自從有了時間,就有了時間傳遞的需求。為了統一一個范圍內的時間,使本地時間與標準時間實現統一,需要將標準時間通過一定方式傳送出去,就產生了“授時”這個概念。
目前,全球范圍內授時更多情況下是利用無線電波發播標準時間信號。其中衛星授時信號覆蓋范圍大、傳送精度高、傳播衰減小,是目前被廣泛采用的高精度授時方法,在眾多北斗導航相關資料中也都會提及“授時”這個概念。而從古至今,隨著歷史發展與科技進步,授時也在不斷發展。
古代——
“晨鐘暮鼓”與“打更報時”的授時煙火
【晨鐘暮鼓·BELL】
在國內歷史悠久的城市,如北京、南京、西安,城中心都有鐘樓和鼓樓,而它們的授時作用也要追溯到一千多年前的齊武帝。公元485年的一天早上,太陽暖暖地照在南朝齊國的皇宮內,可齊武帝卻非常郁悶,因為皇宮的時間不對,他直到現在還沒有吃上早飯。
其實,在這個都城,觀測天象的官員非常敬業,用圭表、滴露等儀器測量出準確的時間,每到整點都用鼓聲向周圍傳遞時間。但皇宮離他敲鼓報時的地方太遠,有的時候能聽到鼓聲,有的時候卻聽不到。于是在這一天皇帝聽到了鼓聲,可御廚卻沒有聽到,所以就沒能開飯。
齊武帝當下想法便是:必須要統一皇宮的時間!這時寺廟里的鐘聲隱隱約約傳來,他茅塞頓開,當即下令在皇宮最高處景云樓里掛起大鐘,根據鼓聲敲響大鐘,這樣整個皇宮都能清楚地知道準確的時間,再也不會耽誤事情了。自此開創“晨鐘暮鼓”的授時新制度。
到了唐朝,晨鐘暮鼓報時已經非常成熟,大一點的城市都建有鐘鼓樓。早上敲鐘,城門打開,人們可以隨意進出城。晚上敲鼓,宵禁開始,所有人禁止隨意走動。每個時辰都有不同的鐘聲或鼓聲告訴人們時間,成為整座城市和周圍村莊人們生活、工作的標準時間。
【打更報時·GONG】
在古代還有另外一種專門在夜間進行時間傳遞的方法——打更,并由此產生了一種職業——更夫。更夫十分辛苦,晚上不能睡覺,要守著滴漏或燃香(兩種不同的計時方式),才能掌握準確的時間。紅樓夢中有一首詩寫到“五夜無煩侍女添”,說的就是人們在晚上需要頻繁給滴漏加水的故事。
更夫根據滴漏的時間,每更都要在城市里面巡游,用梆子或鑼聲向人們報告時間。當聽到更夫的打更聲,人們便知道了時間,按慣例做事情,過著按部就班的平靜生活。這就是古時在很多城市流傳很多年的“打更報時”授時制度。
近代——
“午炮報時”與“落球報時”的授時藝術
【午炮報時·CANNON】
晨鐘暮鼓的授時方式延續了上千年,直到清末,聳起的高樓阻擋了鐘聲,人們也找到了聲音更大的裝備——大炮,于是進入了“午炮報時”時代。北京德勝門東側的城墻上有一座炮臺,用來報時的“午炮”就架在那里。炮臺有電話與北京觀象臺連通。每當快到中午時,兩個值班人分工合作,一人守在電話旁,聽電話里傳來的指令;另一人則揭開炮衣,裝好炮藥,手持點燃的長香,站在炮位上靜候指令下達。收到北京觀象臺通過電話發來指令,炮臺上的人就馬上點燃炮藥。
午炮發出的轟鳴聲響徹大街小巷時,人們就知道:現在是中午12點,趕忙對表矯正時間。
【落球報時·GLOBE】
當中國人正在進行午炮報時的時候,歐洲人開發出了另外一種落球的報時方式。最先進行落球報時的是英國倫敦的格林尼治天文臺。每天中午13點整,天文臺鐘樓頂端的圓球準時落下,附近海域停泊的船只據此調節船上的鐘表,然后帶著調好的鐘表升帆出海。
雖然今天的我們看這種方法有點粗疏,但海員卻對此懷有崇敬之情,因為它曾為海員忠實服務近百年之久。十七世紀以后,航海事業蓬勃發展,海員比任何人都更迫切地需要精密時鐘,沒有它便難于知道船只的位置,面臨觸礁的危險。我國最早進行落球授時的是在上海,十九世紀80年代,法租界當局在法國碼頭設置信號站,正午時刻利用信號塔頂落球報時,為來往上海港的各國船只服務,時間由徐家匯觀象臺控制。
