深度剖析，从普通时钟系统到各种授时方式
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深度剖析，从普通时钟系统到各种授时方式
深度剖析，从普通时钟系统到各种授时方式
京准电子科技官微——ahjzsz
世界上最宝贵的东西是什么？
我相信很多人的答案是--“时间”。
没错，时间非常之重要。古时候，无数先贤告诫我们，要好好珍惜时间、利用时间，正所谓“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴”。
那么，问题来了，古人既没有钟，也没有表，他们是如何获知时间的呢？
“敬记天时，以授民也”
大家应该记得，古装剧里，一天被分为十二个时辰。
入夜之后，每隔一个时辰，就会有更夫打更--一边有节奏地敲击梆子，一边吆喝：“天干物燥，小心火烛！”
是的，古人想要获知时间信息，基本靠“听”。
当时，有那么一群“公务员”，他们通过圭表、日冕等工具确认时间，然后通过钟楼敲钟、鼓楼击鼓、更夫打更等方式，将时间信息传递给周边居民。
在皇帝身边，还有一群职位更高的星象学专家。他们负责夜观天象、制定历法，指导农民按时进行播种、施肥和收获。
历史上对这种建立时间标准、传递时间信息的行为，称为“敬记天时，以授民也”，缩写一下，也就是“授时”。
国外呢，则将这种行为称之为时间服务，也就是Time Service。
从历书时到原子时，时间系统的演进
到了17~19世纪，随着人类机械工艺的不断精进，钟表制造业进入了高速发展期，并实现了工业化生产。
钟表的迅速普及，逐渐改变了人们的时间观念，也推动了社会的发展和进步。
怀表--19世纪英伦绅士的标配
进入20世纪后，电子工业迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、石英电子钟表相继问世。钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期，每日误差逐渐被控制在0.5秒以内。
与此同时，人类对时间的认知也进入了全新阶段，逐步建立了“时间系统”的概念。
时间系统，也称为时间频率基准。说白了，就是如何衡量时间。
常见的时间系统包括三种，分别是：
以地球自转周期为基准的世界时（Universal Time，UT）
以地球绕太阳公转周期为基准的历书时（Ephemeris Time，ET）
以物质内部原子（例如铯原子）发射的电磁振荡频率为基准的原子时（Atomic time，AT）
世界时存在不均匀性，历书时测量精度低，所以，1967年第13届世界度量衡会议上，各国代表投票决定采用原子时取代历书时，作为基本时间计量系统。原子时的秒长，被规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。
目前国际通用的标准时间，叫做协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC），也称“世界标准时间”。它是原子时和世界时的结合，以原子时的秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时。
我们都知道，地球根据经度分为24个时区。我们中国虽然地跨5个时区，但统一采用“北京时间”，也就是“UTC+8”时区。
我们国家所处的时区
授时到底有哪些方式
计时工具和时间系统发生了巨变，授时方式当然也要跟着变。
授时过程，其实就是一个通信的过程。电磁理论改变了通信，也同样改变了授时。
根据不同的电磁波频率以及传递手段，现代授时技术被分为以下几种：
1.短波授时
采用波长在100m～10m（频率：3MHz～30MHz）的短波无线电进行授时。
以我们国家为例。在陕西临潼，有一个中国科学院国家授时中心总部。这里承担着我国国家标准时间（北京时间）的产生、保持和发播任务。
国家授时中心的授时台，设置在陕西蒲城。这里的短波电台会使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz频率，全天连续发播我国短波无线电时号，呼号为BPM。
短波授时信号通过天波和地波传输。地波可以传输100公里，天波的话，覆盖半径超过3000公里，基本覆盖全国疆域，授时精度为毫秒量级。
天波和地波
2.长波授时
采用波长在10km-1km（频率：30KHz～300KHz）的长波无线电进行授时。
国家授时中心的长波电台呼号为BPL，发射频率为100KHz。
长波授时信号的地波作用距离为1000-2000公里，天波信号为3000公里，基本覆盖我国内陆及近海海域，授时精度为微秒量级。
3.低频时码授时
低频时码授时属于一种特殊的长波授时，它适用于区域性的标准时间频率传输。
国家授时中心采用载频为68.5KHz的连续波时码授时体制技术。
我们常见的电波钟/电波表，就可以接收这种信号，自动进行时间校对，精度可以达到30万年误差不超过1秒。
电波表
4.电话授时
利用电话网络传送标准时间，称为电话授时。
