世界上最寶貴的東西是什么?

我相信很多人的答案是——“時(shí)間”。

沒(méi)錯(cuò)，時(shí)間非常之重要。古時(shí)候，無(wú)數(shù)先賢告誡我們，要好好珍惜時(shí)間、利用時(shí)間，正所謂“一寸光陰一寸金，寸金難買(mǎi)寸光陰”。

那么，問(wèn)題來(lái)了，古人既沒(méi)有鐘，也沒(méi)有表，他們是如何獲知時(shí)間的呢?

“敬記天時(shí)，以授民也”

大家應(yīng)該記得，古裝劇里，一天被分為十二個(gè)時(shí)辰。

入夜之后，每隔一個(gè)時(shí)辰，就會(huì)有更夫打更——一邊有節(jié)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(shí)間信息，基本靠“聽(tīng)”。

   當(dāng)時(shí)，有那么一群“公務(wù)員”，他們通過(guò)圭表、日冕等工具確認(rèn)時(shí)間，然后通過(guò)鐘樓敲鐘、鼓樓擊鼓、更夫打更等方式，將時(shí)間信息傳遞給周邊居民。

古代時(shí)間參考

   在皇帝身邊，還有一群職位更高的星象學(xué)專(zhuān)家。他們負(fù)責(zé)夜觀天象、制定歷法，指導(dǎo)農(nóng)民按時(shí)進(jìn)行播種、施肥和收獲。

歷史上對(duì)這種建立時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、傳遞時(shí)間信息的行為，稱(chēng)為“敬記天時(shí)，以授民也”，縮寫(xiě)一下，也就是“授時(shí)”。

   國(guó)外呢，則將這種行為稱(chēng)之為時(shí)間服務(wù)，也就是Time Service。

   從歷書(shū)時(shí)到原子時(shí)，時(shí)間系統(tǒng)的演進(jìn)，到了17~19世紀(jì)，隨著人類(lèi)機(jī)械工藝的不斷精進(jìn)，鐘表制造業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展期，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

   鐘表的迅速普及，逐漸改變了人們的時(shí)間觀念，也推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。

鐘表普及

   進(jìn)入20世紀(jì)后，電子工業(yè)迅速發(fā)展，電池驅(qū)動(dòng)鐘、交流電鐘、電機(jī)械表、石英電子鐘表相繼問(wèn)世。鐘表進(jìn)入了微電子技術(shù)與精密機(jī)械相結(jié)合的石英化新時(shí)期，每日誤差逐漸被控制在0.5秒以?xún)?nèi)。

   與此同時(shí)，人類(lèi)對(duì)時(shí)間的認(rèn)知也進(jìn)入了全新階段，逐步建立了“時(shí)間系統(tǒng)”的概念。

   時(shí)間系統(tǒng)，也稱(chēng)為時(shí)間頻率基準(zhǔn)。說(shuō)白了，就是如何衡量時(shí)間。

常見(jiàn)的時(shí)間系統(tǒng)包括三種，分別是：

?以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的世界時(shí)(Universal Time，UT)

?以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的歷書(shū)時(shí)(Ephemeris Time，ET)

?以物質(zhì)內(nèi)部原子(例如銫原子)發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的原子時(shí)(Atomic time，AT)

   世界時(shí)存在不均勻性，歷書(shū)時(shí)測(cè)量精度低，所以，1967年第13屆世界度量衡會(huì)議上，各國(guó)代表投票決定采用原子時(shí)取代歷書(shū)時(shí)，作為基本時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。原子時(shí)的秒長(zhǎng)，被規(guī)定為國(guó)際單位制的時(shí)間單位，作為三大物理量的基本單位之一。

   目前國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，叫做協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated，UTC)，也稱(chēng)“世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”。它是原子時(shí)和世界時(shí)的結(jié)合，以原子時(shí)的秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)。

   我們都知道，地球根據(jù)經(jīng)度分為24個(gè)時(shí)區(qū)。我們中國(guó)雖然地跨5個(gè)時(shí)區(qū)，但統(tǒng)一采用“北京時(shí)間”，也就是“UTC+8”時(shí)區(qū)。

授時(shí)到底有哪些方式

   計(jì)時(shí)工具和時(shí)間系統(tǒng)發(fā)生了巨變，授時(shí)方式當(dāng)然也要跟著變。

   授時(shí)過(guò)程，其實(shí)就是一個(gè)通信的過(guò)程。電磁理論改變了通信，也同樣改變了授時(shí)。

根據(jù)不同的電磁波頻率以及傳遞手段，現(xiàn)代授時(shí)技術(shù)被分為以下幾種：

1.短波授時(shí)

   采用波長(zhǎng)在100m～10m(頻率：3MHz～30MHz)的短波無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行授時(shí)。

