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北斗卫星授时技术已深入应用在生产生活的各个方面

时间:2020-12-29发布者:中科院物理所浏览次数:644次

   我们可以通过钟表、手机、电脑、广播以及新闻联播等方式来获取时间信息(北京时间),那大家有没有想过,这些时间信息又是从哪里来的呢?为啥我们随时随地都能获取准确的时间信息呢?今天咱们来聊一聊授时。大家都知道北斗其实就是导航卫星,用于定位导航。那北斗是怎么进行定位导航的呢?

   实际上,导航卫星(如北斗)提供的是授时信息,手机从授时信息中导出位置信息,导航APP再根据位置信息提供日常的定位、导航功能。大家对导航定位都比较熟悉了,那么授时是什么呢?授时是什么?授时就是传递时间信息,严格来说就是将某一标准时间信号传递给需要时间信息的用户(包括手机、电脑、电视机等),以使得整个系统的时间同步。


   就好比,当你发现你手机的时间比公司打卡机的时间慢了2秒,为了每天能准时打卡上班,你把手机的时间校准成公司打卡机的时间,这个过程就是一种授时。

   授时对整个人类社会都有着至关重要的作用,堪比秦始皇统一度量衡。如果没有准确的授时,人们将无法合理的安排生产生活,人类社会也必然陷入混乱。比如同样是标准时间早上10点,手机慢3小时的人可能还在睡觉,手机快3小时的人已经上了半天班了。有的人是上班的时间,有的人是吃饭的时间,有的人是睡觉的时间,就会一片混乱。所以我们需要授时,需要一个统一的标准时间,授时技术也伴随着我们人类社会在不断发展。


   授时技术在社会中的发展历程授时技术在一定程度上体现人类社会的活动范围、科学技术的整体水平。不同授时方式的变革与该时期的社会发展、科技进步息息相关。在生产力低下、科技不发达的古代,就出现过许多不同的授时方式。

1.晨钟暮鼓与打更报时

   “以钟鼓司晨”的历史由来已久。汉唐时期,古都长安(陕西西安的古称)就存在钟楼和鼓楼。早晨敲钟,城门打开,一天的生活开始。夜晚击鼓,宵禁实行,所有人禁止随意走动。每个时辰都有不同钟声和鼓声提醒人们时间,可以很好地为一座都城提供报时服务。


   西安钟楼“咚!咚!咚!关好门窗,天干物燥,小心火烛!”,这就是古代打更的作用——提醒防火防盗。其实打更还有另一重要作用——报时,更夫们在每一更用敲梆子的方式告诉人们时间。人们根据更夫不同的打更声就可获取时间信息。


2.午炮报时与落球报时

   明清两朝北京城内曾采用午时鸣炮取代钟鼓。人们依靠“午炮报时”安排生活:工人听到午炮下班,戏园子听到午炮拉幕开戏。两尊炮设在宣武门城楼上,人称“宣武响炮”。午时鸣炮一直延续到20世纪30年代,最终因费用过高而取消。


   17世纪后,航海业发展迅速,对报时要求越来越高。由于不同时间的海潮高度是不相同的,利用精确时间可以知道船只位置,避免触礁。“落球报时”便应运而生。它是利用码头、港口等地的高竿并挂上圆球,根据规定时刻升降圆球,人们就可根据圆球的高度和降落瞬间来调节船上钟表。英国格林尼治落球报时,虽然古代的许多授时方式都因自身的局限性而逐渐被完全取代,但是,毋庸置疑,这些方式一度成为当时不可或缺的授时手段。再次印证,传递时间信息,真的太重要了!到了20世纪初期,随着社会不断进步,人们开始利用掌握的通信手段和技术实现授时。


3.无线电授时

   随着无线电进入实用阶段,古老的授时方式逐渐被取代,人们开始了一个崭新的时代——无线电授时。无线电授时方式分为长波、短波和低频时码等。

   长波授时:长波是频率在30千赫兹-300千赫兹、波长在1千米~10千米的无线电波,其可通过地波(大地传导)和天波(电离层反射)传播。1910年,法国人首次在举世闻名的埃菲尔铁塔顶端选用长波无线电信号发射器实现报时。


   短波授时:短波是波长在10米~100米的无线电波,也可通过地波和天波传播,其传播距离可达几万公里。美国曾在1920年尝试短波授时试验,并于1923年开始实施短波授时。

   低频时码授时:低频时码授时系统通常是指工作频率在30千赫兹-300千赫兹的一类特殊的长波授时系统,利用微电子技术,具有传输稳定、覆盖范围广泛的特性。日常的电波挂钟、电波手表就是采用该授时方式。

