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【北斗人家】了解北斗导航必get√ 之——“授时”的前世今生

发布时间:2021-05-21 14:05:36 来源:本站

自从有了时间,就有了时间传递的需求。为了统一一个范围内的时间,使本地时间与标准时间实现统一,需要将标准时间通过一定方式传送出去,就产生了“授时”这个概念。


目前,全球范围内授时更多情况下是利用无线电波发播标准时间信号。其中卫星授时信号覆盖范围大、传送精度高、传播衰减小,是目前被广泛采用的高精度授时方法,在众多北斗导航相关资料中也都会提及“授时”这个概念。而从古至今,随着历史发展与科技进步,授时也在不断发展。


古代——

“晨钟暮鼓”与“打更报时”的授时烟火


【晨钟暮鼓·BELL】


在国内历史悠久的城市,如北京、南京、西安,城中心都有钟楼和鼓楼,而它们的授时作用也要追溯到一千多年前的齐武帝。公元485年的一天早上,太阳暖暖地照在南朝齐国的皇宫内,可齐武帝却非常郁闷,因为皇宫的时间不对,他直到现在还没有吃上早饭。


其实,在这个都城,观测天象的官员非常敬业,用圭表、滴露等仪器测量出准确的时间,每到整点都用鼓声向周围传递时间。但皇宫离他敲鼓报时的地方太远,有的时候能听到鼓声,有的时候却听不到。于是在这一天皇帝听到了鼓声,可御厨却没有听到,所以就没能开饭。


齐武帝当下想法便是:必须要统一皇宫的时间!这时寺庙里的钟声隐隐约约传来,他茅塞顿开,当即下令在皇宫最高处景云楼里挂起大钟,根据鼓声敲响大钟,这样整个皇宫都能清楚地知道准确的时间,再也不会耽误事情了。自此开创“晨钟暮鼓”的授时新制度。


到了唐朝,晨钟暮鼓报时已经非常成熟,大一点的城市都建有钟鼓楼。早上敲钟,城门打开,人们可以随意进出城。晚上敲鼓,宵禁开始,所有人禁止随意走动。每个时辰都有不同的钟声或鼓声告诉人们时间,成为整座城市和周围村庄人们生活、工作的标准时间。


【打更报时·GONG】


在古代还有另外一种专门在夜间进行时间传递的方法——打更,并由此产生了一种职业——更夫。更夫十分辛苦,晚上不能睡觉,要守着滴漏或燃香(两种不同的计时方式),才能掌握准确的时间。红楼梦中有一首诗写到“五夜无烦侍女添”,说的就是人们在晚上需要频繁给滴漏加水的故事。


更夫根据滴漏的时间,每更都要在城市里面巡游,用梆子或锣声向人们报告时间。当听到更夫的打更声,人们便知道了时间,按惯例做事情,过着按部就班的平静生活。这就是古时在很多城市流传很多年的“打更报时”授时制度。


近代——

“午炮报时”与“落球报时”的授时艺术


【午炮报时·CANNON】


晨钟暮鼓的授时方式延续了上千年,直到清末,耸起的高楼阻挡了钟声,人们也找到了声音更大的装备——大炮,于是进入了“午炮报时”时代。北京德胜门东侧的城墙上有一座炮台,用来报时的“午炮”就架在那里。炮台有电话与北京观象台连通。每当快到中午时,两个值班人分工合作,一人守在电话旁,听电话里传来的指令;另一人则揭开炮衣,装好炮药,手持点燃的长香,站在炮位上静候指令下达。收到北京观象台通过电话发来指令,炮台上的人就马上点燃炮药。


午炮发出的轰鸣声响彻大街小巷时,人们就知道:现在是中午12点,赶忙对表矫正时间。


【落球报时·GLOBE】


当中国人正在进行午炮报时的时候,欧洲人开发出了另外一种落球的报时方式。最先进行落球报时的是英国伦敦的格林尼治天文台。每天中午13点整,天文台钟楼顶端的圆球准时落下,附近海域停泊的船只据此调节船上的钟表,然后带着调好的钟表升帆出海。