以我們國(guó)家為例。在陜西臨潼，有一個(gè)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心總部。這里承擔(dān)著我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(北京時(shí)間)的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務(wù)。

   國(guó)家授時(shí)中心的授時(shí)臺(tái)，設(shè)置在陜西蒲城。這里的短波電臺(tái)會(huì)使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz頻率，全天連續(xù)發(fā)播我國(guó)短波無(wú)線(xiàn)電時(shí)號(hào)，呼號(hào)為BPM。

   短波授時(shí)信號(hào)通過(guò)天波和地波傳輸。地波可以傳輸100公里，天波的話(huà)，覆蓋半徑超過(guò)3000公里，基本覆蓋全國(guó)疆域，授時(shí)精度為毫秒量級(jí)。

覆蓋傳輸半徑

2.長(zhǎng)波授時(shí)

   采用波長(zhǎng)在10km-1km(頻率：30KHz～300KHz)的長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行授時(shí)。

   國(guó)家授時(shí)中心的長(zhǎng)波電臺(tái)呼號(hào)為BPL，發(fā)射頻率為100KHz。

   長(zhǎng)波授時(shí)信號(hào)的地波作用距離為1000-2000公里，天波信號(hào)為3000公里，基本覆蓋我國(guó)內(nèi)陸及近海海域，授時(shí)精度為微秒量級(jí)。

3.低頻時(shí)碼授時(shí)

   低頻時(shí)碼授時(shí)屬于一種特殊的長(zhǎng)波授時(shí)，它適用于區(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率傳輸。

   國(guó)家授時(shí)中心采用載頻為68.5KHz的連續(xù)波時(shí)碼授時(shí)體制技術(shù)。

   我們常見(jiàn)的電波鐘/電波表，就可以接收這種信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間校對(duì)，精度可以達(dá)到30萬(wàn)年誤差不超過(guò)1秒。

電波表

4.電話(huà)授時(shí)

   利用電話(huà)網(wǎng)絡(luò)傳送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，稱(chēng)為電話(huà)授時(shí)。

   例如，通過(guò)專(zhuān)用電話(huà)時(shí)碼接收機(jī)，撥打國(guó)家授時(shí)中心的服務(wù)專(zhuān)線(xiàn)電話(huà)，即可自動(dòng)獲得標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間顯示和輸出，授時(shí)精度10毫秒。

5.電視授時(shí)

哈哈，這個(gè)可不是指每天19點(diǎn)的新聞聯(lián)播播報(bào)。

   大家應(yīng)該都不會(huì)想到，其實(shí)中央電視臺(tái)在自家的電視信號(hào)中，“偷偷”插入了由原子鐘提供的時(shí)間信息。用戶(hù)設(shè)備接收電視信號(hào)后，加以改正，便可實(shí)現(xiàn)定時(shí)，精度約為10微秒。

6.網(wǎng)絡(luò)授時(shí)

   這個(gè)大家應(yīng)該比較熟悉。我們電腦上經(jīng)常使用的NTP(Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)，就是網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。

只要設(shè)置了目標(biāo)NTP服務(wù)器的IP地址，本地計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

PC互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)

7.衛(wèi)星授時(shí)

   前面我們介紹的都是地基的授時(shí)方式，接下來(lái)，我們來(lái)看看現(xiàn)在最流行的天基授時(shí)方式，也就是“衛(wèi)星授時(shí)”。

   我們每天都會(huì)用到百度、高德這樣的導(dǎo)航和定位App。大家應(yīng)該也知道，這些App之所以能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位，是因?yàn)槭謾C(jī)能夠和衛(wèi)星通訊，使用衛(wèi)星提供的服務(wù)。

衛(wèi)星授時(shí)

   提供導(dǎo)航定位服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，我們稱(chēng)之為GNSS系統(tǒng)(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))。

   大名鼎鼎的GPS，是美國(guó)的GNSS系統(tǒng)，也是全球最早的GNSS系統(tǒng)。而現(xiàn)在名聲大噪的北斗，則是我們中國(guó)自主研發(fā)和建設(shè)的GNSS系統(tǒng)。

同樣具備全球覆蓋能力的GNSS系統(tǒng)，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(wèi)星系統(tǒng)之外，GNSS還包括一些區(qū)域性的系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)。

GNSS系統(tǒng)

   很多人并不知道，GNSS系統(tǒng)除了定位和導(dǎo)航之外，還有一個(gè)非常重要的功能，那就是——授時(shí)。

   GNSS三大核心能力，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為PVT，也就是Position(位置)、Velocity(速度)和Time(時(shí)間)。

那么，GNSS是如何實(shí)現(xiàn)授時(shí)的呢?

