原子時(shí)(ATI)，以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。原子時(shí)的初始?xì)v元規(guī)定為1958年1月1日世界時(shí)0時(shí)，秒長定義為銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場下躍遷輻射9，192，631，770周所持續(xù)的時(shí)間。這是一種均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。

格林尼治時(shí)間以英國首都倫敦市郊格林尼治天文臺(tái)命名。1884年華盛頓國際經(jīng)度會(huì)議確定格林尼治時(shí)間為國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

1924年2月5日起，格林尼治天文臺(tái)每隔一小時(shí)向全球發(fā)布調(diào)時(shí)信息。格林尼治時(shí)間作為全球通用的時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)已使用120多年。如今，這一以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)的“世界時(shí)”可能由以原子振蕩周期為依據(jù)的“原子時(shí)”徹底取代。

20世紀(jì)70年代一項(xiàng)國際協(xié)議確定世界時(shí)和原子時(shí)兩種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。世界時(shí)受地球自轉(zhuǎn)速度減緩影響，有一定誤差;原子時(shí)用原子能級(jí)躍遷振動(dòng)頻率計(jì)時(shí)，1000萬年誤差1秒，相對(duì)精準(zhǔn)。為協(xié)調(diào)兩種標(biāo)準(zhǔn)，格林尼治天文臺(tái)1972年引入閏秒概念，人工干預(yù)原子時(shí)，即在地球自轉(zhuǎn)減慢致使世界時(shí)多出1秒時(shí)，把原子時(shí)撥慢1秒。

對(duì)普通人而言，快一秒、慢一秒不會(huì)影響生活。對(duì)授時(shí)機(jī)構(gòu)、通信、航天、電子等時(shí)間精度要求較高的領(lǐng)域而言，調(diào)校時(shí)間不是容易的事。例如，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間要調(diào)校精確至毫秒，如何避免誤差成為不小挑戰(zhàn)。

國際電信聯(lián)盟定于明年1月在瑞士日內(nèi)瓦表決是否以原子時(shí)替代世界時(shí)。如果表決通過，意味著全球時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)不再以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)，僅由原子鐘確定;原子時(shí)計(jì)量機(jī)構(gòu)國際計(jì)量局將取代倫敦格林尼治天文臺(tái)，成為新任“時(shí)間守護(hù)者”。

1、國際原子時(shí)基本概念

原子時(shí)，指的是以原子頻標(biāo)為基礎(chǔ)建立的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。1967年第十三屆國際計(jì)量大會(huì)CGPM確定了以銫原子輻射為基礎(chǔ)的秒長定義，即銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在海平面、零磁場下躍遷輻射9，192，631，770周所持續(xù)的時(shí)間為原子時(shí)秒，并把它規(guī)定為國際單位制時(shí)間單位SI、原子時(shí)的時(shí)間起點(diǎn)定義在1958年1月1日0時(shí)(UT)，即規(guī)定在這一瞬間，原子時(shí)和世界時(shí)重合。

為保持全世界時(shí)間尺度的統(tǒng)一，國際計(jì)量局BIPM聯(lián)合數(shù)十個(gè)國家和地區(qū)的時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室來共同建立統(tǒng)一的國際原子時(shí)，即TAI。

由于國際原子時(shí)TAI與理想時(shí)標(biāo)地球時(shí)TT有相同的種速，因此，TAI可視為理想時(shí)標(biāo)TT的具體實(shí)現(xiàn)。

2、國際原子時(shí)實(shí)現(xiàn)方法

國際原子時(shí)的實(shí)現(xiàn)由國際計(jì)量局負(fù)責(zé)、目前，全世界約有30多個(gè)國家和地區(qū)的70個(gè)時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室、350臺(tái)原子鐘參與BIPM的TAl時(shí)間比對(duì)和綜合原子時(shí)計(jì)算。.

分布在世界各地時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室的原子鐘通過內(nèi)部時(shí)間比對(duì)和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)，將數(shù)據(jù)匯集到BIPM，BlPM通過原子鐘比對(duì)。數(shù)據(jù)的綜合處理，得到自由原子時(shí)(EAL)。EAL具有最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，但相對(duì)與秒基準(zhǔn)的頻率準(zhǔn)確度上缺少約束，因此，需要再根據(jù)頻率基準(zhǔn)裝置(PFS)對(duì)EAL進(jìn)行頻率駕馭，最終得到TAI。目前，約有12臺(tái)頻率基準(zhǔn)裝置(PFS)對(duì)EAL進(jìn)行頻率駕馭，其中有9臺(tái)為銫基準(zhǔn)，分別由法國、德國、意大利、日本、美國維持TAI的綜合原子時(shí)處理方法為ALGOS算法，TAI的基本處理流程見下圖。

隨著原子鐘質(zhì)量的不斷提高和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)技術(shù)的不斷更新，BIPM多次蜓新TAI汁算方法和取權(quán)規(guī)則，縮短了計(jì)算周期和數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔，1998年以后TAI每月算一次。

