深度揭秘:到底什么是“授时”
2020-09-21 09:14

深度揭秘:到底什么是“授时”

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君,题图来自:视觉中国


世界上最宝贵的东西是什么?


我相信很多人的答案是——“时间”。


没错,时间非常之重要。古时候,无数先贤告诫我们,要好好珍惜时间、利用时间,正所谓“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴”。


那么,问题来了,古人既没有钟,也没有表,他们是如何获知时间的呢?


“敬记天时,以授民也”


大家应该记得,古装剧里,一天被分为十二个时辰。


入夜之后,每隔一个时辰,就会有更夫打更——一边有节奏地敲击梆子,一边吆喝:“天干物燥,小心火烛!”


是的,古人想要获知时间信息,基本靠“听”。


当时,有那么一群“公务员”,他们通过圭表、日冕等工具确认时间,然后通过钟楼敲钟、鼓楼击鼓、更夫打更等方式,将时间信息传递给周边居民。



在皇帝身边,还有一群职位更高的星象学专家。他们负责夜观天象、制定历法,指导农民按时进行播种、施肥和收获。


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世纪~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。


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公里~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。


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。


授时服务的应用场景


说了半天,我们为什么需要精度这么高的授时服务呢?难道只是为了方便网购秒杀吗?


当然不是。


以我们人类的生理极限,毫秒级精度就已经足够用了。像GNSS这样的高精度授时,主要用于高科技领域。


最早期的高精度授时应用需求,来自航空航天。


航空航天飞行器,往往以极高的速度飞行。如果没有精准的时间同步,就无法对飞行器的准确位置进行确认。


尤其是太空对接等场景,如果两个飞行器的时间不同步,那么距离就会差之千里,飞行姿态也会存在巨大误差,最终导致严重事故。


除了科研领域之外,随着高精尖科技逐渐在各行各业落地,很多和我们生活息息相关的系统,也有了高精度授时需求。例如电力系统、金融系统、通信系统等。


电力行业为什么会要求时间同步?


很简单啊,我们用的都是交流电,交流电中的电流方向是随时间变化的。当不同的电网设备进行并网时,如果时间不一致,你波峰波谷就不一致,轻则带来多余的能量损耗,重则直接短路,毁坏设备,瘫痪电网,造成大规模停电。


电网设备


金融领域同样依赖时间同步。


现在我们都是数字化金融,所有的交易都通过电脑和网络进行。系统时间不同步,很可能导致交易失败,在瞬息万变的市场中错过机会。不同步的时间,也有可能被黑客利用,给系统带来安全隐患。


我们所熟悉的通信系统,同样离不开高精度授时的支持。


通信基站的切换、漫游需要精准的时间控制,对同步精度的要求高,也需要足够的稳定性。以TD-LTE为代表的TDD时分系统对时间同步的要求更高,系统时间同步要求在±1.5μs。



我们现在使用的5G,基本上也是采用TDD时分复用模式。在大速率数据传输过程中,对时间同步精度要求极高。如果通信设备之间时间不同步,将影响时隙和帧,进而影响业务的正常进行。


除了上述行业之外,包括交通调度、地理测绘、防震减灾、气象监测等各个领域,都对高精度时间同步有刚性需求。


高精度授时模组


目前来看,GNSS卫星授时凭借授时精度高、覆盖范围广、实现成本低等优势,已然成为最受用户欢迎、应用最为广泛的授时方式。


越来越多的行业选择GNSS卫星授时,作为本行业的时间解决方案。GNSS授时模组新品迭出,发货量逐年攀升,市场前景一片大好。


以移远通信的L26-T和LC98S模组为例。


这两款模组都是车规级高精度GNSS授时模组,支持 GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo 和QZSS 多卫星系统,并集成差分全球定位系统(DGPS)和星基增强系统(SBAS)(包括WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN),可显著提高授时稳定性和精准性。即使在复杂信号环境下,也可提供高精度、高完整性的精密授时服务。


Position hold模式的存在,大幅减小了模组的授时抖动。支持单星授时,即使在可见卫星只有一颗的情况下也能保持高精度授时。AGNSS功能,也可以帮助模组显著缩减首次定位时间。


高精度授时模组


L26-T和LC98S模组出厂前会经过严苛的可靠性测试,确保其能够在复杂环境下正常工作,为全球通信基站、金融服务、电力系统、铁路调度等行业应用提供精密授时服务。


好啦,说了那么多,大家对授时应该有了全面的了解吧?


随着数字化浪潮的不断深入,高精度授时服务将走进更多的行业,诞生更多的应用场景。授时相关的设备和系统,重要性日益凸显,逐渐成为国家的重要信息化基础设施。


高精度授时服务,将彻底改变我们每个人的生活。


本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君

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