Glasfaser-Zeitmessung macht die Zeitübertragung „hardcore“! Wie kann hochpräzise Zeit in Zukunft eingesetzt werden?

Science Times Reporter-Epos

Das Sonnenlicht scheint auf die Sonnenuhr und wirft einen klaren Schatten auf die Oberfläche der riesigen Steinscheibe. Die Zeit vergeht ruhig, während sich die Sonnenuhr dreht, weder schnell noch langsam und ohne anzuhalten.

Die Zeit bezeichnet den Zeitpunkt des Eintretens eines Ereignisses und seine Dauer und ist derzeit die am genauesten gemessene und am weitesten verbreitete physikalische Größe. In jüngster Zeit wurden bei der Forschung und Konstruktion des „hochpräzisen bodengestützten Zeitmesssystems“ unter der Leitung des National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften neue Fortschritte erzielt. Das Team hat die Installation der Geräte und die Leistungstests des 1.839 Kilometer langen Zweikanal-Zeitübertragungssystems mit zwei Glasfasern von Xi'an nach Taiyuan abgeschlossen. Damit hat mein Land das weltweit erste 1.000 Kilometer lange Zeitübertragungssystem mit Glasfasertechnik und einer Stabilität von 10 Pikosekunden gebaut.

Von Sonnenuhren und Sanduhren über mechanische Uhren und Quarzuhren bis hin zu den heutigen Atomuhren und den hochpräzisen bodengestützten Zeitmesssystemen der Zukunft ... der Kampf um die Zeit ist ein Wettlauf gegen Millimeter.

Was bedeuten 10 Pikosekunden?

Der „Tick“ der Zeit ist das, was wir oft 1 Sekunde nennen. „Eine Pikosekunde entspricht einer Billionstel Sekunde, was einer Verschiebung des Dezimalpunkts einer Sekunde um 12 Stellen nach vorne entspricht. Die Stabilität der Zeitübertragung erreicht die Größenordnung von 10 Pikosekunden, was bedeutet, dass die Zeitgenauigkeit der ‚Peking-Zeit‘ eine Hundertmilliardstel Sekunde erreicht hat.“ Chen Jiang, ein assoziierter Forscher am National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte dem Reporter von Science Times.

Zeit ist überall, aber normale Menschen haben oft keine Vorstellung von Zeitmessung und können den Wert einer hochpräzisen Zeit nur schwer verstehen. „Diese Leistung hat die bestehende Zeitgenauigkeit um das 1.000-fache verbessert.“ Chen Jiang sagte, dass die uns bekannten Flugzeuge, Kriegsschiffe, Panzer, Raketen usw. ihre eigene Position bestimmen und ihren Kurs korrigieren können, indem sie die Zeit berechnen, die das Signal vom Satelliten benötigt, um sie zu erreichen.

Chen Jiang nannte ein Beispiel: Die höchste Fluggeschwindigkeit einer Interkontinentalrakete habe Mach 26 (8.800 Meter pro Sekunde) erreicht. Um das Ziel präzise zu treffen, muss die Rakete eine Zeitgenauigkeit von einer Tausendstelsekunde aufweisen. Eine Abweichung von 0,3 Sekunden führt zu einer Abweichung vom Ziel von 2,6 Kilometern. Zur Verteidigung muss die Zeitgenauigkeit beim Abfangen von Raketen eine Zehntausendstelsekunde erreichen.

Die Mängel der Satellitenzeitmessung ausgleichen

Unter Zeitsynchronisation versteht man den Vorgang, die nationale Standardzeit über kabelgebundene und kabellose technische Mittel an die Benutzer zu übertragen. „Die faseroptische Zeitmessung ist ein neues, hochpräzises Verfahren zur Übertragung von Zeit- und Frequenzsignalen, das Glasfaser als Übertragungskanal und Laser als Informationsträger nutzt.“ Chen Jiang sagte, dass das faseroptische Zeitübertragungssystem die Grundlage des gesamten hochpräzisen bodengestützten Zeitmesssystems sei und derzeit die Zeitmessmethode mit den besten Anwendungsaussichten und der höchsten Übertragungsgenauigkeit sei.

