刷新中國的原子時標——記中國計量科學研究院守時實驗室主任張愛敏

本刊記者 黃 健

秒殺、秒搶、秒滅、秒傳、秒拍、秒退、秒懂……

生活中，我們常常用“秒”來傳遞對時間超短極限的理解，然而1秒鐘究竟有多長呢？銫133（Cs133）原子基態的超精細能階間躍遷對應輻射9192631770個周期，這個周期所持續時間就是1秒。

對于普羅大眾來說，1秒鐘幾乎可以忽略不計，然而誰能想到這背后竟然會出現如此龐大的數字！

為了讓這“漫長”的1秒更加精確，中國計量科學研究院時間頻率研究所將“爭分奪秒”演繹得淋漓盡致。而在這個平臺上，張愛敏和她的守時實驗室也一直為了原子時標基準研究不斷努力，希望能夠建立起完善的國家守時系統，并維護其良好運轉。他們，是一群守望者，不斷刷新著中國的原子時標，守護著國人的準時生活。

駕馭時標 靠近UTC

“UTC（NIM）是我國時間頻率體系的核心。上要通過參加國際原子時合作實現時間頻率量值國際溯源，下要在國內作為時間頻率量值的源頭進行量值傳遞。”張愛敏一再強調。

我國的原子時標UTC（NIM）基準，始建于上世紀80年代初期。一直到2009年，原子鐘組由3臺商品銫原子鐘及2臺商品氫原子鐘組成，以銫原子鐘作為主鐘，通過GPS單一手段進行國際比對。這種運行方式，使得計量科學研究院的守時水平落后于國際先進實驗室。

“我們是基準，只有基準準了，才能傳遞出更為精準的量值。”為了改變這一現狀，中國計量科學院自2008年起開始在昌平實驗基地重新建設高準確度、高穩定度的國家時間頻率基準——原子時標UTC(NIM)，張愛敏及其團隊的日程表越來越滿了。

他們要做的事情很多，要完善守時鐘組，要更新原子時算法，要建立、供電及數據的監測系統，要做好內部比對和國際比對……系統之龐大超乎一般人想象。“這是一個系統工程，不僅需要科學家，也需要工程師。因為整個工程需要大量系統的鏈接，包括衛星雙向以及地面站的建設等。遇到的難題當然也不少。”

在張愛敏看來，所謂的難題，正是他們突破的關鍵。經過摸索攻關后，他們最大的亮點就是實現了兩種比對手段相輔作業的形式。一是利用GPS載波相位進行觀測解算，一是以衛星雙向技術進行時間頻率傳遞。

“我們最終的目標當然是要通過算法駕馭時標來靠近UTC。全世界各個實驗室的守時方法不同，要根據系統硬件條件和自身條件產生自己的駕馭方法。”中國計量科學研究院的優勢就在于冷原子噴泉，守時實驗室在國際上首次實現了利用噴泉鐘直接駕馭氫鐘產生地方原子時，這標志著我國時間頻率基準的研究跨上了一個新的臺階。

在原子時標算法更新中，他們采用一臺氫鐘作為主鐘，通過一臺相位微躍器產生UTC(NIM)。氫鐘存在頻率漂移，就利用其頻率數據一次擬合預估氫鐘頻率，利用卡爾曼濾波減小預估誤差。“按照國際慣例，國際計量局（BIPM）一般每個月發布一次UTC的具體數據。到2012年2月，BIPM又開始公布快速UTC，也就是UTCr。這個數據為一周發布一次。現在采用的就是UTC與UTCr并行，我們也能更快得到NIM與UTC、UTCr之間的時差，以此來駕馭指標，以提高原子時標的準確度和穩定度。”

