“没人敢，除了我们！”中国人打造时间竞赛的“B计划”

 

2024年9月30日，高精度地基授时系统敦煌长波授时台试发播成功。

 

卫星信号主宰现代生活，如果它被破坏了怎么办？这是美国《纽约时报》在2024年的一篇文章中提出的疑问。

 

该文指出，全球定位卫星类似天空中的时钟，发出的时间信号对全球经济活动至关重要，就像导航对于司机一样。但卫星信号容易遭受攻击，十分脆弱。《纽约时报》认为，美国正在输掉和中国的“时间”争夺赛。这是因为，在打造替代卫星信号的“B计划”中，美国落后了。

 

文中提到的中国版“B计划”，正是中国科学院国家授时中心（以下简称授时中心）牵头建设的“十三五”国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统。

 

授时中心党委书记、副主任窦忠告诉《中国科学报》，1966年，国家为发展“两弹一星”，决定在我国内陆腹地建设一个专用授时台，代号“326”工程。这就是授时中心的前身。如今，高精度地基授时系统团队在攻坚过程中，不仅传承了老一辈的精神品质，还发展出“胸怀祖国、独立自主、集智攻关、艰苦奋斗”的新“326精神”。

 

胸怀祖国：构建“氧气般重要”的系统

 

不管是美国的全球定位系统（GPS）、欧洲的伽利略卫星导航系统，还是我国的北斗卫星导航系统，导航定位功能实现的基石都是时间，其中导航定位精度依赖时间测量精度。

 

卫星上携带的原子钟，能向导航定位终端发射包含其位置和时间信息的无线电信号。根据信号传输的时间，乘以速度，可以计算出手机和卫星之间的距离。当收到4颗卫星的信号时，就能实现定位。现代社会中，人们对时间信号的需求无处不在。时间系统发生错乱可能导致手机网络掉线、股票交易无法进行、电网故障难以迅速修复，人们乘坐地铁甚至无法刷卡进站。

 

俄乌冲突使卫星信号的脆弱性显现出来。据授时中心主任张首刚介绍，一台烟盒大小的干扰器就可以影响方圆几十公里的卫星信号。

 

如今说起“自主可控”，国人都有深刻体会。但15年前，形势却完全不同：免费向全世界开放的GPS独步天下，几乎占据所有市场；建设中的北斗能否顺利推广尚存争议。谁能想到今天？正如美国专家泰德·艾伦所言，时间服务“就像氧气，你不知道自己拥有它，直到失去”。

 

2010年，身为北斗卫星导航重大专项总体专家组成员的张首刚意识到，鸡蛋不能放在一个篮子里。“到目前为止，最安全的授时手段仍然是地基长波无线电长波。”

 

经过前期的技术储备和实验论证，2015年，授时中心提出长波+光纤地基授时的方案。最终，该方案获得国家认可，在“十三五”规划中部署实施。

 

据悉，高精度地基授时系统包括信号覆盖全部国土的长波授时系统和世界上规模最大、精度最高的光纤时间频率传递系统。一旦建成，将和中国空间站高精度授时系统、北斗卫星导航系统、低轨通信卫星系统一起，构建国际上技术手段最完善、具备抗打击能力的授时体系。

 

也就是说，中国版“B计划”并不是卫星授时的备用方案，而是升级版。

 

“我们所构建的立体交叉、多系统融合授时体系，是世界上前所未有的复杂系统。”张首刚说。

 

独立自主：没人敢，除了我们！

 

构建世界上前所未有的复杂系统是什么感觉？

 

“是成就感。”高精度地基授时系统副总工程师刘娅说，“一想到没人做过就很开心。没人敢提这么高的指标，除了我们！”

 

张首刚告诉《中国科学报》：“授时精度只有做不到，没有用不到。一旦提升一个量级，将产生大量意想不到的应用，催生新质生产力。因此必须迈出这一步。”

 

迈出这一步，意味着要走一条独立自主之路。最早听到这个目标时，刘娅的第一感觉是很难实现。一次参观“326”工程的经历改变了她的想法。“‘326精神’启示我们，做科研要坚定信念，只要目标对，就一定能实现。困难和问题只是暂时的，解决了就不是大事。”刘娅说。

 

1966年，在远离城市的陕西省蒲城县金帜山上，来自全国各地的大学生、科技人员从卸钢筋、拉水泥、盖房子、挖水井做起。没有吊车，他们就在地面铺上钢管，将几吨重的机器一点一点往前挪。在这样艰苦的条件下，大家用3年时间，建成我国第一座专用短波授时台，向全国发播“北京时间”。这就是“326”工程。

 

不久之后，建设长波授时台的计划提上日程。这一次，我国再次选择走独立自主、自力更生的道路，“326-2”工程启动。

 

后来，这些因为“326”和“326-2”工程改变人生轨迹的年轻人，大多留在陕西为祖国的时间频率事业奉献终生，也为后辈留下了“淡泊名利、甘于清贫、无私奉献、科技报国”的“326精神”。

 

在窦忠看来，高精度地基授时系统是新时代的“326”工程。在新“326精神”指引下，大家以国家需求为己任开展科研，誓要牢牢将核心技术掌握在自己手里。

 

走一条前人没走过的路，碰到困难如何解决？面对《中国科学报》的提问，刘娅干脆地回答：“就得死磕，必须解决。”

 

“研究生常问我一直没有进展怎么办，其实这很正常，没有挑战的科研没有价值。”刘娅表示，走一条没有人走过的路，可怕的不是碰到困难，而是怀疑自己——到底能不能走通？是不是走错了？这样坚持有没有意义？

 

经历几年的摸索和“死磕”，如今这条路看见了光明。刘娅说：“事实证明我们确实选择了国家需要的战略方向，并且这种战略眼光全世界领先。美国现在也提出了类似计划，但我们已经开始干了。”