Derzeit sind Satellitenzeitsysteme weit verbreitet, wie etwa das GPS der USA und das Beidou meines Landes. „Die Vorteile der Satellitenzeitmessung liegen in der großen Reichweite und den geringen Kosten. Doch aufgrund der Entwicklungsanforderungen ist die Verbesserung der Genauigkeit der Satellitenzeitmessung auch auf Engpässe gestoßen.“ Chen Jiang erklärte, dass die Zuverlässigkeit der Satellitenzeitmessung relativ gering sei. Satelliten-Zeitempfänger müssen beispielsweise Navigationssatellitensignale aus dem offenen Weltraum empfangen und sind anfällig für Funkstörungen vom Boden und aus geringer Höhe, was sich auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Zeitmessung auswirkt.

Chen Jiang sagte, dass die Genauigkeit der Übertragung von Zeit- und Frequenzsignalen mittels Glasfasern die der Satellitenzeitmessung bei weitem übertreffe. „Die Glasfaser-Zeitmessung ist gut mit Glasfaser-Kommunikationssystemen kompatibel. Auf Grundlage des Glasfaser-Kommunikationsnetzes kann ein vernetztes Glasfaser-Zeitmessungssystem aufgebaut werden, das die Zuverlässigkeit und Angriffssicherheit des Zeitmessungssystems erheblich verbessert und den Anforderungen verschiedener Benutzer gerecht wird.“

Innovative Technologie zum Schutz

Um eine hochpräzise Zeitsynchronisation über eine große Reichweite zu erreichen, legte das Team ein „großes Netzwerk“ auf der eigentlichen Glasfaserverbindung an. Dieses Verbundnetz verbindet die Standorte der Verbindung in Reihe und basiert auf der Mehrbenutzertechnologie, die eine kontinuierliche Anhäufung von Übertragungsfehlern bei der Zeitsynchronisierung zwischen den Standorten vermeidet.

Bei der Übertragung über Glasfaserverbindungen kommt es zwangsläufig zu Rauschstörungen, die sich Schritt für Schritt anhäufen. „Dem Team sind Durchbrüche in der Reinigungstechnologie gelungen und es konnte der entstehende Lärm eliminiert werden“, sagte Chen Jiang.

Um den zuverlässigen Betrieb des gesamten Systems zu gewährleisten, ist eine stabile Lichtquelle unerlässlich. Chen Jiang gab bekannt, dass das Team eine ultrastabile Lichtquelle mit geringem Phasenrauschen als Übertragungslichtquelle entwickelt und die Technologie der optischen Frequenzkaskadenübertragung mit Glasfasern eingesetzt habe, um auf einen Schlag eine hochpräzise optische Frequenzübertragung zwischen weit entfernten Standorten zu erreichen.

In Bezug auf die Netzwerkarchitektur verwendet das Glasfaser-Zeitmesssystem eine Doppelleitungsübertragung und jede Zeitmessstation auf der Verbindung kann Zeit- und Frequenzsignale sowohl aus der Upstream- als auch aus der Downstream-Richtung empfangen. „Unter Berücksichtigung der Glasfaser-Ringnetzstruktur in Nord- und Südchina werden mehrere Glasfaser-Zeitstrecken eingerichtet, um das Auftreten von Zeitsignalunterbrechungen durch Einzelpunktleitungsausfälle zu reduzieren“, sagte Chen Jiang.

Chen Jiang kündigte an, dass mein Land in Zukunft das weltweit erste hochpräzise Glasfaser-Zeitsynchronisationssystem mit einer Gesamtleitungslänge von etwa 20.000 Kilometern, einer Zeitsynchronisationsgenauigkeit von 100 Pikosekunden und einer Frequenzübertragungsstabilität von 19 Größenordnungen bauen werde. Zu dieser Zeit wird man voraussichtlich hochpräzise Zeit- und Frequenzübertragungen über die herrlichen Berge und Flüsse unseres Heimatlandes per Glasfaser durchführen und auf noch mehr wichtigen wissenschaftlichen und technologischen Plattformen Einzug halten.