【计时授时科普篇】古今中外授时技术介绍

目前国际通用的标准时间,叫做协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC),也称 “世界标准时间”。它是原子时和世界时的结合,以原子时的秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时。现代最常用的授时方式就是卫星授时,且广泛应用于车载导航、车辆监控、交通调度、航运、通信基站、电力金融授时等领域。那么,古今中外都有哪些计时技术呢?本篇就带大家一起领略古今中外的计时授时技术!

1、圭表

圭表是古代一种既简单又重要的测天仪器,它由垂直的“表”和水平的“圭”组成。古人以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。

2、钟鼓楼

古人将黑夜分为五更,每更次为一个时辰,即现代的两个小时。钟鼓楼采用“铜壶滴漏+钟+鼓”的计时报时,每日始于暮鼓,止于晨钟。

3、香钟

利用燃烧香料来计时的仪器,至迟出现于北宋(960-1127年)时期。每隔一段时间,香便会烧断一条线,使金属球跌进下面的铜盘,发出响声,报告时间。

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4、观星台

观星台是中国最早的天文台,用途相当于测量日影的圭表。高耸的城楼式建筑相当于一根直立于地面上的竿子,台下正北方的“长堤”则是一把用来度量日影长度的“量天尺”。

5、延祐滴漏

整件仪器由日壶、月壶、星壶和受水壶、时辰刻度铜尺、木制浮箭组成,受水壶中的木箭与铜表尺上的时辰刻度相对照,便指示当时的时间。

历史上对这种建立时间标准、传递时间信息的行为,称为“敬记天时,以授民也”,缩写一下,也就是“授时”。

  国外呢,则将这种行为称之为时间服务,也就是Time Service。

  ▉ 从历书时到原子时,时间系统的演进

  到了17~19世纪,随着人类机械工艺的不断精进,钟表制造业进入了高速发展期,并实现了工业化生产。

  钟表的迅速普及,逐渐改变了人们的时间观念,也推动了社会的发展和进步。

  怀表——19世纪英伦绅士的标配

  进入20世纪后,电子工业迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电机械表、石英电子钟表相继问世。钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期,每日误差逐渐被控制在0.5秒以内。

  与此同时,人类对时间的认知也进入了全新阶段,逐步建立了“时间系统”的概念。

  时间系统,也称为时间频率基准。说白了,就是如何衡量时间。

  常见的时间系统包括三种,分别是:

  以地球自转周期为基准的世界时(Universal Time,UT)

  以地球绕太阳公转周期为基准的历书时(Ephemeris Time,ET)

  以物质内部原子(例如铯原子)发射的电磁振荡频率为基准的原子时(Atomic time,AT)

  世界时存在不均匀性,历书时测量精度低,所以,1967年第13届世界度量衡会议上,各国代表投票决定采用原子时取代历书时,作为基本时间计量系统。原子时的秒长,被规定为国际单位制的时间单位,作为三大物理量的基本单位之一。

  目前国际通用的标准时间,叫做协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC),也称“世界标准时间”。它是原子时和世界时的结合,以原子时的秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时。

  我们都知道,地球根据经度分为24个时区。我们中国虽然地跨5个时区,但统一采用“北京时间”,也就是“UTC+8”时区。

  我们国家所处的时区

  ▉ 授时到底有哪些方式

  计时工具和时间系统发生了巨变,授时方式当然也要跟着变。

  授时过程,其实就是一个通信的过程。电磁理论改变了通信,也同样改变了授时。

  根据不同的电磁波频率以及传递手段,现代授时技术被分为以下几种:

  1.短波授时

  采用波长在100m~10m(频率:3MHz~30MHz)的短波无线电进行授时。

  以我们国家为例。在陕西临潼,有一个中国科学院国家授时中心总部。这里承担着我国国家标准时间(北京时间)的产生、保持和发播任务。

  国家授时中心的授时台,设置在陕西蒲城。这里的短波电台会使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz频率,全天连续发播我国短波无线电时号,呼号为BPM。

