北斗之星——解讀北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)的璀璨

(相關(guān)資料圖)

說起北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，大多數(shù)人可能都知道它的導(dǎo)航定位功能，但對其另外的一個重要基礎(chǔ)功能——授時，卻知之甚少。所謂授時，就是解決時間同步的問題。如果衛(wèi)星的授時系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，哪怕只是一秒，其帶來的后果也可能超乎想象。

古代人是怎么“授時”的？

日月更替、斗轉(zhuǎn)星移，時間見證了人類數(shù)千年的文明發(fā)展。自誕生之日起，人類便開始通過對時間的計量來描述萬事萬物的變化，并隨之產(chǎn)生了對時間傳遞的需求。后來，隨著發(fā)展需要，在同一個地區(qū)或國家里，逐漸出現(xiàn)了統(tǒng)一的標準時間，這就是古代的“授時”。從古至今，隨著科技進步，授時也在不斷發(fā)展。

晨鐘暮鼓報時

晨鐘暮鼓是我國最早用來統(tǒng)一時間的方法，在唐朝已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。那時候，稍大一點的城市里都建有鐘鼓樓。早上敲鐘，城門打開，人們可以隨意進出城；晚上敲鼓，宵禁開始，所有人禁止隨意走動。每個時辰不同的鐘聲或鼓聲成為人們生活、工作的標準時間。這種晨鐘暮鼓的報時方式在我國延續(xù)了上千年。

打更報時

打更報時是專門在夜間進行時間傳遞的方法。更夫夜間不能睡覺，需要通過滴漏掌握準確時間，再用梆子或鑼聲將準確的時間傳遞給人們。

午炮報時

清朝末年，高樓漸多，鐘聲逐漸被越來越多的高樓阻擋，于是便有了午炮報時。每天中午12點整，午炮便發(fā)出響徹大街小巷時的轟鳴聲，以提示人們矯正落地擺鐘的時間。

落球報時

17世紀后，航海業(yè)發(fā)展迅速，對報時要求越來越高。由于不同時間的海潮高度是不相同的，利用精確時間可以知道船只位置，避免觸礁。落球報時是在碼頭、港口等地的高竿上掛上圓球，并在規(guī)定時刻升降圓球，人們就可根據(jù)圓球的高度和降落瞬間來調(diào)節(jié)船上的鐘表。

現(xiàn)代化的無線電授時

到了現(xiàn)代社會，無線電信號的出現(xiàn)讓時間傳遞變得更簡單、快捷，并且出現(xiàn)了短波授時、長波授時和低頻時碼授時等多種方式。短波授時的精度為毫秒級，我國的短波授時是中國科學(xué)院國家授時中心的BPM短波授時臺，用2.5 MHz 、5MHz、10MHz、15MHz等幾個頻率廣播我國的標準時間和標準頻率信息。在整點，就會出現(xiàn)BMP呼號和女聲播報。

長波是頻率在30K~300KHz、波長在1~10千米的無線電波，其可通過地波（大地傳導(dǎo)）和天波（電離層反射）傳播。1910年，法國人首次在埃菲爾鐵塔頂端選用長波無線電信號發(fā)射器實現(xiàn)報時。

低頻時碼授時技術(shù)是在長波授時技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、信號精度高等優(yōu)點。不同于機械表或石英鐘，各種可接收低頻時碼信號的電波鐘表產(chǎn)品，如掛鐘、手表等，可自動校準時間，實現(xiàn)了“永不對時”。

通常人們以為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是用來導(dǎo)航定位的，實際上衛(wèi)星提供的是授時信息，導(dǎo)航、定位信息都是由接收機從授時信息導(dǎo)出的。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也是一種授時系統(tǒng)，精度可達納秒級，是目前最新、精度最高的授時方式。目前全球存在四種衛(wèi)星授時系統(tǒng)：中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟的伽利略系統(tǒng)。

在全球范圍內(nèi)，北斗系統(tǒng)的授時精度優(yōu)于20納秒；在亞太地區(qū)，授時精度優(yōu)于10納秒，即億分之一秒。

北斗授時系統(tǒng)傳遞的是國家授時中心發(fā)播的標準時間信號，也就是目前國際通用的標準時間——協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC）。那么它是如何實現(xiàn)如此高精度的時間測量的？這主要是因為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上配有星載原子鐘，以確保北斗授時系統(tǒng)有精確的時間源。原子鐘是目前世界上最精密的計時裝置，精密到幾百萬年才差1秒！而我們平時用的鐘表，精度高的每天也會有0.1秒左右的誤差。導(dǎo)航衛(wèi)星將攜帶了精確標準時間信息及衛(wèi)星位置信息的信號發(fā)播出去，用戶接收到北斗的廣播信號后，會自主修正本地時間與標準時間的時間差，實現(xiàn)時間同步。

北斗授時系統(tǒng)還有獨特的雙向授時模式。雙向授時模式下，用戶向中心站發(fā)起授時申請，中心站再將時標信號通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。用戶將接收到的時標信號原路返回，由地面中心站計算出信號單向傳播時延，再把時延信息發(fā)送給用戶。雙向授時可以更精確地反映時延信息，授時精度更高。

北斗授時系統(tǒng)能做些什么？

精準的時間對于每個人的重要性不言而喻，手表、手機、掛鐘成為我們每天都要看無數(shù)遍的必備工具。北斗的高精度授時對普通人來說，可能沒那么重要，但高精度的時間在電力、通信、交通、證券、航空、國防等領(lǐng)域具有重要意義。比如，在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，如果基站的時間不同步，指令匹配就會出錯，通信網(wǎng)絡(luò)就無法正常運行。通常來說，5G基站的時間同步精度要求達到十幾個納秒。在電力系統(tǒng)中，大量發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電需要保持高度時間同步，并網(wǎng)主要設(shè)備的時間要同步到微秒量級。在金融系統(tǒng)中，如果時間不同步，交易記錄就會混亂，黑客就可以利用時間差盜竊資金。此外，如今的航天事業(yè)更需要時間的精準同步。例如飛船與目標飛行器交會對接時，雙方的對接機構(gòu)必須精確對準，嚴絲合縫，稍有差錯，“太空之吻”就會變成“車禍現(xiàn)場”。

原先，我們主要通過GPS來授時，有了北斗授時系統(tǒng)，中國人就可以完全把時間掌握在自己的手中了！