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2020/9/4 16:01

深度揭秘:到底什么是“授時”?

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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。

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。

懷表--19世紀英倫紳士的標配

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。

我們國家所處的時區

▉ 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。

天波和地波

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IP地址,本地計算機就可以實現時間同步。

NTP配置界面

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。

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。

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。

各授時方式的授時精度對比

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。

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。

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。

電網設備

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。

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。

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。

▉ 高精度授時模組

目前來看,GNSS衛星授時憑借授時精度高、覆蓋范圍廣、實現成本低等優勢,已然成為最受用戶歡迎、應用最為廣泛的授時方式。

越來越多的行業選擇GNSS衛星授時,作為本行業的時間解決方案。GNSS授時模組新品迭出,發貨量逐年攀升,市場前景一片大好。

以移遠通信的L26-T和LC98S模組為例。

這兩款模組都是車規級高精度GNSS授時模組,支持 GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo 和QZSS 多衛星系統,并集成差分全球定位系統(DGPS)和星基增強系統(SBAS)(包括WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN),可顯著提高授時穩定性和精準性。即使在復雜信號環境下,也可提供高精度、高完整性的精密授時服務。

Position hold模式的存在,大幅減小了模組的授時抖動。支持單星授時,即使在可見衛星只有一顆的情況下也能保持高精度授時。AGNSS功能,也可以幫助模組顯著縮減首次定位時間。

高精度授時模組

L26-T和LC98S模組出廠前會經過嚴苛的可靠性測試,確保其能夠在復雜環境下正常工作,為全球通信基站、金融服務、電力系統、鐵路調度等行業應用提供精密授時服務。

好啦,說了那么多,大家對授時應該有了全面的了解吧?

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。

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寫得不太好

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