4.2　全球技术发展态势

4.2.1　全球政策与行动计划概况

世界主要发达国家都建立了本国的时间频率体系。其中，美国和俄罗斯各自运行卫星定位系统，体系也更为完整合理。德国是国际原子时合作的比对中心，在时间频率研究方面有着雄厚的实力。下面以美国、俄罗斯和德国为例，介绍国际时间频率体系研究现状。

1. 美国时间频率体系

美国参加国际原子时合作的主要单位是美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国海军天文台（USNO）。美国国家标准与技术研究院保持本地协调时UTC（NIST），把它作为美国法定时间标准（Civil Time）。美国海军天文台保持UTC（USNO），把它作为美国军用时间标准（Military Time）。上述两大守时机构互为补充，UTC（NIST）面向国家应用，UTC（USNO）为美军提供时统支撑。官方承诺UTC（NIST）与UTC（USNO）时差小于20 ns。

美国国家标准与技术研究院直属美国商务部，职责包括建立国家计量基准与标准，发展为工业和国防服务的测试技术，提供计量检定和校准服务。NIST的物理测量实验室时间频率处是国际时间频率研究的领先实验室之一，其自研的2台铯原子喷泉秒长基准装置的频率不确定度为（1～5）E-16，在国际原子时合作中参与驾驭国际原子时。他们保有高性能守时钟组，产生美国法定时间标准UTC（NIST）。

美国国家标准与技术研究院的光学频率标准技术能力非常突出。目前，国际上有5个小组研制的光钟的频率不确定度达到E-18量级，其中有3个小组属于美国国家标准与技术研究院。科罗拉多大学和NIST联合实验室（JILA）的时间频率研究组引领着世界锶原子光晶格钟的技术发展，2015年，锶原子光晶格钟自评定的频率不确定度为2E-18。2018年，美国国家标准与技术研究院报道了其研制的镱原子光晶格钟的频率不确定度达到了1.4E-18，是迄今国际频率标准装置得到的最好频率不确定度指标之一。2019年，这个小组向国际计量局报送了数据并参与驾驭TAI，成为国际第三家报送光频次级秒定义数据驾驭TAI的小组。2019年，NIST发布的铝离子量子逻辑光钟最新评定的频率不确定度达到了9.4E-19，这是目前国际最好的光钟频率不确定度评定结果。

USNO隶属美国海军部，是世界上守时、授时、天体测量领域最权威的机构之一。根据2020年2月国际计量局官方网站信息，USNO共48台原子钟（4台自行研制的铷喷泉钟、32台商品氢钟和12台5071商品铯钟）参与国际原子时合作，使得UTC（USNO）一直保持全世界最稳定、最准确的时标。

由美国空军运行的全球卫星定位系统（GPS），时间溯源至UTC（USNO），全天候全覆盖向全世界免费提供高准确授时和位置服务。1980年，基于GPS共视法进行时间频率传递的原理首次被提出。20世纪90年代初，GPS覆盖全球，为美军提供定位和授时服务；20世纪90年代中，GPS免费向全世界开放。目前，GPS仍然占绝大部分国际军用、民用定位和授时服务份额。

2018年12月，美国总统特朗普签署了Frank LoBiondo美国海岸警卫队授权法案，要求美国交通部在两年内建立地面备用授时系统，确保在GPS信号被破坏、被干扰得不可用的情况下，继续为军事和民用用户提供不降级的授时信号。

2. 俄罗斯时间频率体系

1993年12月俄罗斯颁布的《俄罗斯宪法》规定，俄罗斯的司法权包括测量标准、米制及计时计费等。1993年4月俄罗斯颁布的《俄罗斯计量法》规定，通过国家时间频率及地球定位参数确定服务中心协调实现各地区、各部门的合作，从而保证时间频率测量及地球转动参数的统一。2001年3月俄罗斯颁布的《俄罗斯国家时间频率及地球定位参数确定条例》规定，由国家物理技术和无线电工程计量研究院（National Research Institute for Physical-Technical and Radio Engineering Measurements）时间频率处负责建立与保持俄罗斯时标UTC（SU）及标准频率。UTC（SU）是俄罗斯境内包括GLONASS、空间地面通信及电视等传递和发播的唯一标准时间。