各實(shí)驗(yàn)室之間主要通過通過衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(TWSTFT)、GPS時(shí)間傳遞等方法進(jìn)行精密時(shí)間比對(duì)，比對(duì)鏈路關(guān)系見下圖。

由圖可見，歐洲地區(qū)時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室和比對(duì)鏈路分布最為密集，主要以PTB為中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)、北美地區(qū)時(shí)間比對(duì)以USNO和NlST為主要節(jié)點(diǎn)，亞洲地區(qū)時(shí)間比對(duì)以日本CRL為主要節(jié)點(diǎn)。

在各種比對(duì)手段中，衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞方法精度最高，但設(shè)備較為昂貴，約占15%比例;GPS SC(單頻單通道C/A碼)時(shí)間傳遞方法所占比例約為36%;GPS MC(單頻多通道C/A碼)時(shí)間傳遞方法所占比例約為33%;GPS P3(多頻多通道P3碼)時(shí)間傳遞方法所占比例約為9%;其它時(shí)間傳遞方法所占比例約為7%。

3、國際原子時(shí)性能要求

TAI可適應(yīng)最高要求的應(yīng)用，TAI的綜合性能主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

①連續(xù)性(Continuity)

②可靠性(Reliability)

③可用性(Accessibility)

④頻率穩(wěn)定度(Frequency stability)

⑤頻率準(zhǔn)確度(Frequency accuracy)

時(shí)間作為一個(gè)連續(xù)量，一旦中斷便難以找回，TAI是國際時(shí)間的最高基準(zhǔn)，對(duì)連續(xù)性的要求更高，因此連續(xù)性是TAI時(shí)間尺度要求的首要指標(biāo)。

可靠性主要體現(xiàn)在時(shí)間系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，時(shí)間系統(tǒng)必須保障長期的正常運(yùn)行，才能提供有效的時(shí)間參考基準(zhǔn)。TAI是通過全世界的數(shù)十個(gè)鐘組共同保持，不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別鐘組故障而影響系統(tǒng)整體功能，可靠性能夠得到充分的保障。

可用性主要體現(xiàn)在用戶對(duì)時(shí)間的使用方面。由于TAI代表的是紙面時(shí)，不能直接為用戶使用，因此，一般要通過主鐘系統(tǒng)輸出實(shí)時(shí)信號(hào)和鐘差改正數(shù)，并連接到各類授時(shí)系統(tǒng)，通過授時(shí)信號(hào)為用戶提供時(shí)間服務(wù)，如衛(wèi)星授時(shí)、長波授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等方式。

頻率穩(wěn)定度主要反映了頻率的均勻性。單個(gè)原子鐘通常頻率抖動(dòng)較大，通過原子鐘組的平均可以獲得更高的頻率穩(wěn)定度，TAI的ALGOS算法就是基于加權(quán)平均的方法而設(shè)計(jì)的。當(dāng)前，TAI的頻率穩(wěn)定度約為0.4×10-15(20days~40days)。

頻率準(zhǔn)確度主要反映了頻率與秒定義的一致性。秒定義通過頻率基準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)，TAI通過與頻率基準(zhǔn)裝置的比對(duì)和駕馭修正，來保證與原子時(shí)秒SI的高度一致性。當(dāng)前，TAI的頻率準(zhǔn)確度約為2×10-15。

1、地方原子時(shí)概念

根據(jù)原子時(shí)的基本定義，由世界各國家或地區(qū)的時(shí)頻間實(shí)驗(yàn)室利用自身的高性能氫、銫等原子鐘建立和保持的原子時(shí)，稱為地方原子時(shí)，地方原子時(shí)一般記為TA(k)。

2、地方原子時(shí)實(shí)現(xiàn)

為滿足生產(chǎn)、生活、國防建設(shè)多方面的需要，世界上大多數(shù)國家都建有自己的時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室，用于建立和產(chǎn)生地方原子時(shí)，許多國家和地方的時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室還直接參與國際比對(duì)，用于TAI的保持。

中國的時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室主要有中科院國家授時(shí)中心、國家計(jì)量院、航天科技集團(tuán)203所等單位，分別建立了各自的守時(shí)系統(tǒng)，保持的地方原子時(shí)分別記為TA(NTSC)、TA(NIM)、TA(BIRM)，并參與國際原子時(shí)的時(shí)間比對(duì)和計(jì)算。此外，還有國防部門建立和維持的時(shí)頻系統(tǒng)為國防建設(shè)服務(wù)，如軍用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

目前，中科院國家授時(shí)中心有19臺(tái)銫鐘，4臺(tái)氫鐘，TA(NTSC)頻率月穩(wěn)定度在10-15(30d)量級(jí)，并與TAI的時(shí)間偏差基本控制在±20ns以內(nèi)。中國計(jì)量科學(xué)研究院保存著中國時(shí)間頻率的計(jì)量基準(zhǔn)，計(jì)量院研制的NIM5銫原子頻率基準(zhǔn)準(zhǔn)確度優(yōu)于5×10-15，通過NIM5對(duì)其保持的地方原子時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。由軍方建立的軍用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間已經(jīng)被明確規(guī)定作為中國人民解放軍的統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，在我國國防建設(shè)中使用。