北京时间从这里发布

2019-03-26 00:00:00来源: 科技日报 作者: 本报记者 陆成宽

——探访中国科学院国家授时中心

走近大科学工程

本报记者 陆成宽

在古都西安众多名胜古迹中,钟楼无疑是光彩夺目的一个。千百年来,这里的钟声一直是古人安排劳作和生活的标准。现在,这座钟楼向东30千米,有一处幽静的小院,我国现代的标准时间——北京时间就从这里产生。

这里是中国科学院国家授时中心。由它运行维护的长短波授时系统,承担着我国高精度标准时间的产生、保持和发播任务。

从华清池通往兵马俑的秦唐大道上,可以看到国家授时中心的大门。这里高耸的现代钟楼尤其引人注目。每到整点,清脆的报时声就会响起。

授时系统多次升级

1964年,中国第一颗原子弹爆炸成功后,发射第一颗人造卫星就被提上日程。为满足人造卫星的高精度时间需要,又因关中地处我国中央,无线电授时信号能更好地覆盖全国,1966年国家科委决定由中科院抓总在陕西省关中地区筹建短波授时台。按照“靠山进洞”的战备要求,最终选址在陕西蒲城唐宪宗景陵山上。

短波授时台建成后,满足了毫秒量级用户的需求。但是,随着我国空间技术飞速发展和战略武器试验的需要,需要更高精度的授时手段。

长波授时台应运而生,它的精度是微秒量级,比短波台授时精度提高了1000倍。

“面对国外的技术封锁,老一辈科学家不畏艰难,协作攻克了一个个技术难关,自主研制生产出了所有关键设备,国产化率达到了100%。”中科院国家授时中心党委书记窦忠研究员自豪地说,当时出于安全考虑,长波授时台建在了地下,深度达26米,相当于八九层楼,地上只有4座高耸的铁塔承载着15吨的倒锥形天线体。

该项成果1988年获国家科技进步奖一等奖。此后,长短波授时系统又经多次改造升级,始终保持着国际先进水平。

折中的协调世界时

我国的标准时间是北京所在的东八区的区时,比国际标准时间早8个小时。国际标准时间称为协调世界时(UTC),是世界时和原子时折中后的计时体系。

世界时是以地球自转周期为基础确定的时间尺度,1秒是地球自转周期的1/86400。

原子时是利用原子振荡频率确定的时间尺度。由于原子跃迁(电子从一个轨道跳到另一个轨道的不连续的过程)频率具有高稳定性,国际计量大会规定,铯原子的外层电子在两个能级之间跃迁振荡9192631770个周期持续的时间为1秒。

原子时精度比世界时高上千倍甚至上万倍,原子时取代世界时似乎理所当然。但是,如果完全使用原子时,由于地球自转长期变慢,按照现在的速度,5000年差一个小时,30000年后凌晨零点就会出现太阳升起的现象。于是,科学家想到了一种“和稀泥”的办法,这就是协调世界时。

它采用原子时的秒长,通过闰秒使协调世界时的时刻与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。如果时刻差超过1秒,就在协调世界时中减去或加上1秒。协调世界时作为全球的时间标准,是零时区的时间,北京时间要加上8小时的时区差。

北京时间的发播

时间产生出来后,就可以授时了。窦忠介绍,用户的需要不同,授时方式也不同:如果需要毫秒量级的时间,可以短波授时;如果需要微秒量级的时间,可以长波授时;如果需要十纳秒量级的时间,北斗卫星导航系统授时可以满足。

授时所用的长波和短波都是无线电波。短波的波长在10—100米之间,长波波长在1000—2000米之间,两者都以地波和天波的方式传播。地波指发射天线辐射出去后沿地表传播的电波。而天波则是发射天线发出后在高空被电离层反射后到达接收点的电波。

短波地波传播时衰减较大,覆盖范围只有几十公里;而天波经电离层多次反射可以传播得很远,达到几千公里甚至上万公里,因此,短波授时以天波为主。但是,由于受电离层扰动、大气噪声和多径效应等因素影响,短波授时的信号不稳定。

与短波授时不同,长波授时以地波为主。长波地波沿着地表可以传播得很远,尤其是渗透地层和海水的能力比较强。同时,由于地波场强和相位稳定,长波授时的精度达到微秒量级,也就是百万分之一秒。

我国的北斗卫星导航系统运行以后,长短波授时系统又有了新的拓展。“卫星导航系统虽然是一种导航定位系统,但导航定位的基本原理却是时间测量。”窦忠说,因此,卫星导航系统需要有一套准确可靠的时间频率系统,也具有授时功能,并且是目前应用最广的授时系统。卫星导航系统的授时精度在十纳秒量级。“但是,卫星授时也有缺点,容易受到干扰和欺骗。”他说。

时间为高精尖科技保驾护航

目前,高精度时间已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量,广泛应用于导航、电力、通信、航空、国防等领域,作为最基本的物理量,对提升国家科研水平也有基础性作用。

事实上,卫星导航系统是一个基于测量时间差的测距定位系统,人们在导航时用到的位置和速度信息就是通过测量时间获得的。

“时间的毫厘之差,会带来距离的千里之谬。百万分之一秒的时间测量误差,就会导致测距误差300米。”窦忠说。

高精度时间在电力系统中也有着广泛应用。大量发电机并网发电就需要保持高度时间同步,并网主要设备的时间要同步到微秒量级。同时,时间也可以充当输电线上的侦察兵。“比如,高压输电线不幸被雷击中,高精度时间就可以实现对故障点的快速定位。”窦忠说。

窦忠介绍,当前炙手可热的5G通讯也需要高精度时间来保驾护航,没有时间同步就无法实现通讯,5G基站有着非常高的时间同步要求,精度要达到十几个纳秒。

长短波授时系统所建立的时间基准,是北京时间的源头,也是北斗卫星导航系统的时间溯源系统。它广泛应用于基础研究和工程技术领域,成为国家的一个战略资源。

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责任编辑:符雪苑