時光在他們的奔忙中流逝。2010年10月，昌平院區新時標開始試運行。2012年5月，新時標與和平里老院區的UTC(NIM)同步運行。2012年10月14日，時標由和平里院區向昌平院區的正式切換。2013年5月，在由中國計量科學研究院和日本NICT聯合主導的國際首次歐亞多臺銫原子噴泉鐘的比對中，包括計量院在內的4家實驗室的6臺銫原子噴泉鐘參與其中，計量院完成了全部數據的處理和比對結果不確定度的評定，不確定度在10-15量級，取得了圓滿的結果。

“我們的時標會一年比一年好。”經此一役，張愛敏對未來充滿了信心。

做時間的守護者

張愛敏所領銜的守時實驗室，是中國計量科學研究院時間頻率研究所下屬的四個實驗室之一。

研究、建立和維護國家守時系統（原子時標基準）；研究、建立、保存和維護時間頻率相關計量標準；開展時間頻率測量傳遞技術研究，開展相關量值傳遞和溯源工作；開展時間頻率國際比對，參加國際原子時合作；開展國內量值比對工作，承擔計量技術機構考核、計量標準考核和能力驗證工作，承擔測量方法和測量結果的可靠性評價工作；承擔相關國際建議、國家標準制修定、計量技術標準的制修定。

有關守時實驗室的介紹，以十分嚴謹的語言說明了他們的工作內容。經過數年的努力，他們已經建有一項國家計量基準——原子時標基準裝置；三項國家計量標準——標準頻率檢定裝置、短期頻率穩定度檢定裝置及頻譜分析儀檢定裝置。“這些裝置的主要目的就是把時間頻率量值傳遞出去，最終實現全國時間頻率量值的準確性和一致性。”張愛敏說。

“工作量很大，一個人的力量總是有限的。”提到自己的實驗室，張愛敏素來溫和的語氣中透著感激，“在我工作中，領導很支持，同事很團結，這是做事的基礎。我們在共同的目標下，共同努力，有了問題也一起協商，永遠都是勁兒往一處使。”

作為實驗室主任，張愛敏最初對計量學其實一無所知。1987年，她畢業于北京大學無線電電子學系，同時被免試推薦至中國計量科學研究院攻讀碩士學位，從此與時間計量結下了不解之緣。這個溫和的女子，慣于那一代人干一行愛一行的性格，“時間頻率的基礎與無線電還是有關聯的，基礎的東西能用得上。而且也有很多前輩幫助指導。”張愛敏說。

提起實驗室，她習慣細數團隊成員，“實驗室副主任梁坤，長于GNSS時頻傳遞及鏈路校準研究；高源負責基準算法；楊志強負責衛星雙向；王偉波負責基準運行維護及檢定校準；張越負責頻率標準運行維護及檢定校準……”而因為這些配合，實驗室也先后獲質檢總局科技興檢二等獎2次，三等獎2次。自兩位“老同志”退休后，守時實驗室目前還有科研人員7名，其中研究員1人、高級工程師3人，有博士學位的2人。“還有一位沒有出站的博士后。”她補充道，“我們處在一個復雜的系統中，需要各方面的人才。大家對研究方向的定位，一般是在對自身的學歷背景以及個人興趣等綜合考慮后作出的選擇。我希望實驗室能夠做到給年輕人創造充分發揮自身潛力的機會。”

同舟共濟走到如今，實驗室對于下一步的工作目標早已達成了一致。他們會持續完善原子時標守時鐘組；同時，實現噴泉鐘組駕馭氫鐘組的技術方案，進一步提高UTC(NIM)的穩定性和可靠性。作為BIPM的一類校準實驗室，他們還會積極對亞太地區二類實驗室GNSS接收機進行校準，進一步開展高精度光纖時間頻率傳遞技術研究，并建立國內時間頻率比對網絡。

“我們一定要建設獨立自主的國家時間頻率體系，我們的基準必須獨立自主。”對于這一點，張愛敏很執著。她很清楚計量學的高端科研成果從來都是與科學研究和軍事服務相互促進的，而隨著“北斗”建設的進展，我國對時間頻率越發重視。能夠為這個事業盡一份力，無論對張愛敏，還是整個團隊，都是莫大的榮耀。