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卫星时钟同步系统下的计时科技

小安

2016-07-13

来源：西安同步原创

利用卫星授时是实现全球范围时钟精密同步的好办法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度，通过共视方法，把卫星钟当作搬运钟使用，且能使授时精度高于直接搬钟，直接搬钟难于使两地时钟去共视它。共视可以消除很多系统误差以及随时间慢变化的误差，快变化的随机误差可通过积累平滑消除。

今天，我们就一起聊聊人类的计时科技

上下四方为宇，古往今来为宙。

宇宙中一切物质的起源和消亡，世间一切事物的产生和终结，地球上一切生命的诞生和灭亡，所有的这些与时间紧密相关。日月更替，斗转星移，花开花落，人类数千年的文明在时间的长河中缓缓流淌，时间见证了这一切的变化，而日益先进的人类文明使得我们能够更准确的去感知时间。早在人类文明诞生之初，人类便开始通过对时间的计量来描述万事万物的变化，并由此诞生了一系列精度越来越高的计时器具。

1．时间的计量发展历程

远古时期，人们以太阳的东升西落作为时间尺度，因此便有“日出而作，日落而息”的人类生活；公元前二世纪，日晷出现，提高了时间的计量精度；公元一千多年前，我国北宋时期的能工巧匠们设计出水钟；六百多年前出现了机械钟；十七世纪，单摆被用于机械钟的设计，使其计时精度提高了近百倍；二十世纪三十年代，石英钟诞生，计时精度进一步被提高。

这些计时器具即我们概念中的“时钟”，细数这些钟的发展，最古老的钟追溯至太阳钟，例如圭表、日晷。有据可查的太阳钟始于公元前2357-2258年的尧帝时期。《周礼•地官•大司徒》中有“以土圭之法测土深，正日景（影），以求地中”。《春官•典瑞》中也提到了“土圭以致四时日月，封国则以土地”。

之后出现水钟，它属于流体钟的一种，除水钟之外，流体钟还包括沙钟。水钟和沙钟都是使用一定数量的流体，通过测量流体在特定方式下流动所需的时间来表示固定的时间间隔，这类不依赖于天文现象的“漏刻”计时仪器至少有4000年的历史了。我国最早的机械钟也出现在北宋时期，而欧洲的机械钟出现于十三世纪，最早传入我国的机械钟在明朝万历年间，被献于万历皇帝。

随着社会发展的需求，对时钟精度的要求越来越高，于是石英钟应运而生，它是通过石英钟内部稳定的石英振荡器来计时的。随着科技发展的要求，以及人类对精密测量的执着追求，石英钟逐渐不能满足要求，逐渐被精度高于它的钟所代替，例如原子钟。

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时。由于这种辐射电磁波周期非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。最初并且最常用于原子钟研制的元素有氢、铯、铷等碱金属。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。1967年，铯原子钟被用来进行“秒”定义，即为无干扰的133Cs原子基态两个超精细结构子能级之间微波频率跃迁周期的9,192,631,770倍，也就是我们通常所说的国际原子时。从此开启了原子“秒”的时间计量标准时代，直到现在的“秒”定义仍由铯原子喷泉钟保持。

1955年首次出现原子钟

NIST的铯喷泉基准钟

脉冲星是另外一种独特的时间计量器具，它是一种高速旋转的致密中子星，自转周期非常稳定。通过对脉冲星的计时观测，可以建立高精度的时空参考架。利用脉冲星钟建立和保持的综合脉冲星时系统，有可能比目前的原子时系统具有更高的长期稳定度，并能独立地检测原子时的系统误差。这种独特的时间计量方式正在被科学家们研究中。

对于原子钟，科学家不遗余力地进行探索并取得了巨大的研究成果，他们研究出了比现行的基准钟——铯原子钟精度更高的时钟，即光钟，铯钟作为基准钟的地位受到严重冲击。光频标的研究得到了大力发展，这种利用以原子的光学波段共振频率标准作为时间频率基准的钟——光学原子钟，将人类对时间、频率的测量精度又大大的向前提升了一步！

因为原子钟在测量时间频率时，它的“尺子”就是原子共振时发出的波长，波长越短意味着“尺子”的刻度越精细，测量也就越精确。光钟里原子共振的波长要比微波原子钟里的波长短5个量级！目前最新光钟的测量精度已经比微波原子钟高出了100倍还多！随着对光钟研究的深入，人们已广泛预言在本世纪的第二个十年内光钟将被用于作为新的时间的定义。

2. 为何北京时间由陕西发布？

上世纪五十年代，美、苏、日等发达国家就开始陆续建立了本国的标准时间及授时系统。新中国成立之初，百业待兴，意识到标准时间频率发播的深远意义，毛主席便指出：“中国必须有中国的标准时间，中国的时间不能掌握在外国人手里！”1966年3月26日，周恩来总理亲批要在中国腹地建立自己的时间发播系统。

我国地域辽阔，东西相跨五个时区，首都北京处于国际时区划分中的东八区，而授时台又必须建在我国中心地带。于是“北京时间”的发布不在北京而在陕西，也就是中央人民广播电台发出的标准时间是由中国科学院国家授时中心发播。每当整点钟时，正在收听广播的收音机便会播出“嘟、嘟”的响声。人们便以此校对自己钟表的快慢。

