深度揭秘：到底什么是“授時”

世界上最寶貴的東西是什么?

我相信很多人的答案是——“時間”。

沒錯，時間非常之重要。古時候，無數先賢告誡我們，要好好珍惜時間、利用時間，正所謂“一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰”。

那么，問題來了，古人既沒有鐘，也沒有表，他們是如何獲知時間的呢?

“敬記天時，以授民也”

大家應該記得，古裝劇里，一天被分為十二個時辰。

入夜之后，每隔一個時辰，就會有更夫打更——一邊有節奏地敲擊梆子，一邊吆喝：“天干物燥，小心火燭!”

是的，古人想要獲知時間信息，基本靠“聽”。

   當時，有那么一群“公務員”，他們通過圭表、日冕等工具確認時間，然后通過鐘樓敲鐘、鼓樓擊鼓、更夫打更等方式，將時間信息傳遞給周邊居民。

古代時間參考

   在皇帝身邊，還有一群職位更高的星象學專家。他們負責夜觀天象、制定歷法，指導農民按時進行播種、施肥和收獲。

歷史上對這種建立時間標準、傳遞時間信息的行為，稱為“敬記天時，以授民也”，縮寫一下，也就是“授時”。

   國外呢，則將這種行為稱之為時間服務，也就是Time Service。

   從歷書時到原子時，時間系統的演進，到了17~19世紀，隨著人類機械工藝的不斷精進，鐘表制造業進入了高速發展期，并實現了工業化生產。

   鐘表的迅速普及，逐漸改變了人們的時間觀念，也推動了社會的發展和進步。

鐘表普及

   進入20世紀后，電子工業迅速發展，電池驅動鐘、交流電鐘、電機械表、石英電子鐘表相繼問世。鐘表進入了微電子技術與精密機械相結合的石英化新時期，每日誤差逐漸被控制在0.5秒以內。

   與此同時，人類對時間的認知也進入了全新階段，逐步建立了“時間系統”的概念。

   時間系統，也稱為時間頻率基準。說白了，就是如何衡量時間。

常見的時間系統包括三種，分別是：

?以地球自轉周期為基準的世界時(Universal Time，UT)

?以地球繞太陽公轉周期為基準的歷書時(Ephemeris Time，ET)

?以物質內部原子(例如銫原子)發射的電磁振蕩頻率為基準的原子時(Atomic time，AT)

   世界時存在不均勻性，歷書時測量精度低，所以，1967年第13屆世界度量衡會議上，各國代表投票決定采用原子時取代歷書時，作為基本時間計量系統。原子時的秒長，被規定為國際單位制的時間單位，作為三大物理量的基本單位之一。

   目前國際通用的標準時間，叫做協調世界時(Universal Time Coordinated，UTC)，也稱“世界標準時間”。它是原子時和世界時的結合，以原子時的秒長為基礎，在時刻上盡量接近于世界時。

   我們都知道，地球根據經度分為24個時區。我們中國雖然地跨5個時區，但統一采用“北京時間”，也就是“UTC+8”時區。

授時到底有哪些方式

   計時工具和時間系統發生了巨變，授時方式當然也要跟著變。

   授時過程，其實就是一個通信的過程。電磁理論改變了通信，也同樣改變了授時。

根據不同的電磁波頻率以及傳遞手段，現代授時技術被分為以下幾種：

1.短波授時

   采用波長在100m～10m(頻率：3MHz～30MHz)的短波無線電進行授時。

以我們國家為例。在陜西臨潼，有一個中國科學院國家授時中心總部。這里承擔著我國國家標準時間(北京時間)的產生、保持和發播任務。

   國家授時中心的授時臺，設置在陜西蒲城。這里的短波電臺會使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz頻率，全天連續發播我國短波無線電時號，呼號為BPM。

