授时——你知道“时间”怎么传递的吗?

下面的场景经常发生在我身上:别人问我是哪个单位的,我会有些自豪地告诉他/她“国家授时中心”,但尴尬的是,很多人表示没有听说过,或者说不知道“授时”是什么。今天,我们就来仔细的说说“授时”的那些事儿。



什么是授时?

“授时”这个词已经出现很多年了,比如东汉发明地动仪的张衡说过“规天矩地,授时顺乡”,宋朝苏轼说过“授时赋政,亦郡守之常”,当然可不止这几个耳熟能详的名人说过。

古时候皇帝身边有一帮观天象的星象学家负责历法的制定,把制定好的历法告诉给百姓,叫做“敬记天时以授民也”,这样农民就不会耽误播种、施肥、收获的时节了。

现今社会,涉及到和我们息息相关的通信系统、电力系统、金融系统、导航系统,其有效运行都依赖于高精度时间同步,因此“准确而稳定的时间基准&高精度授时系统”对于现代社会的正常运转有着极其重要的作用,各国的科学家们都在为授时精度的提高而不懈努力。目前我国使用的北京时间是由位于西安的国家授时中心产生、保持和发播的。



言归正传,所谓“授时”,简单的说就是如果我有准确并稳定的时间,然后我通过一些授时手段将它传递给你的这一过程。外国人把“授时”叫做“Time Service”,道理是一样的。



授时有哪些手段?

了解了授时的概念,接下来介绍一下授时具体的手段。很明显下面的方式也属于一种授时手段哦!但是这种授时手段太low了,今天我主要介绍几种基于无线电技术发展而产生的高精度授时手段。



1、长波授时(BPL)

长波指频率为30KHz~300KHz,波长为1千米~10千米范围内的电磁波。在20世纪70年代初我国开始建设自己专门用于时频传递的罗兰-C体制长波授时台。国家授时中心的长波授时采用的发射频率为100KHz,电台呼号为BPL。



长波授时示意图

长波授时系统的信号通过地波和天波传播。地波传播是通过大地传导无线电信号,信号稳定,授时性能可靠;天波传播是靠电离层反射,由于夜晚电离层高度高于白天,因此天波传播路径有昼夜区别,授时性能较差。一个长波授时台信号的覆盖范围地波约1000千米,天波≤1500千米。我国的长波授时系统覆盖范围为我国内陆及近海海域,定时精度为微秒量级。利用长波(低频)进行时间频率传递与校准,是一种覆盖能力比短波强,校准的准确度更高的授时方法。



陕西省蒲城县的长波授时天线

2、短波授时(BPM)

短波指频率为3MHz~30MHz,波长为10~100米范围内的电磁波。国家授时中心的短波授时采用的发射频率分别为2.5MHz(15:30~9:00发播)、5MHz(全天候)、10MHz(全天候)、15MHz(9:00~17:00发播),电台呼号为BPM。



短波授时大致覆盖范围

短波授时信号传播方式有2种:地波传输和天波传输。在距离授时台100千米的范围内,使用地波传输时间信号;依靠电离层对短波的多次反射实现的天波传播,可将信号传播到很远的地方。因此,短波授时信号覆盖半径约3000千米,用4个频率交替发播结合可覆盖全国疆域,授时精度为1 ~3毫秒。



60年代建成的短波授时台机房



陕西省蒲城县的短波授时天线

3、低频时码授时(BPC)

上文已经提到,长波指频率为30KHz~300KHz,波长为1千米~10千米范围内的电磁波。因此低频时码授时属于一种特殊的长波授时,它适用于区域性的标准时间频率传输,其传播的稳定度、覆盖范围的广泛性,使其在各个领域都发挥了重要的作用。

国家授时中心的低频时码授时采用载频为68.5KHz的连续波时码授时体制技术,于2002年建成BPC低频时码授时台并试验发播。2007年,考虑到覆盖环渤海和长三角主要经济区的目标,国家授时中心在河南商丘建立了一座大功率低频时码授时连续发播台,构筑了我国新一代低频时码授时系统,技术指标处于国际先进水平。授时精度约100微秒。



我国低频时码授时电波覆盖范围



2007年在商丘建设的低频时码发播台

低频时码授时的特点是利用微电子技术,使用户设备可以做得非常简单且价廉,具有十分广阔的产业化前景。其终端产品之一“电波钟”的出现是人类计时史的又一次革命。电波表是一种接收标准时间信息的电波后可以自动校对时间的手表,电波表30万年误差不会超过一秒。





电波钟表

4、卫星导航授时

北斗卫星导航系统的时间叫做BDT,我国的卫星授时由北斗系统承担。BDT通过国家授时中心标校与UTC(NTSC)与国际UTC建立联系。该系统由空间段、地面段和用户段组成。用户使用北斗卫星信号接收设备可实现卫星定时,目前精度达到纳秒量级。



5、网络授时

网络授时就是利用互联网传送标准时间。目前,国家授时中心提供两种计算机网络时间服务:SNTP(Simple Network Time Protocol)校时服务器和“时间精灵”服务。其中SNTP校时服务的IP地址是:210.72.145.44,同步精度约10毫秒。



6、电话授时

电话授时就是利用电话网络传送标准时间。目前,国家授时中心通过电话公用网络提供时间服务的方式有三种。



*通过专用电话时码接收机方式:用户通过专用电话时码接收机联入电话线端子,通过拨打国家授时中心的服务专线,即可自动获得标准北京时间显示和输出,授时精度10毫秒。

*计算机加调制解调器的方式(ACTS:Auto Computer Time Service):又称自动计算机时间服务。用户计算机通过调制解调器与电话线路连接后,在国家授时中心时间科普网站下载NTSCTIME专用拨号校时软件,安装后,拨打国家授时中心的服务专线,即可同步校准用户本地计算机时钟,授时精度10毫秒。

*电话语音报时服务:国际授时中心语音报时服务的专线电话。采用音频脉冲——“嘟”声作为秒信号提示音,使用户极为方便进行校时,同步精度小于0.5秒。

结语

授时的核心和基础是守时,也就是说国家授时中心的UTC(NTSC)时间基准是我国的“授时之本,用时之源”。科学技术发展和社会进步互相推动和促进,未来授时技术的发展更是不可限量,授时精度势必越来越高。

附表1:目前主要的授时手段和相应的授时精度



附表2:秒的换算
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