關(guān)于“授時(shí)”的那些事，你知道多少？

早上醒來(lái)到上下班

再到晚上睡著的前一秒

你每天問(wèn)得最多的問(wèn)題

是不是——

現(xiàn)在幾點(diǎn)了？

現(xiàn)今社會(huì)，與我們息息相關(guān)的通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等，其有效運(yùn)行都依賴(lài)于高精度時(shí)間同步。我們可以通過(guò)鐘表、手機(jī)、電腦、廣播以及新聞聯(lián)播等方式來(lái)獲取時(shí)間信息（北京時(shí)間）。

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那么，這些時(shí)間信息又是從哪里來(lái)的呢？為什么我們隨時(shí)隨地都能獲取準(zhǔn)確的時(shí)間信息呢？這得益于高精度的授時(shí)服務(wù)，今天我們就來(lái)揭開(kāi)“授時(shí)”的神秘面紗。

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大家都知道北斗其實(shí)就是導(dǎo)航衛(wèi)星，用于定位導(dǎo)航。那么北斗是怎么進(jìn)行定位導(dǎo)航的呢？

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實(shí)際上，導(dǎo)航衛(wèi)星（如北斗）提供的是授時(shí)信息，手機(jī)從授時(shí)信息中導(dǎo)出位置信息，導(dǎo)航APP再根據(jù)位置信息提供日常的定位、導(dǎo)航功能。

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大家對(duì)導(dǎo)航定位都比較熟悉了，那么授時(shí)到底是什么呢？

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01

什么是授時(shí)？

授時(shí)就是傳遞時(shí)間信息，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)就是將某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)傳遞給需要時(shí)間信息的用戶（包括手機(jī)、電腦、電視機(jī)等），以使得整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

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在這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大的時(shí)代，通訊設(shè)備類(lèi)型日益趨多，不同類(lèi)型的通訊產(chǎn)品要求能在同一個(gè)網(wǎng)管平臺(tái)上做到統(tǒng)一管理的需求不斷增加。因此，大到國(guó)家運(yùn)轉(zhuǎn)、小到日常生活，都離不開(kāi)高精度授時(shí)的支持。

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舉一個(gè)例子，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)手機(jī)的時(shí)間比公司打卡機(jī)的時(shí)間慢了2秒，為了每天能夠準(zhǔn)時(shí)打卡上班，你將手機(jī)的時(shí)間校準(zhǔn)成公司打卡機(jī)的時(shí)間，這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是一種授時(shí)。

授時(shí)對(duì)整個(gè)人類(lèi)社會(huì)都有著至關(guān)重要的作用，堪比秦始皇統(tǒng)一度量衡。如果沒(méi)有準(zhǔn)確的授時(shí)，人們將無(wú)法合理地安排生產(chǎn)生活，人類(lèi)社會(huì)也必然陷入混亂。

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比如同樣是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間早上10點(diǎn)，手機(jī)慢3小時(shí)的人可能還在睡覺(jué)，手機(jī)快3小時(shí)的人已經(jīng)上班半天了。若然有的人是上班的時(shí)間，有的人卻是吃飯的時(shí)間，有的人還是睡覺(jué)的時(shí)間，將會(huì)打亂人們生產(chǎn)和生活的時(shí)間安排，造成一片混亂。因此，我們需要授時(shí)，需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，授時(shí)技術(shù)也伴隨著我們?nèi)祟?lèi)社會(huì)在不斷進(jìn)步和發(fā)展。

02

授時(shí)技術(shù)在社會(huì)中的發(fā)展歷程

授時(shí)技術(shù)在一定程度上體現(xiàn)著人類(lèi)社會(huì)的活動(dòng)范圍、科學(xué)技術(shù)的整體水平。不同授時(shí)方式的變革與該時(shí)期的社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步息息相關(guān)。

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在生產(chǎn)力低下、科技不發(fā)達(dá)的古代，就出現(xiàn)過(guò)許多不同的授時(shí)方式。