目前，UTC（SU）守时钟组由13台俄罗斯生产的主动型氢原子钟组成。UTC（SU）与UTC最大偏差优于5 ns。国家物理技术和无线电工程计量研究院还有3个分支机构建有时标，分别有4台主动型氢原子钟。加上国家物理技术和无线电工程计量研究院本部的原子钟，全国计量系统共有守时氢原子钟25台，所有分支机构的时标均溯源至UTC（SU）。

GLONASS是俄罗斯建立的全球卫星导航系统。GLONASS保有自己的时标，溯源到UTC（SU）。2012年，国际计量局在时间频率公报（Circular T）中开始发布基于GLONASS时间频率传递的时间比对结果和TAI计算结果，GLONASS在高端时间频率传递和授时应用中占有一席之地。

国家物理技术和无线电工程计量研究院研制的第2台秒定义复现装置——铯喷泉钟评定B类不确定度为2.5E-16，参与驾驭TAI。国家物理技术和无线电工程计量研究院研制了2台紧锁铷喷泉钟，还正在研制另外2台，用于驾驭时标，提高UTC（SU）的准确度和稳定性。

国家物理技术和无线电工程计量研究院从2011年开始研制锶原子光晶格钟，2015年第一次自评定的频率不确定度达到1E-16，目标频率不确定度为E-17～E-18。

3. 德国时间频率体系

德国政府规定，德国计量院（PTB）保持的UTC（PTB）为德国标准时间，负责整个德国的时间发布任务，监督德国超过60个经过认证的时间频率校准实验室。通过无线电波、网络、电话授时等进行标准时间发播。其中，长波授时DCF77不仅覆盖德国本土，而且覆盖整个西欧、南欧及非洲北部，服务超过1亿台设备。德国计量院为欧洲航天局（EAS）服务，给伽利略时标及大地勘测提供时间比对服务。

根据2020年2月国际计量局给出的原子钟数据，德国计量院共有1台商品铯钟、3台商品氢钟、2台热原子束铯钟参与守时，利用2台铯喷泉钟对钟组进行驾驭。其中2台热原子束铯钟为德国原秒长基准钟，基准钟参与守时报数也是德国计量院的优势之一。德国的2台铯喷泉钟的频率不确定度均达到E-16，参与驾驭TAI，并且可实现全天20小时以上的运行率，这使得德国计量院可以用相对少的商品钟组数量使UTC（PTB）达到较高准确度及稳定度。

德国计量院是国际上最早开展光钟研制的单位之一，目前正在开展锶原子光晶格钟、钙原子光钟、镱离子光钟和铝离子光钟的研制，是国际上研究光钟种类最多的单位。同时，德国计量院开展了高离化态离子钟和原子核钟的理论和技术探索，其在低温超高稳定度硅超稳腔频率源的研究方面也走在国际最前列。2016年，德国计量院研制的镱离子光钟频率评定的不确定度达到3E-18，该光钟是国际上第二台进入E-18量级的离子光钟。

主要发达国家都在时间频率研究中投入了重要的力量。美国国家标准与技术研究院在时间频率研究方面已经产生了两位诺贝尔物理学奖得主，还有3位诺贝尔物理学奖得主为时间频率研究做出了重要贡献，其基础研究和实验技术均居国际领先地位，在未来光学频率基准和基于光学频率基准驾驭守时钟产生时标方面做出了非常突出的贡献。美国海军天文台拥有国际上规模最大的守时钟组，在TAI产生中占有的权重最大，尤其是其研制的冷原子喷泉守时钟性能优异，在商品氢钟之外另辟蹊径，为高水平的时标产生做出了开拓性的贡献。法国、德国、英国等国家在基准钟研究方面具备强大的实力，在喷泉钟和下一代光钟的研究和利用方面走在世界前列。日本的光钟研究和光钟驾驭时标成果引人瞩目。

