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深度揭秘:到底什么是 “授时”

2020-09-08 13:10 来源: 中国政府网
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世界上最宝贵的东西是什么?

我相信很多人的答案是——“时间”。

没错,时间非常之重要。古时候,无数先贤告诫我们,要好好珍惜时间、利用时间,正所谓 “一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴”。

那么,问题来了,古人既没有钟,也没有表,他们是如何获知时间的呢?

“敬记天时,以授民也”

大家应该记得,古装剧里,一天被分为十二个时辰。

入夜之后,每隔一个时辰,就会有更夫打更——一边有节奏地敲击梆子,一边吆喝:“天干物燥,小心火烛!”

是的,古人想要获知时间信息,基本靠 “听”。

当时,有那么一群 “公务员”,他们通过圭表、日冕等工具确认时间,然后通过钟楼敲钟、鼓楼击鼓、更夫打更等方式,将时间信息传递给周边居民。

在皇帝身边,还有一群职位更高的星象学专家。他们负责夜观天象、制定历法,指导农民按时进行播种、施肥和收获。

历史上对这种建立时间标准、传递时间信息的行为,称为 “敬记天时,以授民也”,缩写一下,也就是 “授时”。

国外呢,则将这种行为称之为时间服务,也就是 Time Service。

从历书时到原子时,时间系统的演进

到了 17~19 世纪,随着人类机械工艺的不断精进,钟表制造业进入了高速发展期,并实现了工业化生产。

钟表的迅速普及,逐渐改变了人们的时间观念,也推动了社会的发展和进步。

▲ 怀表——19 世纪英伦绅士的标配

进入 20 世纪后,电子工业迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电机械表、石英电子钟表相继问世。钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期,每日误差逐渐被控制在 0.5 秒以内。

与此同时,人类对时间的认知也进入了全新阶段,逐步建立了 “时间系统”的概念。

时间系统,也称为时间频率基准。说白了,就是如何衡量时间。

常见的时间系统包括三种,分别是:

以地球自转周期为基准的世界时(Universal Time,UT)

以地球绕太阳公转周期为基准的历书时(Ephemeris Time,ET)

以物质内部原子(例如铯原子)发射的电磁振荡频率为基准的原子时(Atomic time,AT)

世界时存在不均匀性,历书时测量精度低,所以,1967 年第 13 届世界度量衡会议上,各国代表投票决定采用原子时取代历书时,作为基本时间计量系统。原子时的秒长,被规定为国际单位制的时间单位,作为三大物理量的基本单位之一。

目前国际通用的标准时间,叫做协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC),也称 “世界标准时间”。它是原子时和世界时的结合,以原子时的秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时。

我们都知道,地球根据经度分为 24 个时区。我们中国虽然地跨 5 个时区,但统一采用 “北京时间”,也就是 “UTC+8”时区。

▲ 我们国家所处的时区

授时到底有哪些方式

计时工具和时间系统发生了巨变,授时方式当然也要跟着变。

授时过程,其实就是一个通信的过程。电磁理论改变了通信,也同样改变了授时。

根据不同的电磁波频率以及传递手段,现代授时技术被分为以下几种:

1. 短波授时

采用波长在 100m~10m(频率:3MHz~30MHz)的短波无线电进行授时。

以我们国家为例。在陕西临潼,有一个中国科学院国家授时中心总部。这里承担着我国国家标准时间(北京时间)的产生、保持和发播任务。

国家授时中心的授时台,设置在陕西蒲城。这里的短波电台会使用 2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz 频率,全天连续发播我国短波无线电时号,呼号为 BPM。

短波授时信号通过天波和地波传输。地波可以传输 100 公里,天波的话,覆盖半径超过 3000 公里,基本覆盖全国疆域,授时精度为毫秒量级。

▲ 天波和地波

2. 长波授时

采用波长在 10km-1km(频率:30KHz~300KHz)的长波无线电进行授时。

国家授时中心的长波电台呼号为 BPL,发射频率为 100KHz。

长波授时信号的地波作用距离为 1000-2000 公里,天波信号为 3000 公里,基本覆盖我国内陆及近海海域,授时精度为微秒量级。

3. 低频时码授时

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。

国家授时中心采用载频为 68.5KHz 的连续波时码授时体制技术。

我们常见的电波钟 / 电波表,就可以接收这种信号,自动进行时间校对,精度可以达到 30 万年误差不超过 1 秒。

▲ 电波表

4. 电话授时

利用电话网络传送标准时间,称为电话授时。

例如,通过专用电话时码接收机,拨打国家授时中心的服务专线电话,即可自动获得标准北京时间显示和输出,授时精度 10 毫秒。

5. 电视授时

哈哈,这个可不是指每天 19 点的新闻联播播报。

大家应该都不会想到,其实中央电视台在自家的电视信号中,“偷偷”插入了由原子钟提供的时间信息。用户设备接收电视信号后,加以改正,便可实现定时,精度约为 10 微秒。

6. 网络授时

这个大家应该比较熟悉。我们电脑上经常使用的 NTP(Network Time Protocol,网络时间协议),就是网络授时。

只要设置了目标 NTP 服务器的 IP 地址,本地计算机就可以实现时间同步。

▲ NTP 配置界面

7. 卫星授时

前面我们介绍的都是地基的授时方式,接下来,我们来看看现在最流行的天基授时方式,也就是 “卫星授时”。

我们每天都会用到百 度、高德这样的导航和定位 App。大家应该也知道,这些 App 之所以能实现导航和定位,是因为手机能够和卫星通讯,使用卫星提供的服务。

提供导航定位服务的卫星系统,我们称之为 GNSS 系统(全球导航卫星系统)。

大名鼎鼎的 GPS,是美国的 GNSS 系统,也是全球最早的 GNSS 系统。而现在名声大噪的北斗,则是我们中国自主研发和建设的 GNSS 系统。

同样具备全球覆盖能力的 GNSS 系统,还包括俄罗斯的 GLONASS(格洛纳斯)和欧洲的 Galileo(伽利略)。

除了全球性的卫星系统之外,GNSS 还包括一些区域性的系统以及增强系统。

很多人并不知道,GNSS 系统除了定位和导航之外,还有一个非常重要的功能,那就是——授时。

GNSS 三大核心能力,通常简称为 PVT,也就是 Position(位置)、Velocity(速度)和 Time(时间)。

那么,GNSS 是如何实现授时的呢?