   在每一顆GNSS衛(wèi)星上，都配備有原子鐘。這就使得發(fā)送的衛(wèi)星信號(hào)中包含有精確的時(shí)間數(shù)據(jù)。通過(guò)專(zhuān)用接收機(jī)或者GNSS授時(shí)模組，可以對(duì)這些信號(hào)加以解碼，就能快速地將設(shè)備與原子鐘進(jìn)行時(shí)間同步。

   相比于前面所說(shuō)的長(zhǎng)波、短波、網(wǎng)絡(luò)等授時(shí)技術(shù)，GNSS衛(wèi)星授時(shí)擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

首先，GNSS授時(shí)的精度更高。

   以北斗為例。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間，叫做BDT。BDT屬原子時(shí)，可以溯源到我國(guó)國(guó)家授時(shí)中心的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC，與UTC的時(shí)差控制準(zhǔn)確度小于100ns。

   除了精度之外，GNSS衛(wèi)星授時(shí)還有先天的覆蓋優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)波、短波地基授時(shí)，都有物理傳播距離的限制。如果遇到高山等環(huán)境阻隔，傳播距離將進(jìn)一步縮小。

   而GNSS衛(wèi)星授時(shí)在覆蓋能力上明顯要強(qiáng)得多。尤其是針對(duì)遠(yuǎn)洋航海及航空航天場(chǎng)景，GNSS衛(wèi)星授時(shí)更是優(yōu)勢(shì)明顯。

授時(shí)服務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景

   說(shuō)了半天，我們?yōu)槭裁葱枰冗@么高的授時(shí)服務(wù)呢?難道只是為了方便網(wǎng)購(gòu)秒殺嗎?

當(dāng)然不是。

   以我們?nèi)祟?lèi)的生理極限，毫秒級(jí)精度就已經(jīng)足夠用了。像GNSS這樣的高精度授時(shí)，主要用于高科技領(lǐng)域。

競(jìng)技運(yùn)動(dòng)應(yīng)用

人類(lèi)競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，一般只精確到毫秒級(jí)

   最早期的高精度授時(shí)應(yīng)用需求，來(lái)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(méi)有精準(zhǔn)的時(shí)間同步，就無(wú)法對(duì)飛行器的準(zhǔn)確位置進(jìn)行確認(rèn)。

   尤其是太空對(duì)接等場(chǎng)景，如果兩個(gè)飛行器的時(shí)間不同步，那么距離就會(huì)差之千里，飛行姿態(tài)也會(huì)存在巨大誤差，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

航空航天飛行器應(yīng)用

   除了科研領(lǐng)域之外，隨著高精尖科技逐漸在各行各業(yè)落地，很多和我們生活息息相關(guān)的系統(tǒng)，也有了高精度授時(shí)需求。例如電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

電力行業(yè)為什么會(huì)要求時(shí)間同步?

   很簡(jiǎn)單啊，我們用的都是交流電，交流電中的電流方向是隨時(shí)間變化的。當(dāng)不同的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，如果時(shí)間不一致，你波峰波谷就不一致，輕則帶來(lái)多余的能量損耗，重則直接短路，毀壞設(shè)備，癱瘓電網(wǎng)，造成大規(guī)模停電。  

金融領(lǐng)域同樣依賴(lài)時(shí)間同步。

   現(xiàn)在我們都是數(shù)字化金融，所有的交易都通過(guò)電腦和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。系統(tǒng)時(shí)間不同步，很可能導(dǎo)致交易失敗，在瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)中錯(cuò)過(guò)機(jī)會(huì)。不同步的時(shí)間，也有可能被黑客利用，給系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。

金融授時(shí)應(yīng)用

   我們所熟悉的通信系統(tǒng)，同樣離不開(kāi)高精度授時(shí)的支持。

   通信基站的切換、漫游需要精準(zhǔn)的時(shí)間控制，對(duì)同步精度的要求高，也需要足夠的穩(wěn)定性。以TD-LTE為代表的TDD時(shí)分系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求更高，系統(tǒng)時(shí)間同步要求在±1.5μs。

TDD時(shí)分復(fù)用模式

   我們現(xiàn)在使用的5G，基本上也是采用TDD時(shí)分復(fù)用模式。在大速率數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，對(duì)時(shí)間同步精度要求極高。如果通信設(shè)備之間時(shí)間不同步，將影響時(shí)隙和幀，進(jìn)而影響業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。

   除了上述行業(yè)之外，包括交通調(diào)度、地理測(cè)繪、防震減災(zāi)、氣象監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，都對(duì)高精度時(shí)間同步有剛性需求。

   隨著數(shù)字化浪潮的不斷深入，高精度授時(shí)服務(wù)將走進(jìn)更多的行業(yè)，誕生更多的應(yīng)用場(chǎng)景。授時(shí)相關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)，重要性日益凸顯，逐漸成為國(guó)家的重要信息化基礎(chǔ)設(shè)施。

   高精度授時(shí)服務(wù)，將徹底改變我們每個(gè)人的生活。