  短波授时信号通过天波和地波传输。地波可以传输100公里,天波的话,覆盖半径超过3000公里,基本覆盖全国疆域,授时精度为毫秒量级。

  天波和地波

  2.长波授时

  采用波长在10km-1km(频率:30KHz~300KHz)的长波无线电进行授时。

  国家授时中心的长波电台呼号为BPL,发射频率为100KHz。

  长波授时信号的地波作用距离为1000-2000公里,天波信号为3000公里,基本覆盖我国内陆及近海海域,授时精度为微秒量级。

  3.低频时码授时

  低频时码授时属于一种特殊的长波授时,它适用于区域性的标准时间频率传输。

  国家授时中心采用载频为68.5KHz的连续波时码授时体制技术。

  我们常见的电波钟/电波表,就可以接收这种信号,自动进行时间校对,精度可以达到30万年误差不超过1秒。

  电波表

  4.电话授时

  利用电话网络传送标准时间,称为电话授时。

  例如,通过专用电话时码接收机,拨打国家授时中心的服务专线电话,即可自动获得标准北京时间显示和输出,授时精度10毫秒。

  5.电视授时

  哈哈,这个可不是指每天19点的新闻联播播报。

  大家应该都不会想到,其实中央电视台在自家的电视信号中,“偷偷”插入了由原子钟提供的时间信息。用户设备接收电视信号后,加以改正,便可实现定时,精度约为10微秒。

  6.网络授时

  这个大家应该比较熟悉。我们电脑上经常使用的NTP(Network Time Protocol,网络时间协议),就是网络授时。

  只要设置了目标NTP服务器的IP地址,本地计算机就可以实现时间同步。

  NTP配置界面

  7.卫星授时

  前面我们介绍的都是地基的授时方式,接下来,我们来看看现在最流行的天基授时方式,也就是“卫星授时”。

  我们每天都会用到百度、高德这样的导航和定位App。大家应该也知道,这些App之所以能实现导航和定位,是因为手机能够和卫星通讯,使用卫星提供的服务。

  提供导航定位服务的卫星系统,我们称之为GNSS系统(全球导航卫星系统)。

  大名鼎鼎的GPS,是美国的GNSS系统,也是全球最早的GNSS系统。而现在名声大噪的北斗,则是我们中国自主研发和建设的GNSS系统。

  同样具备全球覆盖能力的GNSS系统,还包括俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)和欧洲的Galileo(伽利略)。

  除了全球性的卫星系统之外,GNSS还包括一些区域性的系统以及增强系统。

  很多人并不知道,GNSS系统除了定位和导航之外,还有一个非常重要的功能,那就是——授时。

  GNSS三大核心能力,通常简称为PVT,也就是Position(位置)、Velocity(速度)和Time(时间)。

  那么,GNSS是如何实现授时的呢?

  在每一颗GNSS卫星上,都配备有原子钟。这就使得发送的卫星信号中包含有精确的时间数据。通过专用接收机或者GNSS授时模组,可以对这些信号加以解码,就能快速地将设备与原子钟进行时间同步。

  相比于前面所说的长波、短波、网络等授时技术,GNSS卫星授时拥有明显的技术优势。

  首先,GNSS授时的精度更高。

  以北斗为例。北斗卫星导航系统的时间,叫做BDT。BDT属原子时,可以溯源到我国国家授时中心的协调世界时UTC,与UTC的时差控制准确度小于100ns。

  各授时方式的授时精度对比

  除了精度之外,GNSS卫星授时还有先天的覆盖优势。

  长波、短波地基授时,都有物理传播距离的限制。如果遇到高山等环境阻隔,传播距离将进一步缩小。

  而GNSS卫星授时在覆盖能力上明显要强得多。尤其是针对远洋航海及航空航天场景,GNSS卫星授时更是优势明显。

总结:

 GNSS卫星授时拥有明显的技术优势——授时精度更高,覆盖范围更广。

资料参考:www.skylab.com.cn/newsview-1015.html

更高的授时精度:以北斗为例。北斗卫星导航系统的时间,叫做BDT。BDT属原子时,可以溯源到我国国家授时中心的协调世界时UTC,与UTC的时差控制准确度小于100ns;SKYLAB现有GPS授时模块,北斗授时模块授时精度可达10nS,15nS,20nS。

更广的覆盖范围:得益于GNSS卫星的信号覆盖,在弱信号或者无网络覆盖的高山丛林等环境,尤其是针对远洋航海及航空航天场景,GNSS卫星授时可以无视物理传播距离的限制,实时输出时间数据,供GNSS授时模块解码并快速将设备与原子钟进行时间同步。

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转载自blog.csdn.net/SKYLAB01/article/details/130382203
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