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北京時間從這里發布

——探訪中國科學院國家授時中心

發表日期:2019-03-26來源:科技日報放大 縮小
  走近大科學工程

  本報記者 陸成寬

  在古都西安眾多名勝古跡中,鐘樓無疑是光彩奪目的一個。千百年來,這里的鐘聲一直是古人安排勞作和生活的標準。現在,這座鐘樓向東30千米,有一處幽靜的小院,我國現代的標準時間——北京時間就從這里產生。

  這里是中國科學院國家授時中心。由它運行維護的長短波授時系統,承擔著我國高精度標準時間的產生、保持和發播任務。

  從華清池通往兵馬俑的秦唐大道上,可以看到國家授時中心的大門。這里高聳的現代鐘樓尤其引人注目。每到整點,清脆的報時聲就會響起。

      授時系統多次升級 

  1964年,中國第一顆原子彈爆炸成功后,發射第一顆人造衛星就被提上日程。為滿足人造衛星的高精度時間需要,又因關中地處我國中央,無線電授時信號能更好地覆蓋全國,1966年國家科委決定由中科院抓總在陜西省關中地區籌建短波授時臺。按照“靠山進洞”的戰備要求,最終選址在陜西蒲城唐憲宗景陵山上。

  短波授時臺建成后,滿足了毫秒量級用戶的需求。但是,隨著我國空間技術飛速發展和戰略武器試驗的需要,需要更高精度的授時手段。

  長波授時臺應運而生,它的精度是微秒量級,比短波臺授時精度提高了1000倍。

  “面對國外的技術封鎖,老一輩科學家不畏艱難,協作攻克了一個個技術難關,自主研制生產出了所有關鍵設備,國產化率達到了100%。”中科院國家授時中心黨委書記竇忠研究員自豪地說,當時出于安全考慮,長波授時臺建在了地下,深度達26米,相當于八九層樓,地上只有4座高聳的鐵塔承載著15噸的倒錐形天線體。

  該項成果1988年獲國家科技進步獎一等獎。此后,長短波授時系統又經多次改造升級,始終保持著國際先進水平。

      折中的協調世界時 

  我國的標準時間是北京所在的東八區的區時,比國際標準時間早8個小時。國際標準時間稱為協調世界時(UTC),是世界時和原子時折中后的計時體系。

  世界時是以地球自轉周期為基礎確定的時間尺度,1秒是地球自轉周期的1/86400。

  原子時是利用原子振蕩頻率確定的時間尺度。由于原子躍遷(電子從一個軌道跳到另一個軌道的不連續的過程)頻率具有高穩定性,國際計量大會規定,銫原子的外層電子在兩個能級之間躍遷振蕩9192631770個周期持續的時間為1秒。

  原子時精度比世界時高上千倍甚至上萬倍,原子時取代世界時似乎理所當然。但是,如果完全使用原子時,由于地球自轉長期變慢,按照現在的速度,5000年差一個小時,30000年后凌晨零點就會出現太陽升起的現象。于是,科學家想到了一種“和稀泥”的辦法,這就是協調世界時。

  它采用原子時的秒長,通過閏秒使協調世界時的時刻與世界時的時刻差保持在0.9秒以內。如果時刻差超過1秒,就在協調世界時中減去或加上1秒。協調世界時作為全球的時間標準,是零時區的時間,北京時間要加上8小時的時區差。

      北京時間的發播 

  時間產生出來后,就可以授時了。竇忠介紹,用戶的需要不同,授時方式也不同:如果需要毫秒量級的時間,可以短波授時;如果需要微秒量級的時間,可以長波授時;如果需要十納秒量級的時間,北斗衛星導航系統授時可以滿足。

  授時所用的長波和短波都是無線電波。短波的波長在10—100米之間,長波波長在1000—2000米之間,兩者都以地波和天波的方式傳播。地波指發射天線輻射出去后沿地表傳播的電波。而天波則是發射天線發出后在高空被電離層反射后到達接收點的電波。

  短波地波傳播時衰減較大,覆蓋范圍只有幾十公里;而天波經電離層多次反射可以傳播得很遠,達到幾千公里甚至上萬公里,因此,短波授時以天波為主。但是,由于受電離層擾動、大氣噪聲和多徑效應等因素影響,短波授時的信號不穩定。

  與短波授時不同,長波授時以地波為主。長波地波沿著地表可以傳播得很遠,尤其是滲透地層和海水的能力比較強。同時,由于地波場強和相位穩定,長波授時的精度達到微秒量級,也就是百萬分之一秒。

  我國的北斗衛星導航系統運行以后,長短波授時系統又有了新的拓展。“衛星導航系統雖然是一種導航定位系統,但導航定位的基本原理卻是時間測量。”竇忠說,因此,衛星導航系統需要有一套準確可靠的時間頻率系統,也具有授時功能,并且是目前應用最廣的授時系統。衛星導航系統的授時精度在十納秒量級。“但是,衛星授時也有缺點,容易受到干擾和欺騙。”他說。

      時間為高精尖科技保駕護航 

  目前,高精度時間已經成為一個國家科技、經濟、軍事和社會生活中至關重要的參量,廣泛應用于導航、電力、通信、航空、國防等領域,作為最基本的物理量,對提升國家科研水平也有基礎性作用。

  事實上,衛星導航系統是一個基于測量時間差的測距定位系統,人們在導航時用到的位置和速度信息就是通過測量時間獲得的。

  “時間的毫厘之差,會帶來距離的千里之謬。百萬分之一秒的時間測量誤差,就會導致測距誤差300米。”竇忠說。

  高精度時間在電力系統中也有著廣泛應用。大量發電機并網發電就需要保持高度時間同步,并網主要設備的時間要同步到微秒量級。同時,時間也可以充當輸電線上的偵察兵。“比如,高壓輸電線不幸被雷擊中,高精度時間就可以實現對故障點的快速定位。”竇忠說。

  竇忠介紹,當前炙手可熱的5G通訊也需要高精度時間來保駕護航,沒有時間同步就無法實現通訊,5G基站有著非常高的時間同步要求,精度要達到十幾個納秒。

  長短波授時系統所建立的時間基準,是北京時間的源頭,也是北斗衛星導航系統的時間溯源系統。它廣泛應用于基礎研究和工程技術領域,成為國家的一個戰略資源。

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