3.时间计量精度提升的意义何在？

从古到今，时间计量精度的不断提升给民众生活需求及国家活动带来了哪些影响？

日常生活中，1秒的时间已非常短暂，时间精确到一秒已经足够了，例如公司上班打卡，学校上课下课铃声，考试交卷的铃声，再说到购物中双十一秒杀等等。可在某些领域, 用秒来计量时间,又太长。在我们的体育赛事中，运动员的比赛成绩需要精确到百分之一秒，也就是说0.01秒的差距就决定着**的归属；出行的交通工具中，如汽车、飞机，其发动机每分钟转动数千周, 为改变发动机的频率,提高其运行的速度，时间测量要精确到0.01秒。

对于科研活动，随着时间频率测量精度的提高，人们可以更深层次地探索自然规律，推动基础科学研究的进步。如里德堡常数的测量、精细结构常数的稳定性测量、朗德因子的测量、荷质比的测量、引力红移的测量、引力波探测等，其精度都直接取决于时间频率的测量精度。这些测量和研究都是检验物理学基本理论（相对论、量子电动力学、引力场理论等）的重要方法，例如，通过测量精细结构常数随时间变化检验广义相对论，需要频率测量精度优于10-17；通过激光干涉检验引力波的存在，需要频率测量精度优于10-18。此外，人们还通过将其它物理量的测量转换为时间频率的测量，间接实现对其它物理量测量精度的提高。目前已经完成了长度、电流、电压、发光强度和温度等物理量单位的定义或测量的转换。

对于国家活动，以卫星导航为例，为提高GPS的精度，必须统一“钟表”的时间。但是即使精度达到三万年有一秒误差的原子钟，由于相对论效应，都会与地面时钟产生时间差，最终影响到GPS的定位效果。根据狭义相对论，因为人造卫星在运动，所以从地面上看时间过得慢，由于与光速相比人造卫星的飞行速度慢而存在一点误差，搭载人造卫星的时钟也会比地面钟每天慢7微秒。之外，再根据广义相对论，引力越强时间过得越慢。

宇宙空间站的转速越快，也就是其内部的人造引力越大，时间的变慢程度就越大。相反，从引力强的地方到引力弱的地方，看上去时间会变快。因此从地球表面看，受到地球弱引力的人造卫星上搭载的时钟走得快。这里的误差为每天快46微秒，减去狭义相对论效应产生的人造卫星时间滞后7微秒，人造卫星的时钟每天快39微秒。这个时间差对于GPS影响很大，距离的误差等于时间的误差乘以光速，仅仅39微秒的时间差导致GPS定位上出现12千米的误差，导致GPS无法应用，无法起到导航的作用。不过我们根据狭义相对论和广义相对论对这一误差进行修正，使人造卫星和地面时钟一致，便可放心使用GPS。　

gps授时首先通过GPS卫星坐标与接收机的坐标计算出星机“真实距离”。GPS卫星的空间坐标可通过GPS卫星导航电文中的广播星历获知，接收机的坐标则可通过大地测量获得。

假定接收机与GPS卫星时间同步，利用GPS“测距码”信号测算出信号的传输时延，再根据传输时延和信号传播速度(取真空光速值)计算出星机“伪距离”。

伪距离的失真主要由以下2个因素造成 1）接收机与GPS卫星的不同步造成了传输时延的测算误差；2）GPS信号在穿越电离层和大气对流层时，传播速度会发生变化，不再等于真空光速，从而造成传播速度的误差。

信号传送速度引起的测量误差可按统计模型，用GPS导航电文中的修正参数推算出来。高级的双频GPS接收机还可通过双频段测量的方式更为精确地修正电离层误差。

GPS时间的精度高，守时能力强，长期稳定性好，但由于GPS信号以电磁波方式传送，易受外界干扰，短期稳定性较差。将GPS的长期稳定性和物理时钟的短期稳定性相结合是提高时间精度较为有效的方法。此外，GPS共视比对也是提高外围站点时间精度较为有效的办法，通过共视比对可将站问误差控制在15 ns以内。

随着对时钟同步精度要求的不断提高，用无线电波授时的方法开始推广，其中用短波授时精度仅能达到ms级，后期普遍采用的超长波，授时精度可达到10μs左右，此后授时方法不断发展，长波授时即用罗兰C台链兼顾授时，其授时精度可达到μs，但难于做到全球覆盖。之后发展到用卫星钟作搬钟，用超短波传播时号，通过用户接收共视某颗卫星，使其授时精度优于搬钟可达到10ns精度。

综上所述，看来利用卫星授时是实现全球范围时钟精密同步的好办法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度，通过共视方法，把卫星钟当作搬运钟使用，且能使授时精度高于直接搬钟，直接搬钟难于使两地时钟去共视它。共视可以消除很多系统误差以及随时间慢变化的误差，快变化的随机误差可通过积累平滑消除。

由于卫星授时的优越性，卫星时钟同步系统也随之产生，我公司经过多年对时间频率的研究，针对军事、通讯、电力、广播电视、铁路等行业及车站、码头等公共场所对精准时间的要求而开发的一套基于GPS/北斗时间基准的卫星时钟同步系统，用于接收卫星信号，从地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，产生1PPS（秒信号）同步脉冲信号及串口时间信息，前面板显示年月日时分秒等信息，是一款实现时间同步的实用时钟设备，性能好，定时精度高，工作稳定。