应该也能改进现有测量结果。由于UTC的不确定度主要来源于比对链路的不确定度，因此，比对技术的发展和进步将极大改进UTC的性能。另外也可以在一些有条件的实验室间采用其他更精确的比对技术如光纤，从而实现更高的比对精度。期望使用一切可用的技术、方法和信息解决比对链路的冗余问题，以为TAI的建立提供更准确的解决方案[2]。

在时间尺度新定义方面，随着准确度达10-17甚至更高原子钟的出现，将必然导致对“秒”的重新定义。另外，2000年以来的关于闰秒问题的大讨论已经使全球时间体系出现分裂，也使各国原子时系统的未来充满不确定性。2023年的世界无线电通信大会将可能接受关于UTC定义的修订。这将对各国的授时服务造成极大的影响。对国际时间体系和未来参考时间尺度的形态的研究也将会一直进行下去。

[1] BIPM. BIPM RAPPORT ANNUEL POUR 1967[EB/OL]. (2016-08-10)(2017-09-26). ftp://ftp2.bipm.org//pub/tai/annual- reports/bih-annual-report/.

[2] 董绍武, 屈俐俐, 袁海波, 等. NTSC守时: 国际先进、贡献卓绝[J]. 时间频率学报, 2016, 39(3): 129-137.

[3] PETIT G, ARIAS F, PANFILO G. International atomic time: status and future challenges[J]. Comptes Rendus Physique, 2015, 16(5): 480-488.

[4] ZHAO Shu-hong, DONG Shao-wu, QU Li-li, et al. A new steering strategy for UTC(NTSC) based on hydrogen maser[C]//2016 IEEE International Frequency Control Symposium, 2016: 227-231.

[5] BIPM. BIPM Annual Report on Time Activities(2016)[EB/OL]. (2016-12-30)(2017-11-12). https://www.bipm.org/en/bipm/tai/annual-report.html.

[6] BIPM. BIPM Circular T[EB/OL]. (2017-05-26) (2017-09-26). http://www.bipm.org/jsp/en/TimeFtp.jsp?TypePub=Circular-T.

[7] 中国科学院国家授时中心时频基准实验室. 时间基准系统运行情况[K]. 2016.

[8] GUANG Wei, YUAN Hai-bo, DONG Shao-wu, et al.The evaluation of BeiDou time transfer performance[C]//2016 IEEE International Frequency Control Symposium, 2016: 1-4.

Progress of TAI and timekeeping work in NTSC

DONG Shao-wu1,2,3,WANG Yan-ping1,2, WU Wen-jun1,2, QU Li-li1,2, YUAN Hai-bo1,2, ZHAO Shu-hong1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China)

The generation and development of International atomic time scale (TAI) and the independent local atomic time scale TA(NTSC) are presented in this paper. The algorithm, work specifications and definition of TAI, as well as the progress and development of international time comparison techniques are introduced briefly. The progress and development of modern time service work in China are introduced, including timekeeping performance realized, international time link, traceability and time signal services.

TAI and UTC; UTC(CSAO); UTC(NTSC); time comparison; BDT

P127.1+2

A

1674-0637(2018)02-0073-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2018-02-0073-07

2017-11-09；

2017-12-28

国家自然科学基金资助项目（11473029，11703030，11773030）

董绍武，男，研究员，主要从事时间基准保持研究。