第1章 时间频率发展态势分析
时间是测量精度*高的基本物理量，稳定可靠的频率是时间产生的基础，本章在对时间频率基本概念进行阐述的基础上，介绍时间频率的发展历史与未来趋势。作为维持社会运行的基本参量，高精度的时间频率体现出国家的实力，支撑着国民经济、国防安全的长远发展。国家时间频率体系的主要目标就是统一时间，本章主要介绍国家时间频率体系的基本构成和现状。
1.1 时间频率与国家时间频率体系
时间是一个基本的物理量，为动力学系统和时序过程的测量及定量研究提供了必不可少的基准，是一切活动的基础。高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，涉及国家安全和发展，其应用范围从基础研究领域(天文学、地球动力学、物理学等)到工程技术领域(信息传递、电力输配、深空探测、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测、计量测试等)，关系到国计民生的各个方面(交通运输、金融证券、邮电通信等)。
时间也是从事国防建设和维护国家安全的重要参数。现代高技术战争是陆、海、空多军兵种高度配合下的立体化战争。体系与体系的对抗广泛涉及信息战、电子战、战场感知、精确打击、导弹攻防及空间作战等各个领域。统一的、高精度的时间频率标准不仅是信息化条件下多军兵种联合作战的前提，而且是提高信息化武器装备作战效能的基础。没有统一的、高精度的时间标准，就不可能实现体系内各军兵种、各种武器装备的协同作战；没有高精度的频率源，就会影响通信、导航、雷达和电子对抗等各种高技术电子设备的有效性，进而影响部队的战斗力。因此，统一的、高精度的时间频率标准已经成为现代高技术战争的核心技术之一[1]。
长期以来，美国、俄罗斯等国家都非常重视本国时间频率标准的建立和管理工作。早在1971年，美国国防部就颁布了5160.51指令，对其所属单位使用的精密时间和时间间隔标准进行了规范。1985年，新发布的5160.51指令进一步阐明了美国标准时间的建立与保持、政策协调、使用要求及相关责任，明确规定了美国时间频率标准和标准时间的管理机构，实现了美国国家全球化战略时间频率标准的高度统一。
第二次世界大战结束不久，苏联就建立了本国的国家时间频率标准。目前，俄罗斯国家时间频率的*高协调机构是由俄罗斯联邦国防部、俄罗斯联邦国家标准化与计量委员会及其他九个部委联合组成的部际委员会，国家标准时间由国家授时和频率及地球公转参数测定站管理协调。
1.1.1 时间频率的定义
时间是表征物质运动的*基本物理量。时间的含义包括两个概念：时间间隔和时刻。时间间隔描述物质运动的久暂，表示时间持续的长短；时刻描述物质运动在某一瞬间对应于绝对时间坐标的量度，也就是描述物质运动在时间坐标中的属性。时间间隔与时刻，二者既有各自的属性，又相互紧密联系，统称为时间。频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，是建立时间系统的基础，时间和频率紧密关联，统称为时间频率。目前，时间是测量精度*高的基本物理量[2]。
目前，国际上常用的时间尺度有世界时(universal time， UT)、国际原子时(international atomic time， TAI)和协调世界时(coordinated universal time， UTC)。世界时是以地球自转运动周期为基础，通过天文观测确定的时间尺度；国际原子时是利用原子振荡频率确定的以原子时秒长为基础的时间尺度；协调世界时以国际原子时秒长为基础，在时刻上尽量靠近世界时(不超过)，目前协调世界时采用闰秒实现与世界时时刻的一致。协调世界时既保持了原子时的均匀性能，又保持了世界时与地球自转的相关性能，是目前官方使用的国际标准时间[3]。
1.1.2 时间频率对社会发展的重要性
从远古时期开始，时间频率就是人类活动中不可或缺的组成部分，因此时间频率的重要性不言而喻。