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（1）晨鐘暮鼓與打更報(bào)時(shí)

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“以鐘鼓司晨”的歷史由來(lái)已久。漢唐時(shí)期，古都長(zhǎng)安（陜西西安的古稱(chēng)）就存在鐘樓和鼓樓。早晨敲鐘，城門(mén)打開(kāi)，一天的生活開(kāi)始；夜晚?yè)艄?，宵禁?shí)行，所有人禁止隨意走動(dòng)。每個(gè)時(shí)辰都有不同的鐘聲和鼓聲提醒人們時(shí)間，能夠很好地為一座都城提供報(bào)時(shí)服務(wù)。

“咚！咚！咚！關(guān)好門(mén)窗，天干物燥，小心火燭！”，這就是古代打更的作用——提醒防火防盜。然而打更還有另一重要作用——報(bào)時(shí)，更夫們?cè)诿恳桓们冒鹱拥姆绞礁嬖V人們時(shí)間。人們根據(jù)更夫不同的打更聲就可獲取時(shí)間信息。

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（2）午炮報(bào)時(shí)與落球報(bào)時(shí)

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明清兩朝北京城內(nèi)曾采用午時(shí)鳴炮取代鐘鼓。人們依靠“午炮報(bào)時(shí)”安排生活：工人聽(tīng)到午炮下班，戲園子聽(tīng)到午炮拉幕開(kāi)戲。兩尊炮設(shè)在宣武門(mén)城樓上，人稱(chēng)“宣武響炮”。午時(shí)鳴炮一直延續(xù)到20世紀(jì)30年代，最終因費(fèi)用過(guò)高而取消。

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17世紀(jì)后，航海業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)報(bào)時(shí)要求越來(lái)越高。由于不同時(shí)間的海潮高度是不相同的，所以利用精確時(shí)間可以知道船只位置，避免觸礁，“落球報(bào)時(shí)”便應(yīng)運(yùn)而生。它是利用碼頭、港口等地的高竿并掛上圓球，根據(jù)規(guī)定時(shí)刻升降圓球，人們就可根據(jù)圓球的高度和降落瞬間來(lái)調(diào)節(jié)船上鐘表。

英國(guó)格林尼治落球報(bào)時(shí)

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雖然古代的許多授時(shí)方式都因自身的局限性而逐漸被完全取代，但是，毋庸置疑，這些方式一度成為當(dāng)時(shí)不可或缺的授時(shí)手段。再次印證，傳遞時(shí)間信息，真的太重要了！

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到了20世紀(jì)初期，隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始利用掌握的通信手段和技術(shù)實(shí)現(xiàn)授時(shí)。

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（3）無(wú)線電授時(shí)

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隨著無(wú)線電進(jìn)入實(shí)用階段，古老的授時(shí)方式逐漸被取代，人們開(kāi)始了一個(gè)嶄新的時(shí)代——無(wú)線電授時(shí)。無(wú)線電授時(shí)方式分為長(zhǎng)波、短波和低頻時(shí)碼等。

• 長(zhǎng)波授時(shí)：長(zhǎng)波是頻率在30千赫茲-300千赫茲、波長(zhǎng)在1千米~10千米的無(wú)線電波，其可通過(guò)地波（大地傳導(dǎo)）和天波（電離層反射）傳播。1910年，法國(guó)人首次在舉世聞名的埃菲爾鐵塔頂端選用長(zhǎng)波無(wú)線電信號(hào)發(fā)射器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。

• 短波授時(shí)：短波是波長(zhǎng)在10米~100米的無(wú)線電波，也可通過(guò)地波和天波傳播，其傳播距離可達(dá)幾萬(wàn)公里。美國(guó)曾在1920年嘗試短波授時(shí)試驗(yàn)，并于1923年開(kāi)始實(shí)施短波授時(shí)。

