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(shù)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(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。

古代時間參考

   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(nóng)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(tǒng)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(yè)進入了高速發(fā)展期，并實現(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間觀念，也推動了社會的發(fā)展和進步。

鐘表普及

   進入20世紀后，電子工業(yè)迅速發(fā)展，電池驅(qū)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(nèi)。

   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(tǒng)”的概念。

   時間系統(tǒng)，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(tǒng)包括三種，分別是：

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

?以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準的歷書時(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(tǒng)。原子時的秒長，被規(guī)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(xié)調(diào)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(jù)經(jīng)度分為24個時區(qū)。我們中國雖然地跨5個時區(qū)，但統(tǒng)一采用“北京時間”，也就是“UTC+8”時區(qū)。

授時到底有哪些方式

   計時工具和時間系統(tǒng)發(fā)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(jù)不同的電磁波頻率以及傳遞手段，現(xiàn)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(chǎn)生、保持和發(fā)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(xù)發(fā)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。

覆蓋傳輸半徑

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(fā)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(nèi)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(qū)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(xù)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(wǎng)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(lián)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(xiàn)定時，精度約為10微秒。

6.網(wǎng)絡授時

   這個大家應該比較熟悉。我們電腦上經(jīng)常使用的NTP(Network Time Protocol，網(wǎng)絡時間協(xié)議)，就是網(wǎng)絡授時。

只要設置了目標NTP服務器的IP地址，本地計算機就可以實現(xiàn)時間同步。

PC互聯(lián)網(wǎng)授時

7.衛(wèi)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(xiàn)在最流行的天基授時方式，也就是“衛(wèi)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(xiàn)導航和定位，是因為手機能夠和衛(wèi)星通訊，使用衛(wèi)星提供的服務。

衛(wèi)星授時

   提供導航定位服務的衛(wèi)星系統(tǒng)，我們稱之為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，則是我們中國自主研發(fā)和建設的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)以及增強系統(tǒng)。

GNSS系統(tǒng)

   很多人并不知道，GNSS系統(tǒng)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(xiàn)授時的呢?

   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)星信號中包含有精確的時間數(shù)據(jù)。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(wǎng)絡等授時技術，GNSS衛(wèi)星授時擁有明顯的技術優(yōu)勢。

首先，GNSS授時的精度更高。

   以北斗為例。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(xié)調(diào)世界時UTC，與UTC的時差控制準確度小于100ns。

   除了精度之外，GNSS衛(wèi)星授時還有先天的覆蓋優(yōu)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(huán)境阻隔，傳播距離將進一步縮小。

   而GNSS衛(wèi)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(wèi)星授時更是優(yōu)勢明顯。

授時服務的應用場景

   說了半天，我們?yōu)槭裁葱枰冗@么高的授時服務呢?難道只是為了方便網(wǎng)購秒殺嗎?

當然不是。

   以我們?nèi)祟惖纳順O限，毫秒級精度就已經(jīng)足夠用了。像GNSS這樣的高精度授時，主要用于高科技領域。

競技運動應用

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(tài)也會存在巨大誤差，最終導致嚴重事故。

航空航天飛行器應用

   除了科研領域之外，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的系統(tǒng)，也有了高精度授時需求。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(wǎng)設備進行并網(wǎng)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(wǎng)，造成大規(guī)模停電。  

金融領域同樣依賴時間同步。

   現(xiàn)在我們都是數(shù)字化金融，所有的交易都通過電腦和網(wǎng)絡進行。系統(tǒng)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(tǒng)帶來安全隱患。

金融授時應用

   我們所熟悉的通信系統(tǒng)，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(wěn)定性。以TD-LTE為代表的TDD時分系統(tǒng)對時間同步的要求更高，系統(tǒng)時間同步要求在±1.5μs。

TDD時分復用模式

   我們現(xiàn)在使用的5G，基本上也是采用TDD時分復用模式。在大速率數(shù)據(jù)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(yè)務的正常進行。

   除了上述行業(yè)之外，包括交通調(diào)度、地理測繪、防震減災、氣象監(jiān)測等各個領域，都對高精度時間同步有剛性需求。

   隨著數(shù)字化浪潮的不斷深入，高精度授時服務將走進更多的行業(yè)，誕生更多的應用場景。授時相關的設備和系統(tǒng)，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。