在农业社会，人们对时间的需求主要表现在对农时的要求。为了在合适的时间进行耕种、收获，人们通过天象观测等手段制定了精确的农历。到了大航海时代，导航成为当时航海家远航的瓶颈问题，地理纬度很容易通过六分仪观测太阳测定，但地理经度的测定有相当的难度，由于地球的自转，若要测量地理经度，则需要精确地测量两地的时间差，对海上经度的测量转换为对时间的测量，要求使用高精密的机械钟进行守时，这促进了时间测量技术的发展；现代社会对时间的需求更是成为人们生产生活的基础，主要体现在以下方面。
(1)时间具有*特的计量学特征。
与其他物理量分级传递不同，在七个基本物理量中，时间是唯一可以直接将国家标准传递到用户的物理量，该特质使得时间的应用*为普遍，成为现代精密测量的基础。2018年11月16日，国际计量大会通过决议，将千克、安培、开尔文和摩尔四个基本物理量的基本单位改由常数定义，并于2019年5月20日起正式生效。这样，在七个基本物理量中，所有定义都直接或者间接由时间的定义导出，时间的重要性进一步凸显，成为*重要的一个基本物理量。时间是七个基本物理量中测量精度*高的物理量。对物质世界认识的不断追求，驱使人们不断提高时间频率的测量精度。
(2)时间频率也是人们日常生活和工作中*常用的基本参量。
时间频率的应用范围从重大的科学实验、工业控制、邮电通信、大地测量、现代数字化技术、计算机以及高科技的人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、导航、定位乃至人类的日常生活。随着社会的发展，对信息传输和处理速度的要求越来越高，需要更高精度的时间频率基准和更精密的时间频率测量技术。
(3)高精度时间频率研究对科学技术的发展具有重要的推动作用。
著名科学家门捷列夫认为测量是科学的基础。追求认知和改造自然能力的不断提高，驱使着人们不断深入研究时间频率测量和时间频率精度的提高，人们可以更深层次地探索自然规律，推动基础科学研究的进步。同样，高精度时间频率的成果是*前沿的物理理论和*先进的技术结晶，其研究涉及原子分子物理、量子物理、量子电子学、光学、固体物理、材料科学、激光物理与技术、电子技术、微波技术、真空技术和自动控制技术等领域。在诺贝尔物理学奖的名单中，迄今已有十四位获奖者的贡献与时间频率的发展有关(近二十年有四次)。物理学基本理论的检验需要很高的频率测量精度，通过测量精细结构常数随时间的变化来检验广义相对论，需要频率测量精度优于10–18；通过激光干涉进一步检验引力波的存在，需要频率测量精度优于10–19。人们在设法寻找物理关系将其他物理量的测量转换为时间频率的测量，以提高其测量精度和便利性，时间频率测量精度的提高对现代科学技术的发展有着深远的影响。
(4)高精度时间频率直接关系着国家安全和社会发展。
时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，其应用范围从基础研究渗透到了工程技术应用领域，例如，具有战略意义的卫星导航系统为军民用户提供了精确的位置信息、速度信息和时间信息，而卫星导航系统的基础是时间频率测量。高精度时间频率是信息化高新军事装备的心脏，是实施一体化联合作战的**前提。各类军事信息基础设施、数据链装备、“杀手锏”武器及作战平台的建设都离不开统一的高精度时间频率。美国和俄罗斯等国家大力发展导航定位授时体系，对时间频率的发展进行了长远规划。
1.1.3 对时间频率的需求
时间频率的用户范围极广，统一来说，用户对时间频率的需求有以下三个方面。
*先是对标准时间的需求。指挥控制、联合作战、侦察预警等场合需要相互协作的各方有一个共同的时间来约束自己的行为，这就需要标准时间，一般对标准时间的需求为秒量级到纳秒量级，纳秒量级的需求相对较少。时间基准不统一，就不可能实施真正意义上的联合作战。