 

集智攻关：共建“时间高速公路”

 

如果说互联网是信息高速公路，光纤时间频率传递系统就是一条“时间高速公路”。

 

作为一项前沿技术，国际上只有少数机构研究光纤授时。其中欧洲起步较早，一些国家实现了小范围光纤链路，但大多为几百公里。而我国的高精度地基授时系统将构建2.5万公里光纤授时网，遍布全国主要城市的300多个站点，24小时不间断提供服务，授时精度为百皮秒，比卫星授时高一个量级以上。

 

据高精度地基授时系统副总工程师刘涛介绍，作为目前精度最高的授时手段，光纤授时可将定位精度从卫星导航的米级提高到10厘米甚至厘米级。其中，最典型的应用是无人驾驶。仅依靠光纤授时，两辆无人车之间的安全距离能缩小到10厘米量级。可以畅想，在光纤授时加持下，未来会出现“无人车高速公路”。

 

但要让这条“时间高速公路”走出实验室，安全稳定地为各行各业所用并不容易，必须大力协同、集智攻关。

 

为了提高技术转移的成功率，授时中心采取了非一般的合作方式：科研人员全程与企业技术人员一起开发、测试、集成和安装调试。他们还会分批同时指导3家以上单位制造同一类产品，通过竞争保证产品质量和技术进步，最大限度带动行业发展。

 

在我国成果转化率普遍较低的大环境下，这一通操作虽然辛苦，却取得不错的成效。光纤授时网边建设边应用，目前已为不少用户提供服务。

 

在欧美国家，铺设光纤占用土地和基础设施是一大问题，多方利益难以协调。而在我国，授时中心提出发挥举国体制优势，利用现有通信光纤资源构建光纤授时网。这样既能节约时间、资源，又可以直接为通信网提供高精度时间信号。

 

在国家支持下，这样一件对其他国家而言不可思议的事情，竟然真的做成了。

 

长波授时台建设同样遇到土地问题。以前主流的技术方案由于占地面积太大而无法实施。高精度地基授时系统副总工程师李实锋翻遍各种资料，最后在档案室找到“三二六二工程总体方案”和相关论证材料。

 

“原来我们现在碰到的困难40多年前已经论证过！”这个发现给了李实锋很大帮助。研究人员根据调研的技术发展现状，综合研判后选择了当年被否决的单塔伞形发射天线方案。最终他们站在前人的肩膀上解决了难题，既节约了成本，又提高了性能指标。

 

 

2024年9月30日，高精度地基授时系统敦煌长波授时台试发播成功。授时中心供图

 

即便如此，分管土建配套的高精度地基授时系统副总工程师张涛还是找到李实锋：“天线角度能不能再小几度？那样还能节省很多土地。”李实锋拿出纸笔，用数据和公式向张涛证明，现有方案已是极限，连1度都少不了。就这样，张涛心服口服地找相关部门落实了土地问题。

 

“一个人只能做一件小事，而一个建制化的团队可以完成这项伟大的事业。”张首刚说。

 

艰苦奋斗：再一次“西征”

 

10年前，李实锋差点转行；如今却成为高精度地基授时系统增强型罗兰长波授时分系统负责人。用他自己的话说，“把冷门干成了热门”。

 

罗兰长波系统是美国在“二战”期间开发的一种比较“古老”的无线电导航技术。我国现有罗兰长波授时系统只覆盖中东部地区和近海海域，精度比北斗差了两个数量级。为了实现长波授时信号全国土覆盖，项目立项后的首要问题就是在西部选址。“326”工程中，来自北京、上海、南京等地的大学生向西进发，最终停留在陕西。而这一次，为了建设新时代的“326”工程，又有一批来自陕西临潼的科学家一路向西，到达甘肃敦煌、西藏那曲和新疆库尔勒。

 

在这3个地方建授时台，势必要面临交通不便、高海拔、极端低温、冻土施工等问题。张首刚坦言：“我们的年轻科学家要发扬两种精神——一是敢创新，二是能吃苦。”

 

李实锋清楚记得，当时考虑到信号的覆盖需求以及运维方便程度，打算在西藏拉萨附近选址，但开车转遍了拉萨周边都找不到合适的位置，只能向附近高海拔地区转移，最终选择了海拔4600米的那曲。280米高的天线铁塔，需人工辅助安装，作业海拔高度惊人，上下一次至少需要两个小时。

 

大家查遍文献，找不到在这么高的海拔建高精度时间频率系统的先例。对于建设者来说，从下飞机的一刻，挑战就已经开始。设备同样面临挑战。能不能正常运行？谁的心里也没底，只能一次次实地试验。为了测试设备低温性能，他们特地选择了冬天最冷的一天开展试验。没想到在实验室里通过极低温测试的设备在零下20多摄氏度的室外真的“冻僵”了。“原来野外条件跟实验室真的不一样。”大家通过各种检测、试验，最后解决了这个问题。

 

光纤授时系统的建设是一项大工程。按照运营商的安全要求，只能在凌晨1点之后进机房装设备，全国300多个机房都是如此。青年科研人员进机房布线、冰天雪地里扛设备，经常要爬坡上山。刘娅说：“没有人抱怨辛苦，反而很自豪地跟我说‘这次两个星期就搞定了，我又突破了自己的极限’。”

 

“其实现在的年轻人不怕累，愿意干活。”刘涛表示，“我们国家在很多方面还有短板，很多情况下受制于人。因此把国家需求放在第一位，是每位科研工作者首先要考虑的。”

 

文 ｜ 《中国科学报》 记者 陈欢欢；《中国科学报》 (2025-03-27 第1版 要闻)