虽然今天的我们看这种方法有点粗疏,但海员却对此怀有崇敬之情,因为它曾为海员忠实服务近百年之久。十七世纪以后,航海事业蓬勃发展,海员比任何人都更迫切地需要精密时钟,没有它便难于知道船只的位置,面临触礁的危险。我国最早进行落球授时的是在上海,十九世纪80年代,法租界当局在法国码头设置信号站,正午时刻利用信号塔顶落球报时,为来往上海港的各国船只服务,时间由徐家汇观象台控制。


现代——

无线电科技加持下的授时新体验


【毫秒级:短波授时】


短波波长在10米~100米之间,短波传播距离远,可达几万公里。我国的短波授时是中国科学院国家授时中心的BPM短波授时台,用2.5 MHz 、5MHz、10MHz、15MHz等几个频率广播我国的标准时间和标准频率信息。在整点,会出现BMP呼号和女声播报,无线电中也调制有时间编码信息,用来自动对时。


【亚毫秒级:电话授时与低频时码授时】


在我国,很多城市都有117报时台,播打电话117,就可以听到用语音播报的时间。实际上,还有一种更高精度的电话授时系统,就是使用专门的接收设备,拨打国家授时中心的电话授时号码,由电话授时主机发送专门的时间编码到终端,终端解调这种编码,就能得到精度在十毫秒量级的时间。可为科学研究、地震台网、水文监测、电力、通讯、交通等行业提供标准时间信息。


另一种亚毫秒级的授时是低频时码授时系统,工作于第五频段(30-300kHz)。2007年,中国科学院国家授时中心在河南商丘建立了一座大功率、连续发播的商丘授时台,构筑了我国新一代低频时码授时系统,可有效覆盖北京、天津和长江三角洲等地。低频时码面向广大民用用户开发出了各种挂钟、手表,使用光动能电池作为电源,实现了“永不充电,永不对时”。


【微秒量级:长波授时】


长波(波长在1000~2000米的无线电波)授时可能是最早的无线电授时方法。1910年,法国率先在埃菲尔铁塔顶端使用长波无线电信号发射器进行报时,每天两次广播从巴黎天文台获得的标准时间,发射波长是2000米,主要用来校准海船上的时钟。1913年,发射波长增加到了2500米。早期的长波授时,在规定时间广播规定的字符,例如,在8点广播字符“A”,附近的电报员听到A以后,将他的时钟调整到8点。现在,长波授时已经能够广播时间编码信息,接收机自动接收长波信号,自动调整本地时钟。


【纳秒级:卫星导航授时】


通常人们以为卫星导航系统是用来导航定位的,实际上卫星提供的是授时信息,导航、定位信息都是由接收机从授时信息导出的。因此,卫星导航系统也是一种授时系统,精度可达纳秒级,是目前应用最广的授时系统。现有的卫星导航系统主要有美国GPS系统、中国的北斗系统、俄罗斯GLONASS系统、欧洲Galileo系统。


北斗授时,很中国!


在我国首选的授时系统是由我国自行研制的北斗卫星导航系统。由于GPS由美国军方控制,在非常时期,美国军方可关掉某个区域的GPS,甚至发送错误的授时信息,使这个区域内用户的时间出错,造成极大干扰。我国北斗系统尚未启用时,就曾出现过由于GPS信号异常而整个城市无法通信的事件。


目前,北斗系统授时有RNSS单向授时、RDSS单向授时和RDSS双向定时三种方法,将标准时间发播给用户,实现对用户频率的校准,为用户提供高精度的时间与频率服务。


值得一提的是,北斗系统在授时方面存在一个其他卫星导航系统均不具备的优势,就是北斗使用了地球同步轨道卫星。这种卫星的授时误差在整个中国区域内变化极小且具有规律性,误差随时间变化也相对缓慢,授时稳定性在时间上和空间上都很高。


举个例子,有两个表,一个表的误差是固定的,每天都是5分钟的误差,另一个表的误差是随机的,今天快三分钟,明天慢三分钟,完全不可预料,我们想要哪个表呢?表面上看第一个表的误差大,但它仍然比第二个表好,因为只要固定地减掉5分钟,这个表就准了。


未来,随着服务能力的不断提升,中国将建设完善更加广泛和智能的综合时空体系,进一步提升时空信息服务能力,为人类走得更深更远做出中国贡献。