在每一颗 GNSS 卫星上,都配备有原子钟。这就使得发送的卫星信号中包含有精确的时间数据。通过专用接收机或者 GNSS 授时模组,可以对这些信号加以解码,就能快速地将设备与原子钟进行时间同步。

相比于前面所说的长波、短波、网络等授时技术,GNSS 卫星授时拥有明显的技术优势。

首先,GNSS 授时的精度更高。

以北斗为例。北斗卫星导航系统的时间,叫做 BDT。BDT 属原子时,可以溯源到我国国家授时中心的协调世界时 UTC,与 UTC 的时差控制准确度小于 100ns。

▲ 各授时方式的授时精度对比

除了精度之外,GNSS 卫星授时还有先天的覆盖优势。

长波、短波地基授时,都有物理传播距离的限制。如果遇到高山等环境阻隔,传播距离将进一步缩小。

而 GNSS 卫星授时在覆盖能力上明显要强得多。尤其是针对远洋航海及航空航天场景,GNSS 卫星授时更是优势明显。

授时服务的应用场景

说了半天,我们为什么需要精度这么高的授时服务呢?难道只是为了方便网购秒杀吗?

当然不是。

以我们人类的生理极限,毫秒级精度就已经足够用了。像 GNSS 这样的高精度授时,主要用于高科技领域。

▲ 人类竞技运动,一般只精确到毫秒级

最早期的高精度授时应用需求,来自航空航天。

航空航天飞行器,往往以极高的速度飞行。如果没有精准的时间同步,就无法对飞行器的准确位置进行确认。

尤其是太空对接等场景,如果两个飞行器的时间不同步,那么距离就会差之千里,飞行姿态也会存在巨大误差,最终导致严重事故。

▲ 太空对接

除了科研领域之外,随着高精尖科技逐渐在各行各业落地,很多和我们生活息息相关的系统,也有了高精度授时需求。例如电力系统、金融系统、通信系统等。

电力行业为什么会要求时间同步?

很简单啊,我们用的都是交流电,交流电中的电流方向是随时间变化的。当不同的电网设备进行并网时,如果时间不一致,你波峰波谷就不一致,轻则带来多余的能量损耗,重则直接短路,毁坏设备,瘫痪电网,造成大规模停电。

▲ 电网设备

金融领域同样依赖时间同步。

现在我们都是数字化金融,所有的交易都通过电脑和网络进行。系统时间不同步,很可能导致交易失败,在瞬息万变的市场中错过机会。不同步的时间,也有可能被黑客利用,给系统带来安全隐患。

我们所熟悉的通信系统,同样离不开高精度授时的支持。

通信基站的切换、漫游需要精准的时间控制,对同步精度的要求高,也需要足够的稳定性。以 TD-LTE 为代表的 TDD 时分系统对时间同步的要求更高,系统时间同步要求在 ±1.5μs。

我们现在使用的 5G,基本上也是采用 TDD 时分复用模式。在大速率数据传输过程中,对时间同步精度要求极高。如果通信设备之间时间不同步,将影响时隙和帧,进而影响业务的正常进行。

除了上述行业之外,包括交通调度、地理测绘、防震减灾、气象监测等各个领域,都对高精度时间同步有刚性需求。

高精度授时模组

目前来看,GNSS 卫星授时凭借授时精度高、覆盖范围广、实现成本低等优势,已然成为最受用户欢迎、应用最为广泛的授时方式。

越来越多的行业选择 GNSS 卫星授时,作为本行业的时间解决方案。GNSS 授时模组新品迭出,发货量逐年攀升,市场前景一片大好。

以移远通信的 L26-T 和 LC98S 模组为例。

这两款模组都是车规级高精度 GNSS 授时模组,支持 GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo 和 QZSS 多卫星系统,并集成差分全球定位系统(DGPS)和星基增强系统(SBAS)(包括 WAAS、EGNOS、MSAS 和 GAGAN),可显著提高授时稳定性和精准性。即使在复杂信号环境下,也可提供高精度、高完整性的精密授时服务。

Position hold 模式的存在,大幅减小了模组的授时抖动。支持单星授时,即使在可见卫星只有一颗的情况下也能保持高精度授时。AGNSS 功能,也可以帮助模组显著缩减首次定位时间。

▲ 高精度授时模组

L26-T 和 LC98S 模组出厂前会经过严苛的可靠性测试,确保其能够在复杂环境下正常工作,为全球通信基站、金融服务、电力系统、铁路调度等行业应用提供精密授时服务。

好啦,说了那么多,大家对授时应该有了全面的了解吧?

随着数字化浪潮的不断深入,高精度授时服务将走进更多的行业,诞生更多的应用场景。授时相关的设备和系统,重要性日益凸显,逐渐成为国家的重要信息化基础设施。

高精度授时服务,将彻底改变我们每个人的生活。

【我要纠错】 责任编辑:刘杨
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