例如，通过专用电话时码接收机，拨打国家授时中心的服务专线电话，即可自动获得标准北京时间显示和输出，授时精度10毫秒。
5.电视授时
哈哈，这个可不是指每天19点的新闻联播播报。
大家应该都不会想到，其实中央电视台在自家的电视信号中，“偷偷”插入了由原子钟提供的时间信息。用户设备接收电视信号后，加以改正，便可实现定时，精度约为10微秒。
6.网络授时
这个大家应该比较熟悉。我们电脑上经常使用的NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），就是网络授时。
只要设置了目标NTP服务器的IP地址，本地计算机就可以实现时间同步。
NTP配置界面
7.卫星授时
前面我们介绍的都是地基的授时方式，接下来，我们来看看现在最流行的天基授时方式，也就是“卫星授时”。
我们每天都会用到百度、高德这样的导航和定位App。大家应该也知道，这些App之所以能实现导航和定位，是因为手机能够和卫星通讯，使用卫星提供的服务。
提供导航定位服务的卫星系统，我们称之为GNSS系统（全球导航卫星系统）。
大名鼎鼎的GPS，是美国的GNSS系统，也是全球最早的GNSS系统。而现在名声大噪的北斗，则是我们中国自主研发和建设的GNSS系统。
同样具备全球覆盖能力的GNSS系统，还包括俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）和欧洲的Galileo（伽利略）。
除了全球性的卫星系统之外，GNSS还包括一些区域性的系统以及增强系统。
很多人并不知道，GNSS系统除了定位和导航之外，还有一个非常重要的功能，那就是--授时。
GNSS三大核心能力，通常简称为PVT，也就是Position（位置）、Velocity（速度）和Time（时间）。
那么，GNSS是如何实现授时的呢？
在每一颗GNSS卫星上，都配备有原子钟。这就使得发送的卫星信号中包含有精确的时间数据。通过专用接收机或者GNSS授时模组，可以对这些信号加以解码，就能快速地将设备与原子钟进行时间同步。
相比于前面所说的长波、短波、网络等授时技术，GNSS卫星授时拥有明显的技术优势。
首先，GNSS授时的精度更高。
以北斗为例。北斗卫星导航系统的时间，叫做BDT。BDT属原子时，可以溯源到我国国家授时中心的协调世界时UTC，与UTC的时差控制准确度小于100ns。
各授时方式的授时精度对比
除了精度之外，GNSS卫星授时还有先天的覆盖优势。
长波、短波地基授时，都有物理传播距离的限制。如果遇到高山等环境阻隔，传播距离将进一步缩小。
而GNSS卫星授时在覆盖能力上明显要强得多。尤其是针对远洋航海及航空航天场景，GNSS卫星授时更是优势明显。
授时服务的应用场景
说了半天，我们为什么需要精度这么高的授时服务呢？难道只是为了方便网购秒杀吗？
当然不是。
以我们人类的生理极限，毫秒级精度就已经足够用了。像GNSS这样的高精度授时，主要用于高科技领域。
人类竞技运动，一般只精确到毫秒级
最早期的高精度授时应用需求，来自航空航天。
航空航天飞行器，往往以极高的速度飞行。如果没有精准的时间同步，就无法对飞行器的准确位置进行确认。
尤其是太空对接等场景，如果两个飞行器的时间不同步，那么距离就会差之千里，飞行姿态也会存在巨大误差，最终导致严重事故。
除了科研领域之外，随着高精尖科技逐渐在各行各业落地，很多和我们生活息息相关的系统，也有了高精度授时需求。例如电力系统、金融系统、通信系统等。
电力行业为什么会要求时间同步？
很简单啊，我们用的都是交流电，交流电中的电流方向是随时间变化的。当不同的电网设备进行并网时，如果时间不一致，你波峰波谷就不一致，轻则带来多余的能量损耗，重则直接短路，毁坏设备，瘫痪电网，造成大规模停电。
电网设备
金融领域同样依赖时间同步。
现在我们都是数字化金融，所有的交易都通过电脑和网络进行。系统时间不同步，很可能导致交易失败，在瞬息万变的市场中错过机会。不同步的时间，也有可能被黑客利用，给系统带来安全隐患。
我们所熟悉的通信系统，同样离不开高精度授时的支持。
通信基站的切换、漫游需要精准的时间控制，对同步精度的要求高，也需要足够的稳定性。以TD-LTE为代表的TDD时分系统对时间同步的要求更高，系统时间同步要求在±1.5μs。
我们现在使用的5G，基本上也是采用TDD时分复用模式。在大速率数据传输过程中，对时间同步精度要求极高。如果通信设备之间时间不同步，将影响时隙和帧，进而影响业务的正常进行。
除了上述行业之外，包括交通调度、地理测绘、防震减灾、气象监测等各个领域，都对高精度时间同步有刚性需求。
高精度授时模组
目前来看，GNSS卫星授时凭借授时精度高、覆盖范围广、实现成本低等优势，已然成为最受用户欢迎、应用最为广泛的授时方式。
随着数字化浪潮的不断深入，高精度授时服务将走进更多的行业，诞生更多的应用场景。授时相关的设备和系统，重要性日益凸显，逐渐成为国家的重要信息化基础设施。
高精度授时服务，将彻底改变我们每个人的生活。
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