第4章
面向2035年的中国时间频率体系发展技术路线图
4.1 概述
时间是人类最早感知的物理量之一。从远古到20世纪50年代，人类一直利用白天黑夜交替和四季循环的地球周期运动，进行时间的测量和记录。基于地球自转的时间称为世界时，基于地球公转的时间称为历书时，两者统称天文时。随着人类科学技术的进步，特别是原子钟技术的出现和发展，1967年第13届国际计量大会决定用原子秒取代天文秒，将时间单位“秒”定义为铯原子基态两个超精细能级之间的跃迁频率上，开启了原子计时的时代。目前，时间频率已成为人类能够测量的准确度最高的物理量，出现了将其他物理量的测量转换为时间频率测量的发展趋势，大大提高这些物理量的测量准确度。
时间频率体系是现代国家战略基础设施之一。时间频率广泛应用于科学研究、国民经济建设和国防建设领域，同时影响着人们的日常生活。在科学研究中，时间频率的精密测量是物理学、天文学、自动控制、地球物理乃至生命科学研究不可或缺的支撑工具。在国民经济建设中，时间频率的准确测量支持众多基础产业，如交通运输、能源电力、金融、通信、网络、计算机等行稳致远、持续发展。在国防建设中，依赖于精密时间频率测量的卫星导航定位、航空航天、信息化作战、武器制导技术，在决定战争胜负中发挥着不可替代的作用。直接利用时间测量原理发展起来的卫星定位导航技术，除军事应用外，还广泛用于交通、通信、电力、金融、防灾救灾、精准农业各个领域，深刻地改变了人类的生产和生活方式。
时间频率是大国竞争的重要战略领域，全球主要发达国家在时间频率方面都投入了大量的人力、物力和财力，相关研究结果多次获得诺贝尔物理学奖。美国、俄罗斯、中国和欧洲等国家和地区先后建设卫星导航系统，使得时间频率技术的影响深入每个人的生活。在科技强国战略的指引下，本项目组把时间频率体系建设作为科技强国的重要方向，制定其技术发展路线图，实施创新驱动发展，实现时间频率研究和建设的整体突破和赶超，支撑国家的经济、科研、国防和民生健康发展。
4.1.1 研究背景
现行的国际通用时间为协调世界时（UTC），它的基础是国际原子时（TAI）。设在巴黎的国际计量局（BIPM）主持国际原子时合作，产生和保持国际原子时。国际原子时不定期地插入闰秒就是协调世界时。国际计量局定期通过时间公报（Circular T）向全世界发布协调世界时。
半个世纪以来，原子钟技术飞速发展。目前，微波原子喷泉钟频率不确定度达到E-16量级，光钟频率不确定度达到E-18量级。从2020年起，国际正式启动基于光频修改秒定义的研究，预示着时间频率新技术变革正在到来。
近年来，中国的时间频率技术取得长足发展。在北斗卫星导航工程等重大需求牵引下，中国原子时间基准技术与欧美国家的差距正在稳步缩小。但总体上看，中国原子钟技术仍落后于欧美。氢原子钟和铯原子钟等通用商品的守时原子钟的主要技术指标比国外最高水平相差半个数量级，可靠性和寿命问题没有根本解决。在研光钟种类多而全，但研究水平参差不齐，技术指标比国外普遍相差1个数量级以上。几种具有重要发展前景的光钟，如锶光钟、镱光钟等，系统的成熟程度和运行率仍然偏低。中国的原子钟和守时技术的自主可控面临风险。一方面，大量守时原子钟需要进口，另一方面，由于工业基础相对薄弱，关键器件受制于人。喷泉钟、光钟所依赖的激光器全部需要进口，超窄线宽激光所依赖的超稳腔材料和腔镜镀膜也不能满足国内需求。为了全面提升中国时间频率体系的水平，本项目组研究时间频率体系的发展方向和趋势，分析中国目前存在的各种问题，为今后中国时间频率体系的发展提供方向性指引。
4.1.2 研究方法
本项目通过文献调研和专家调研的方法，了解了全球时间频率发展的现状和未来的发展趋势，分析了中国时间频率体系建设对时间频率技术发展的需求，提炼出适合中国时间频率体系未来发展的技术方向，形成了基础科研与实际应用并重的时间频率科技发展战略。
文献调研采用以Web of Science数据库为科技文献数据源、以中国工程院的iSS为主要工具，分析了时间频率领域的文献数据，从不同维度对该领域进行了宏观分析，基本掌握了本领域的国内外动态。同时，调研了国际原子时（TAI）的发展和演变，分析了全球范围主要守时实验室原子时标的偏差对比、原子钟在协调世界时（UTC）计算中的权重变化以及各个国家守时钟的权重对比等。通过聚合与分类算法，进行深度挖掘，形成时间频率领域知识聚类图，筛选出本领域需要迫切发展的关键技术，形成技术清单。
通过调研对专家意见进行汇总和分析，进一步明确时间频率领域的发展方向、关键技术、核心产品、保障措施等。将文献调研结果结合专家意见，最终确定制定本领域技术发展路线图，明确中国时间频率体系的中长期发展战略规划。
4.1.3 研究结论
研究制定了中国时间频率体系的技术路线图，综合分析时间频率领域的需求和发展目标，形成独立自主的中国时间频率标准体系，满足国家战略性需求，满足导航定位系统的技术需求，以及在智慧城市、交通管理等领域的应用需求。从基础研究、核心技术和前沿研究3个方面，设计具体任务，分析关键技术，规划技术路线，最终实现发展目标。