現代——
無線電科技加持下的授時新體驗
【毫秒級:短波授時】
短波波長在10米~100米之間,短波傳播距離遠,可達幾萬公里。我國的短波授時是中國科學院國家授時中心的BPM短波授時臺,用2.5 MHz 、5MHz、10MHz、15MHz等幾個頻率廣播我國的標準時間和標準頻率信息。在整點,會出現BMP呼號和女聲播報,無線電中也調制有時間編碼信息,用來自動對時。
【亞毫秒級:電話授時與低頻時碼授時】
在我國,很多城市都有117報時臺,播打電話117,就可以聽到用語音播報的時間。實際上,還有一種更高精度的電話授時系統,就是使用專門的接收設備,撥打國家授時中心的電話授時號碼,由電話授時主機發送專門的時間編碼到終端,終端解調這種編碼,就能得到精度在十毫秒量級的時間。可為科學研究、地震臺網、水文監測、電力、通訊、交通等行業提供標準時間信息。
另一種亞毫秒級的授時是低頻時碼授時系統,工作于第五頻段(30-300kHz)。2007年,中國科學院國家授時中心在河南商丘建立了一座大功率、連續發播的商丘授時臺,構筑了我國新一代低頻時碼授時系統,可有效覆蓋北京、天津和長江三角洲等地。低頻時碼面向廣大民用用戶開發出了各種掛鐘、手表,使用光動能電池作為電源,實現了“永不充電,永不對時”。
【微秒量級:長波授時】
長波(波長在1000~2000米的無線電波)授時可能是最早的無線電授時方法。1910年,法國率先在埃菲爾鐵塔頂端使用長波無線電信號發射器進行報時,每天兩次廣播從巴黎天文臺獲得的標準時間,發射波長是2000米,主要用來校準海船上的時鐘。1913年,發射波長增加到了2500米。早期的長波授時,在規定時間廣播規定的字符,例如,在8點廣播字符“A”,附近的電報員聽到A以后,將他的時鐘調整到8點。現在,長波授時已經能夠廣播時間編碼信息,接收機自動接收長波信號,自動調整本地時鐘。
【納秒級:衛星導航授時】
通常人們以為衛星導航系統是用來導航定位的,實際上衛星提供的是授時信息,導航、定位信息都是由接收機從授時信息導出的。因此,衛星導航系統也是一種授時系統,精度可達納秒級,是目前應用最廣的授時系統。現有的衛星導航系統主要有美國GPS系統、中國的北斗系統、俄羅斯GLONASS系統、歐洲Galileo系統。
北斗授時,很中國!
在我國首選的授時系統是由我國自行研制的北斗衛星導航系統。由于GPS由美國軍方控制,在非常時期,美國軍方可關掉某個區域的GPS,甚至發送錯誤的授時信息,使這個區域內用戶的時間出錯,造成極大干擾。我國北斗系統尚未啟用時,就曾出現過由于GPS信號異常而整個城市無法通信的事件。
目前,北斗系統授時有RNSS單向授時、RDSS單向授時和RDSS雙向定時三種方法,將標準時間發播給用戶,實現對用戶頻率的校準,為用戶提供高精度的時間與頻率服務。
值得一提的是,北斗系統在授時方面存在一個其他衛星導航系統均不具備的優勢,就是北斗使用了地球同步軌道衛星。這種衛星的授時誤差在整個中國區域內變化極小且具有規律性,誤差隨時間變化也相對緩慢,授時穩定性在時間上和空間上都很高。
舉個例子,有兩個表,一個表的誤差是固定的,每天都是5分鐘的誤差,另一個表的誤差是隨機的,今天快三分鐘,明天慢三分鐘,完全不可預料,我們想要哪個表呢?表面上看第一個表的誤差大,但它仍然比第二個表好,因為只要固定地減掉5分鐘,這個表就準了。
未來,隨著服務能力的不斷提升,中國將建設完善更加廣泛和智能的綜合時空體系,進一步提升時空信息服務能力,為人類走得更深更遠做出中國貢獻。