其次是对时间同步的需求。导航定位、雷达组网、敌我识别等场合需要几个测站之间同步，即几个测站的时间只需要同步到同一个时间，以至于这个时间与标准时间的偏差是多少并不影响系统的使用。对时间同步的需求相对较高，组网雷达等场合已经有皮秒量级的时间同步要求。
有时，对时间同步的需求可以转换为对标准时间的需求，例如，A站和B站要求相互之间的时间同步到5ns，有两种方式：一种方式是，在A站和B站之间进行时间比对，测量两个地方的钟差，这就是单纯的对时间同步的需求；另一种方式是，A站与标准时间同步到3ns，B站与标准时间同步到3ns，那么A站和B站也同步到，这就转换为对标准时间的需求。
*后是对标准频率的需求。通信、侦察、雷达等场合对系统发射的频率准确度和稳定度有一定要求。一般卫星导航系统的授时精度只有10ns量级，根据一段时间内用户时间的变化可以导出用户时钟的频率偏差，1天时间可以将频率校准到1×10–13量级。
1.1.4 国家时间频率体系
时间频率体系的任务是产生标准时间，并将标准时间发播给用户使用。时间频率体系与其他体系的分级传递不同，时间频率体系可以直接将标准时间发播到用户，不需要分级传递。
从应用环节来看，时间频率体系的主体包括三个环节[4]：守时、授时和定时。
1.守时
守时就是标准时间产生，我国的国家标准时间为中国科学院国家授时中心产生和维持的协调世界时UTC(NTSC)(NTSC为国家授时中心(National Time Service Center))。中国计量科学研究院(National Institute of Metrology，China，NIM)和北京无线电计量测试研究所(中国航天科工集团第二研究院二〇三所)也产生了协调世界时的物理实现，只是时间的单位“秒”计量的参考。
在发达国家都在建设的国家时间频率体系中，守时的大趋势是资源的融合和共享，利用分布全国的守时资源产生更加可靠的国家标准时间。
2.授时
授时就是向用户传递标准时间，目前已有卫星授时、长波授时、短波授时、低频时码授时、电话授时、网络授时等多种授时手段。
如果对时间的要求在毫秒量级或微秒量级，则有两种以上的授时手段可以使用。如果对时间的要求在纳秒量级，则目前只有卫星授时可用，我国和美国、英国等国家都在发展长波差分授时的方法，将长波授时的精度提高到10ns量级，可以与卫星导航系统授时实现并行服务，提高用时的安全性。如果用户需要更高精度的时间，则只能与标准时间之间建立专用的共视时间比对、卫星双向时间频率传递、光纤时间传递等手段。
3.定时
定时就是接收授时信号，产生用户需要的各种时间频率参考信号，一般由时间统一系统实现。
时间统一系统使用各种定时接收机接收授时信号，测量本地时间与标准时间的偏差，控制本地时间与标准时间同步。
一般时间统一系统有几种功能：授时信号接收、完好性分析(监测授时信号的异常和本地的异常)、时间保持(在授时信号异常时不影响系统使用)、时间输出(输出与标准时间一致的信号)。
广义上的时间统一系统需要根据用户的使用需求，产生用户需要的个性化的时间信号、频率信号、时码信号。因此，有些应用把定时称为用时。
从量值传递的角度，人们对温度、光强、质量等量值的使用是分级的，国家基准通过计量检定等方法，传给下一等级的计量标准，每一级标准都要向上一级标准进行溯源，与上一级标准保持一致，以统一全国的量值。
时间这个量值却是不同的，可以直接将标准时间传递到用户，也就是说，对于各种用户，只需要接收授时信号，就可以直接同步到标准时间，不需要进行分级传递。
例如，市场的时间不一定需要与其市里的时间同步，如果市场的时间和市里的时间都同步到标准时间，那么它们相互之间也实现了时间同步。由于市里对时间的精度要求较高，可以规定市里需要同步到1μs，市场需要同步到1ms，规定好后，由其自身选择接收卫星授时还是长波授时。
因此，对于时间频率体系，在守时、授时完善
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