   目前,我国已分别建成BPL长波授时系统、BPM短波授时系统和BPC低频时码授时系统,从而满足人们对无线电授时的需求。

4.网络授时

   如今网络已“飞入寻常百姓家”,网络授时就是利用网络时间协议(NTP, Network Time Protocol),自动修正同步用户的计算机时间,为用户提供授时服务。在Windows 10的日期和时间界面上,通过更改设置选中Internet时间服务器即可。智能手机也可通过设置来获取网络提供的授时服务。虽然网络授时的精确度在10ms左右,但是对于日常生活来说已经足够了。我们无需任何操作,就可以随时随地查看时间。


Windows10电脑端


手机端

5.卫星授时

   许多现代的授时方式给人们生活带来深刻影响和变化。随着人类将目光转向未知的太空,我们也迎来了目前普遍使用的授时方式——卫星授时。顾名思义,卫星授时就是一种利用人造卫星发播标准时间信息的授时方式。卫星授时也是目前最新、精度最高的授时方式。它的出现给各个需要精密时间的领域带来质的飞跃。

   全球存在四种卫星授时的系统:美国的GPS系统;俄罗斯的GLONASS系统;欧盟的伽利略系统;中国的北斗系统;北斗三号系统的授时参数:在全球范围内,北斗系统的授时精度优于20纳秒;在亚太地区,授时精度优于10纳秒,即亿分之一秒。


   现代主要授时手段的比较(1秒=10毫秒=10微秒=10纳秒)北斗卫星怎么授时?北斗授时系统传递的是国家授时中心发播的标准时间信号,也就是目前国际通用的标准时间——协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC)。北斗授时的精度可以达到10纳秒的量级,要实现如此高精度的时间测量,只有原子钟能做到。原子钟是目前世界上最精密的计时装置,精密到几百万年才差1秒!而我们平时用的钟表,精度高的每天也会有0.1秒左右的误差。在卫星导航系统中,如果时间测量有1秒误差,就意味着定位会偏离30万公里!北斗导航卫星上配有星载原子钟,以确保北斗授时系统有精确的时间源。导航卫星将携带了精确标准时间信息及卫星位置信息的信号发播出去,接收机通过解算自己和卫星的钟差,就可以修正本地时间,完成授时。对于动态移动中的用户,在完成授时的同时需要获得其位置信息。我们知道,距离等于速度乘以时间。无线电传播速度(光速c)已知,通过测量无线信号从卫星发射到用户的时间,就可以得到卫星与用户之间的距离。


   假设在由北斗卫星搭建的星地坐标系中,用户的位置坐标是(x,y,z),加上信号接收时间T,总共有4个未知数。因此只要集齐4颗北斗卫星,就能精确解算出用户接收机接收信号时在该星地坐标系中的位置和标准时间啦。


   如果接收机的位置固定且已知,则只需要一颗卫星就能完成精准授时。卫星数量越多,时间测量越精密,位置计算也就越精确。而我们头顶上,一般至少有8颗以上的北斗卫星在运行着。

   以上就是北斗授时系统的单向授时原理,即:用户接收到北斗的广播信号后,自主修正本地时间与标准时间的时间差,实现时间同步。GPS等导航卫星也是采用这种授时方式。北斗授时系统还特有双向授时模式。双向授时模式下,用户需要与地面中心站交互信息,所有的信息处理都在中心站完成。用户向中心站发起授时申请,中心站再将时标信号通过卫星转发给用户。用户将接收到的时标信号原路返回,由地面中心站计算出信号单向传播时延,再把时延信息发送给用户。双向授时可以更精确地反映时延信息,授时精度更高。


为什么要用北斗授时?

   我们每天无数次地拿起手机查看时间,在现代社会,没有什么比时间更重要了。但是,我们要这么高的授时精度有啥用呢?再说,不是有GPS了吗,为啥还要北斗?我们日常生活确实不需要这么精密的时间,但时间作为国际单位制中7个基本量之一,渗透于社会发展的各个领域。在航天、电力、金融交易、战场调度、公共交通以及移动通信活动中,高精度授时都非常重要。在移动通信网络中,如果基站的时间不同步,指令匹配就会出错,通信网络就无法正常运行。


   在电网系统中,如果没有精准统一的时间基准,各种自动化进程运行不同步,就可能发生电网事故,严重时将导致电网瘫痪。


   在金融系统中,如果时间不同步,交易记录就会混乱,黑客就可以利用时间差盗窃资金。


   因此,高精度授时技术带给我们的,不仅仅是效率和便利,更重要的是安全!在北斗之前,我们完全依赖于GPS和GLONASS系统进行高精度授时。有了北斗授时系统,意味着中国人把时间掌握在自己手里。

   北斗卫星授时技术已深入应用在生产生活的各个方面,随着5G时代的到来,各式创新应用对时间和位置感知有了更高的要求,高精度授时必将有更多的用武之地。北斗+5G,会碰撞出什么样的火花?让我们拭目以待。

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