我国建成全球首个千公里皮秒级光纤时间传递系统奠定高精度地基授时技术基石

作者：欧光科技发表时间：2025-04-29 13:57:22

2025年4月26日，中国科学院国家授时中心宣布，其科研团队成功建成全球首个千公里级皮秒级稳定度光纤时间传递系统，在总长2061公里的陕鄂跨省骨干光缆上，实现了超2000公里距离的皮秒级时间传递稳定性与百皮秒级绝对精度。这一成果标志着我国在长距离高精度时间频率传递领域取得国际领先突破，为构建覆盖全国的“高精度地基授时系统”奠定了关键技术基础。相关研究以封面论文形式发表于《ChineseOpticsLetters》2025年第23卷第4期。

一、高精度时频传递：国家战略与科技前沿的核心需求

时间频率是现代科技最基础的测量量之一，其精度直接影响导航定位、量子计算、深空探测等前沿领域的发展。在国家综合PNT（定位、导航、授时）体系中，高精度时间传递是核心支撑技术——北斗卫星导航系统需纳秒级时间同步精度以实现厘米级定位，而未来量子精密测量、引力波探测等更对皮秒级（1皮秒=10⁻¹²秒）稳定度提出极致要求。传统卫星授时技术受大气扰动、信号衰减等限制，难以满足超长距离、超高精度的时频比对需求，基于光纤的时间传递技术因相位稳定性高、抗干扰能力强，成为国际计量领域的研究焦点。

2021年，我国启动“高精度地基授时系统”国家重大科技基础设施项目，目标是构建覆盖全国的光纤授时网络，实现时间传递精度优于100皮秒。中国科学院国家授时中心刘涛团队针对工程化部署中的核心挑战——链路时延不对称、环境温度扰动、信号劣化及相位噪声累积等，展开了系统性技术攻关。

二、突破工程化瓶颈：关键技术创新实现性能跃升

团队提出**单纤双向时间传递技术**，通过一根光纤同时传输双向时频信号，结合时间频率净化与数字锁相环（PLL）技术，实时抵消链路不对称误差。在硬件层面，将传统10MHz传递频率倍频至125MHz，提升码元速率以降低光电转换过程中的时延抖动，并集成高稳晶振与带宽可调锁相环，有效抑制振动、应力变化等瞬时干扰，将短期稳定度提升至国际顶尖水平。

针对长期稳定性难题，团队创新引入**分布式多点测温与精密控温补偿技术**，在2061公里链路中部署高密度温度传感器，实时校准光纤因温度变化产生的长度漂移，结合色散精确测量与补偿技术，将长期时延漂移控制在百皮秒级。经实测，该系统在1秒积分时间内稳定度优于5.6皮秒，40000秒长期稳定度达3.1皮秒，传递不确定度优于41.8皮秒，各项指标均显著优于国际同类系统。

三、构建“时间高速公路”：开启全国高精度授时网络建设新篇

此次建成的千公里级光纤授时链路，是我国“高精度地基授时系统”从技术验证迈向工程化应用的里程碑。根据规划，我国将依托该技术构建总长度达2.5万公里的分布式光纤授时网络，实现全国范围内时间偏差优于100皮秒，为北斗卫星系统、地面长短波授时台站及电力、通信、金融等关键领域提供统一、高可靠的时间基准。

“该系统相当于在全国铺设了一张‘时间高速公路’，可支撑纳秒级乃至皮秒级精度的时间频率信号实时共享。”项目负责人刘涛研究员表示，除服务国家重大工程外，其成果还将为量子通信、深空探测等前沿研究提供底层时频保障，推动多学科交叉融合发展。

四、筑牢时频技术根基：从跟跑到领跑的自主创新之路

该突破背后，是我国时频领域科研团队数十年的技术积累。国家授时中心首席科学家张首刚作为“高精度地基授时系统”项目负责人，带领团队长期深耕时频传递技术，曾为载人航天、北斗工程等提供核心支撑；董瑞芳研究员在高精度时间同步技术领域取得系列原创成果，郭新兴博士等青年骨干在光纤授时工程化中突破多项“卡脖子”技术。此次成果的发表，标志着我国在超长距离光纤时频传递领域从跟跑转向领跑，为构建“空天地一体”综合授时体系奠定了地基层面的关键支撑。

在全球科技竞争加剧的背景下，高精度时频技术已成为大国战略必争之地。我国首个千公里皮秒级光纤时间传递系统的建成，不仅为国家时间安全提供了坚实保障，更彰显了我国在尖端计量领域的自主创新能力。随着全国光纤授时网络的逐步建成，一个以“中国精度”为基准的高精度时频体系正加速成型，为科技强国建设注入强劲动力。