• 低頻時(shí)碼授時(shí)：低頻時(shí)碼授時(shí)系統(tǒng)通常是指工作頻率在30千赫茲-300千赫茲的一類(lèi)特殊的長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)，利用微電子技術(shù)，具有傳輸穩(wěn)定、覆蓋范圍廣泛的特性。日常的電波掛鐘、電波手表就是采用該授時(shí)方式。

目前，我國(guó)已分別建成BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)、BPM短波授時(shí)系統(tǒng)和BPC低頻時(shí)碼授時(shí)系統(tǒng)，從而滿足人們對(duì)無(wú)線電授時(shí)的需求。

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（4）網(wǎng)絡(luò)授時(shí)

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如今網(wǎng)絡(luò)已“飛入尋常百姓家”，網(wǎng)絡(luò)授時(shí)就是利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP, Network Time Protocol），自動(dòng)修正同步用戶的計(jì)算機(jī)時(shí)間，為用戶提供授時(shí)服務(wù)。

在Windows 10的日期和時(shí)間界面上，通過(guò)更改設(shè)置選中Internet時(shí)間服務(wù)器即可。智能手機(jī)也可通過(guò)設(shè)置來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)提供的授時(shí)服務(wù)。雖然網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的精確度在10ms左右，但對(duì)于日常生活來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，無(wú)需任何操作，便可隨時(shí)隨地查看時(shí)間。

（5）衛(wèi)星授時(shí)

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許多現(xiàn)代的授時(shí)方式給人們的生活帶來(lái)了深刻的影響和變化。隨著人類(lèi)將目光轉(zhuǎn)向未知的太空，我們也迎來(lái)了目前普遍使用的授時(shí)方式——衛(wèi)星授時(shí)。

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顧名思義，衛(wèi)星授時(shí)就是一種利用人造衛(wèi)星發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息的授時(shí)方式。衛(wèi)星授時(shí)也是目前最新、精度最高的授時(shí)方式，它的出現(xiàn)給各個(gè)需要精密時(shí)間的領(lǐng)域帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

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目前全球存在四種衛(wèi)星授時(shí)的系統(tǒng)：美國(guó)的GPS系統(tǒng)；俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)；歐盟的伽利略系統(tǒng)；中國(guó)的北斗系統(tǒng)。在全球范圍內(nèi)，北斗系統(tǒng)的授時(shí)精度優(yōu)于20納秒；在亞太地區(qū)，授時(shí)精度優(yōu)于10納秒，即億分之一秒。

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現(xiàn)代主要授時(shí)手段的比較

03

北斗衛(wèi)星怎么授時(shí)？

北斗授時(shí)系統(tǒng)傳遞的是國(guó)家授時(shí)中心發(fā)播的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，也就是目前國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——協(xié)調(diào)世界時(shí)（Universal Time Coordinated，UTC）。

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北斗授時(shí)的精度可以達(dá)到10納秒的量級(jí)，要實(shí)現(xiàn)如此高精度的時(shí)間測(cè)量，只有原子鐘能做到。原子鐘是目前世界上最精密的計(jì)時(shí)裝置，精密到幾百萬(wàn)年才差1秒！而我們平時(shí)用的鐘表，精度高的每天也會(huì)有0.1秒左右的誤差。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，如果時(shí)間測(cè)量有1秒誤差，就意味著定位會(huì)偏離30萬(wàn)公里！

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圖源丨上觀新聞

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上配有星載原子鐘，以確保北斗授時(shí)系統(tǒng)有精確的時(shí)間源。導(dǎo)航衛(wèi)星將攜帶了精確標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息及衛(wèi)星位置信息的信號(hào)發(fā)播出去，接收機(jī)通過(guò)解算自己和衛(wèi)星的鐘差，就可以修正本地時(shí)間，完成授時(shí)。而對(duì)于動(dòng)態(tài)移動(dòng)中的用戶，在完成授時(shí)的同時(shí)需要獲得其位置信息。