   短波授時信號通過天波和地波傳輸。地波可以傳輸100公里，天波的話，覆蓋半徑超過3000公里，基本覆蓋全國疆域，授時精度為毫秒量級。

覆蓋傳輸半徑

2.長波授時

   采用波長在10km-1km(頻率：30KHz～300KHz)的長波無線電進行授時。

   國家授時中心的長波電臺呼號為BPL，發射頻率為100KHz。

   長波授時信號的地波作用距離為1000-2000公里，天波信號為3000公里，基本覆蓋我國內陸及近海海域，授時精度為微秒量級。

3.低頻時碼授時

   低頻時碼授時屬于一種特殊的長波授時，它適用于區域性的標準時間頻率傳輸。

   國家授時中心采用載頻為68.5KHz的連續波時碼授時體制技術。

   我們常見的電波鐘/電波表，就可以接收這種信號，自動進行時間校對，精度可以達到30萬年誤差不超過1秒。

電波表

4.電話授時

   利用電話網絡傳送標準時間，稱為電話授時。

   例如，通過專用電話時碼接收機，撥打國家授時中心的服務專線電話，即可自動獲得標準北京時間顯示和輸出，授時精度10毫秒。

5.電視授時

哈哈，這個可不是指每天19點的新聞聯播播報。

   大家應該都不會想到，其實中央電視臺在自家的電視信號中，“偷偷”插入了由原子鐘提供的時間信息。用戶設備接收電視信號后，加以改正，便可實現定時，精度約為10微秒。

6.網絡授時

   這個大家應該比較熟悉。我們電腦上經常使用的NTP(Network Time Protocol，網絡時間協議)，就是網絡授時。

只要設置了目標NTP服務器的IP地址，本地計算機就可以實現時間同步。

PC互聯網授時

7.衛星授時

   前面我們介紹的都是地基的授時方式，接下來，我們來看看現在最流行的天基授時方式，也就是“衛星授時”。

   我們每天都會用到百度、高德這樣的導航和定位App。大家應該也知道，這些App之所以能實現導航和定位，是因為手機能夠和衛星通訊，使用衛星提供的服務。

衛星授時

   提供導航定位服務的衛星系統，我們稱之為GNSS系統(全球導航衛星系統)。

   大名鼎鼎的GPS，是美國的GNSS系統，也是全球最早的GNSS系統。而現在名聲大噪的北斗，則是我們中國自主研發和建設的GNSS系統。

同樣具備全球覆蓋能力的GNSS系統，還包括俄羅斯的GLONASS(格洛納斯)和歐洲的Galileo(伽利略)。

   除了全球性的衛星系統之外，GNSS還包括一些區域性的系統以及增強系統。

GNSS系統

   很多人并不知道，GNSS系統除了定位和導航之外，還有一個非常重要的功能，那就是——授時。

   GNSS三大核心能力，通常簡稱為PVT，也就是Position(位置)、Velocity(速度)和Time(時間)。

那么，GNSS是如何實現授時的呢?

   在每一顆GNSS衛星上，都配備有原子鐘。這就使得發送的衛星信號中包含有精確的時間數據。通過專用接收機或者GNSS授時模組，可以對這些信號加以解碼，就能快速地將設備與原子鐘進行時間同步。

   相比于前面所說的長波、短波、網絡等授時技術，GNSS衛星授時擁有明顯的技術優勢。

首先，GNSS授時的精度更高。

   以北斗為例。北斗衛星導航系統的時間，叫做BDT。BDT屬原子時，可以溯源到我國國家授時中心的協調世界時UTC，與UTC的時差控制準確度小于100ns。

   除了精度之外，GNSS衛星授時還有先天的覆蓋優勢。

長波、短波地基授時，都有物理傳播距離的限制。如果遇到高山等環境阻隔，傳播距離將進一步縮小。

   而GNSS衛星授時在覆蓋能力上明顯要強得多。尤其是針對遠洋航海及航空航天場景，GNSS衛星授時更是優勢明顯。

授時服務的應用場景

   說了半天，我們為什么需要精度這么高的授時服務呢?難道只是為了方便網購秒殺嗎?

當然不是。

   以我們人類的生理極限，毫秒級精度就已經足夠用了。像GNSS這樣的高精度授時，主要用于高科技領域。

競技運動應用

人類競技運動，一般只精確到毫秒級

   最早期的高精度授時應用需求，來自航空航天。

航空航天飛行器，往往以極高的速度飛行。如果沒有精準的時間同步，就無法對飛行器的準確位置進行確認。

   尤其是太空對接等場景，如果兩個飛行器的時間不同步，那么距離就會差之千里，飛行姿態也會存在巨大誤差，最終導致嚴重事故。

航空航天飛行器應用

   除了科研領域之外，隨著高精尖科技逐漸在各行各業落地，很多和我們生活息息相關的系統，也有了高精度授時需求。例如電力系統、金融系統、通信系統等。

電力行業為什么會要求時間同步?

   很簡單啊，我們用的都是交流電，交流電中的電流方向是隨時間變化的。當不同的電網設備進行并網時，如果時間不一致，你波峰波谷就不一致，輕則帶來多余的能量損耗，重則直接短路，毀壞設備，癱瘓電網，造成大規模停電。  

金融領域同樣依賴時間同步。

   現在我們都是數字化金融，所有的交易都通過電腦和網絡進行。系統時間不同步，很可能導致交易失敗，在瞬息萬變的市場中錯過機會。不同步的時間，也有可能被黑客利用，給系統帶來安全隱患。

金融授時應用

   我們所熟悉的通信系統，同樣離不開高精度授時的支持。

   通信基站的切換、漫游需要精準的時間控制，對同步精度的要求高，也需要足夠的穩定性。以TD-LTE為代表的TDD時分系統對時間同步的要求更高，系統時間同步要求在±1.5μs。

TDD時分復用模式

   我們現在使用的5G，基本上也是采用TDD時分復用模式。在大速率數據傳輸過程中，對時間同步精度要求極高。如果通信設備之間時間不同步，將影響時隙和幀，進而影響業務的正常進行。

   除了上述行業之外，包括交通調度、地理測繪、防震減災、氣象監測等各個領域，都對高精度時間同步有剛性需求。

   隨著數字化浪潮的不斷深入，高精度授時服務將走進更多的行業，誕生更多的應用場景。授時相關的設備和系統，重要性日益凸顯，逐漸成為國家的重要信息化基礎設施。

   高精度授時服務，將徹底改變我們每個人的生活。