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光纤授时领先世界 地面北斗创想未来

时间:2016年12月28日 信息来源:中国科学报 点击: 【字体:

地基授时系统的重要性

时间作为七大基本物理量之一,用于描述物质运动变化的持续性和顺序性,广泛应用于国民经济和国防建设的诸多领域。长期以来,我国的国防、军事、通信、电力、金融、交通、广播电视等部门诸多业务系统的有效运行与服务,都依赖于时间同步。比如:在移动通信系统中,基站之间必须保持严格的内部时钟,是通过GPS向电力自动化设备及监控系统提供授时信号。如果GPS发生故障,电力系统的发电和供电网络就会乱套。电网一旦发生故障,整个互联网不可幸免。

为了促进科技创新,汇聚发展新动能,加快转型升级,培育新的经济增长点。四川泰富公司在国内时间同步领域资深专家李忠文高级工程师的带领下,经过持续多年的研发,开创性地提出了光纤时延三点归一算法,攻克了远距离异地再生UTC原子时技术、光纤时延在线监测、光纤时延伺服锁定及精确控制等关键技术,研制出地基授时核心设备——高精度时间频率传递设备,成功解决了基于光纤网络超长距离传输高精度时间频率信号的技术难题,可以使光纤网络中每个授时节点的时间和频率精度保持一致,是GPS替代技术的有效解决方案,为实现地基有线授时系统奠定了技术基础。

 专家李忠文在辅导年轻科技人员

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技术人员在调试设备

授时技术的战略意义

随着国民经济和国防建设的迅速发展,以及信息化程度的不断提高,高精度时间频率的需求与应用与日俱增。高精度时间频率系统是国家战略资源,授时服务系统已成为最重要的国家基础设施之一。目前各国现有的星基授时系统(即GPS/北斗),存在着信号易被遮挡易受外来干扰攻击和出故障时维护困难等问题。美国早在2004年颁发的《国家安全总统指令第39号指令》,明确要求:交通部和国土安全部开展“GPS”干扰监测及缓解计划,并研发PNT(地基授时、导航定位)备份能力。俄罗斯、欧盟紧随其后。我国也在国发[2013]8号文件《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030)》中:明确指出“解决未来网络和信息系统发展的科学技术问题,为未来网络技术发展提供试验支撑;适时启动新一代授时系统建设,支撑超精密时间频率技术开发,逐步形成高精度卫星授时系统和高精度地基授时系统共同发展的格局。”授时技术的战略意义是不言而喻的。

我国地面授时技术国际领先

在科技部主办的“第五届中国创新创业大赛军转民大赛”上获得二等奖的:四川泰富地面北斗科技股份有限公司,早在2014年就研制出“地基授时——高精度时间频率同步传递设备”授时精度达到10纳秒。成功地解决了基于光纤网络超长距离传输高精度时间频率信号的技术难题,使光纤网络中的每个授时节点的时间和频率精度保持一致,是替代GPS技术的有效方案。2014年10月由四川省科技厅组织的有两院院士参加的鉴定会,对该公司研制的:地基授时高精度时间频率传递设备,鉴定结论:“设备技术指标达到了国际领先水平,目前国内外尚无同类设备和产品。”并经过国家和军队权威机构“国防科技工业第二计量测试研究中心”“工业和信息化部通信计量中心”的测试认证。2015年“中国泰尔实验室”还进行了远距离、多节点450公里的:光/电/光中继传输测试,授时精度小于10纳秒。“电力工业通信设备质量检验测试中心”2016年5月又进行了多节点、长距离传输测试,21台设备级联,光/电/光中继传输2000公里,授时精度小于10纳秒。目前该公司已完成1纳秒数学模型建模和电脑仿真试验,正在进行深入的P秒(1纳秒等于1000P秒)级以及无线授时设备的研制。一个名不见经传的小民营企业,能在重大科技项目:高精度地基授时技术领域,成为世界的领跑者,得益于一个老、中、青组成的高科技团队,对中央“创新创业”精神领会贯彻的好,善于总结经验,找出规律,才攻克了“三点归一算法”“远距离异地再生UTC原子时技术”“光纤在线监测”“光纤时延伺服锁定及精确控制”等关键技术。

实现网络强国高精度时间频率传递设备不可或缺

我国已进入网络信息化时代。大数据、智慧城市、5G通信、交通、金融、电力、国防建设……方方面面对网络的需求和要求提出了新的挑战,大量的信息汇集、处理和输送,对高精度时间频率保持一致的授时技术要求也越来越高。众所周知,授时精度是决定天基北斗(GPS)和地基北斗导航定位的核心技术。由于卫星通信、导航、定位等的先天不足,已经引起各发达国家的重视。为实现“天地互补”,美国、欧盟、俄罗斯等多年前就开展了对高精度地基授时技术的研究。我国也不例外,在国发[2013]8号文件中明确提出“适时启动新一代授时系统建设,支撑超精密时间频率技术开发,逐步形成高精度卫星授时系统和高精度地基授时系统共同发展的格局”。为攻克地基高精度授时技术,四川泰富地面北斗公司组织专家多年来一直从事高精度地基授时技术研究并研制成功一系列时间频率同步高度一致的“传递设备”,得到两院院士参加的鉴定高度评价:“为建立高精度地基授时系统提供了关键设备和技术支撑。由于高精度地基授时系统可与天基授时系统互为备用和相互支撑,其应用领域包括通信、电力、金融、军事、国防、测绘、交通、广播电视等。因此本科研成果具有非常广阔的应用前景。”就地基授时技术而言,我国处于飞跃领先的地位。美国空基军用卫星授时精度为10纳秒,定位精度为2米;我国空基北斗授时精度为50纳秒,定位精度为10米;四川泰富地面北斗公司2014年已实现地基授时精度10纳秒、对应定位精度为2米,目前正在向1纳秒、P秒级授时精度进发,对我国实现网络强国提供了重要技术支持。

高精度授时“天地”互补的展望

基于光纤网络的高精度地基授时系统的应用前景非常广泛,凡是星基授时系统(GPS/北斗卫星)应用的范围,地基授时系统都能够应用,应用范围主要包括:通信、电力、金融、军事、国防、测绘、交通、广播电视等行业和领域的时间和频率同步。

我国空基授时系统以“北斗”投入运营服务为标志,已经形成规模体系,而地基授时系统国家也已明确以中科院为首组织有关单位积极展开工作。在国际和我国周边大环境的不断变化情况下,虽然天基北斗服务已成体系,但国民经济的发展和国防建设的需求,不论从安全性还是适用性,建立地基授时系统已经刻不容缓。我国在地基授时技术研究方面较美国等西方国家起步较晚,但是党中央和国务院都非常重视,特别是在“大众创业、万众创新”的鼓舞下,中国航天第十二研究院组织了多场全国性军民两用技术创新应用大赛,一些民营企业在大赛中脱颖而出,如四川泰富地面北斗公司,在地基授时技术领域,已经超越了西方发达国家。所研制的高精度时间频率传递设备,为建成地基高精度授时系统打下了基础,做到“天地”互补的高精度授时已经水到渠成。


(作者:李 苹)
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