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我們知道，距離等于速度乘以時(shí)間。無(wú)線電傳播速度（光速c）已知，通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到用戶的時(shí)間，就可以得到衛(wèi)星與用戶之間的距離。

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假設(shè)在由北斗衛(wèi)星搭建的星地坐標(biāo)系中，用戶的位置坐標(biāo)是（x,y,z），加上信號(hào)接收時(shí)間T，總共有4個(gè)未知數(shù)。因此只要集齊4顆北斗衛(wèi)星，就能精確解算出用戶接收機(jī)接收信號(hào)時(shí)在該星地坐標(biāo)系中的位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間了。

如果接收機(jī)的位置固定且已知，則只需要一顆衛(wèi)星就能完成精準(zhǔn)授時(shí)。衛(wèi)星數(shù)量越多，時(shí)間測(cè)量就越精密，位置計(jì)算也能越精確。在世界任何地方，任何時(shí)間，我們頭頂上至少有8顆以上的北斗衛(wèi)星在運(yùn)行著，目前北斗衛(wèi)星正在逐漸服務(wù)于我們的生活。

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以上就是北斗授時(shí)系統(tǒng)的單向授時(shí)原理，即：用戶接收到北斗的廣播信號(hào)后，自主修正本地時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星也是采用這種授時(shí)方式。

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北斗授時(shí)系統(tǒng)還特有雙向授時(shí)模式。雙向授時(shí)模式下，用戶需要與地面中心站交互信息，所有的信息處理都在中心站完成。用戶向中心站發(fā)起授時(shí)申請(qǐng)，中心站再將時(shí)標(biāo)信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。用戶將接收到的時(shí)標(biāo)信號(hào)原路返回，由地面中心站計(jì)算出信號(hào)單向傳播時(shí)延，再把時(shí)延信息發(fā)送給用戶。雙向授時(shí)可以更精確地反映時(shí)延信息，授時(shí)精度更高。

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04

為什么要用北斗授時(shí)？

我們每天無(wú)數(shù)次拿起手機(jī)查看時(shí)間，在現(xiàn)代社會(huì)，沒(méi)有什么比時(shí)間更重要了。但是，我們要如此高的授時(shí)精度有什么用呢？

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我們?nèi)粘Ｉ畲_實(shí)不需要這么精密的時(shí)間，但時(shí)間作為國(guó)際單位制中7個(gè)基本量之一，滲透于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。在航天、電力、金融交易、戰(zhàn)場(chǎng)調(diào)度、公共交通以及移動(dòng)通信活動(dòng)中，高精度授時(shí)都非常重要。

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• 在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，如果基站的時(shí)間不同步，指令匹配就會(huì)出錯(cuò)，通信網(wǎng)絡(luò)就無(wú)法正常運(yùn)行。

• 在金融系統(tǒng)中，如果時(shí)間不同步，交易記錄就會(huì)混亂，黑客就可以利用時(shí)間差盜竊資金。

• 在電網(wǎng)系統(tǒng)中，如果沒(méi)有精準(zhǔn)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，各種自動(dòng)化進(jìn)程運(yùn)行不同步，就可能發(fā)生電網(wǎng)事故，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。

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因此，高精度授時(shí)技術(shù)帶給我們的，不僅僅是效率和便利，更重要的是安全與保障！

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隨著數(shù)字化浪潮的不斷深入，高精度授時(shí)服務(wù)將走進(jìn)更多的行業(yè)，誕生更多的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著社會(huì)的發(fā)展，將需要更高準(zhǔn)確度的時(shí)間基準(zhǔn)和更精密的時(shí)間測(cè)量技術(shù)。

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在北斗之前，我們完全依賴(lài)于GPS和GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行高精度授時(shí)，如今，北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)授時(shí)功能讓中國(guó)人把時(shí)間掌握在了自己手里！

來(lái)源：中興文檔，中科院物理所，圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，今日北斗對(duì)文章略有調(diào)整

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