4.2.2　基于文献分析的研发态势

1. 科技文献

以Web of Science数据库作为主要文献来源，本项目组收集整理了1990—2019年的时间频率相关科技文献。总体而言，全球相关研究机构在时间频率领域的论文发表数量呈逐年增长趋势，并且近年来涨幅较快。美国、中国、德国、日本、法国相关研究机构在时间频率领域的论文发表数量居前五位，它们也是世界范围内时间频率领域发展大国，其研究方向主要涵盖基准钟、守时钟、芯片钟、守时系统、授时系统、时间频率传递及比对等方面。

2. 国际原子时合作

目前，国际通用的时间是世界协调时（UTC），各守时实验室保持本地的协调世界时UTC（k），其中k为实验室代号。中国计量科学研究院保持的协调世界时为UTC（NIM），它是中国官方授权的时标基准。

TAI是由国际计量局组织的国际原子时合作（绝大多数是计量实验室合作）产生的结果。具体过程如下：分布在世界上80多个实验室的约500台原子守时钟利用全球导航卫星系统（GNSS）和卫星双向时间频率传递（TWSTFT）技术进行比对，各守时实验室将比对数据报送到国际计量局，由国际计量局通过加权计算对数据进行处理得到自由原子时（EAL）。EAL可以视为一台虚拟时钟，由于多台守时钟数据的加权平均，因此EAL具有高可靠性和高稳定性。用秒定义的复现装置—基准钟定期驾驭校准EAL，得到TAI。从2014年1月到2020年2月，法国LNE-SYRTE、德国PTB、美国NIST、英国NPL、中国NIM、意大利INRIM、俄罗斯SU、日本NICT和NMJJ、印度NPLI、瑞士METAS等守时实验室参与驾驭TAI。能够常现驾驭TAI的守时实验室更加稀少，Circular T数据显示，从2016年1月到2020年2月，只有法国LNE-SYRTE、德国PTB、意大利INRIM、俄罗斯SU、中国NIM这5家守时实验室持续驾驭TAI，并且驾驭次数都超过了20次。法国和德国在喷泉基准钟研究方面有着很强的实力，两国参与驾驭TAI的总次数和连续性表现最佳。经过这几个守时实验驾驭的TAI不但稳定、可靠，而且准确，成为国际通用的协调世界时的基础。

国际计量局通过Circular T发布各守时实验室保持的UTC（k）与TAI、UTC的时间偏差，从而保持全世界范围内时间频率的准确一致。国际计量局的国际时间频率公报及其附加数据中给出了各个守时实验室的时间频率数据，体现了各个国家的时间频率水平，下面依据国际时间频率公报发布的数据，对中国NIM、中国NTSC、美国NIST、美国USNO、俄罗斯SU、德国PTB的原子时标进行比较，具体指标（2018年1月—2020年2月）见表4-1。

UTC（k）性能的评判有两个技术指标，一个是与UTC的偏差，另一个是时间稳定度。目前各主要守时实验室产生的UTC（k）与UTC的最大偏差基本控制在5 ns以内，反映了各国在控制本地时标的偏差方面都取得了很好的效果。在时间稳定度方面，由于国际上增加了稳定度高的守时钟在计算EAL中的权重，因此各个国家普遍采用稳定度高的商品氢钟作为主要守时钟。同时，通过改进守时驾驭算法，使得本地时标的时间稳定度得到了很大的提升，但是各个守时实验室的时间稳定度水平还有不小的差距。其中，美国海军天文台（USNO）所维护的钟组规模最大，从而得到的时间稳定度指标很高；而德国PTB虽然守时钟组规模不大（权重不高），但是由于作为全球比对中心从而不包含链路噪声，并采用铯原子喷泉钟驾驭时标的方式产生本地UTC，实现了很高的时间稳定度。