自從有了時間,就有了時間傳遞的需求,為了統(tǒng)一一個圈子的時間,需要將時間從一個地方傳遞到另一個地方。如果傳遞的是一個地區(qū)或國家的標準時間,就成了“授時”。從古至今,隨著科技進步,授時也在不斷發(fā)展。
從晨鐘暮鼓到打更報時-在古代
在歷史悠久的城市,如北京、南京、西安,城市中心都有鐘樓和鼓樓,而它們的作用還得從一千多年前的齊武帝說起。
公元485年的一天早上,太陽暖暖地照在南朝齊國的皇宮內(nèi),可齊武帝卻非常郁悶,因為皇宮的時間不對,他直到現(xiàn)在還沒有吃上早飯。
在這個都城,觀測天象的官員非常敬業(yè),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。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。就像這天,皇帝聽到了鼓聲,知道早飯時間到了,可御廚卻沒有聽到,所以就沒能開飯。
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“必須要統(tǒng)一皇宮的時間!”,齊武帝下定決心。這時寺廟里的鐘聲隱隱約約傳來,使他茅塞頓開,當即下令,在皇宮較高的景云樓里掛起一個大鐘,因為景云樓位置比較高,一定能聽到報時的鼓聲,根據(jù)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。
能按時吃到早飯,齊武帝很開心。但他卻沒想到,自此開創(chuàng)了“晨鐘暮鼓”的授時新制度。
到了唐朝,晨鐘暮鼓報時已經(jīng)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,悠揚、清脆的鐘聲能傳幾十公里,成為整個城市和周圍村莊人們生活、工作的標準時間。“朝鐘暮鼓不到耳,明月孤云長掛情”、“百年鼎鼎世共悲,晨鐘暮鼓無時休”,這些詩句都是古時授時 *** 的寫照。
在古代還有另外一種專門在夜間進行時間傳遞的 *** ――打更,并由此產(chǎn)生了一種職業(yè)――更夫。更夫十分辛苦,晚上不能睡覺,要守著滴漏(一種記時的器具)或燃香(也是計時的東西),才能掌握準確的時間。紅樓夢里有一首詩寫到“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。
根據(jù)滴漏的時間,更夫在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。
午炮報時和落球報時-在中世紀
晨鐘暮鼓的報時方式延續(xù)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(cè)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(fā)來指令,炮臺上的人就馬上點燃炮藥。午炮發(fā)出的轟鳴聲響徹大街小巷時,人們就知道:現(xiàn)在是中午12點,趕忙對表矯正時間。
當中國人正在進行午炮報時的時候,歐洲人開發(fā)出了另外一種落球的報時方式。更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(jù)此調(diào)節(jié)船上的鐘表,然后帶著調(diào)好的鐘表升帆出海。雖然今天的我們看這種 *** 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(yè)蓬勃發(fā)展,海員比任何人都更迫切地需要精密時鐘。對于海員來說,精密時鐘猶如生命線,沒有它便難于知道船只的位置,就有觸礁的危險。
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。
無線電授時-在現(xiàn)代
到了現(xiàn)代,有了無線電信號,傳遞時間的手段就更多了,人們可以選擇適合自己的時間傳遞手段。
精度在毫秒級的授時是短波授時
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,就會出現(xiàn)BMP呼號和女聲播報,無線電中也調(diào)制有時間編碼信息,用來自動對時。
精度在亞毫秒級的授時是電話授時和低頻時碼授時
在我國,很多城市都有117報時臺,撥打電話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(tǒng),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(fā)送專門的時間編碼到終端,終端解調(diào)這種編碼,就能得到精度在十毫秒量級的時間。
使用公用電話授時服務是利用公共電話交換網(wǎng)傳輸時間信息的一種技術(shù)方式,是一種常規(guī)的授時手段。它工作可靠、成本低廉,能夠滿足中等精度時間用戶的需求,可為科學研究、地震臺網(wǎng)、水文監(jiān)測、電力、通訊、交通等行業(yè)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(tǒng),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(xù)發(fā)播的商丘授時臺,構(gòu)筑了我國新一代低頻時碼授時系統(tǒng),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(fā)出了各種掛鐘、手表,使用光動能電池作為電源,實現(xiàn)了“永不充電,永不對時”。
精度在微秒量級的授時是長波授時
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 *** 。1910年,法國率先在埃菲爾鐵塔頂端使用長波無線電信號發(fā)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(fā)射波長是2000米,主要用來校準海船上的時鐘。1913年,發(fā)射波長增加到了2500米。
早期的長波授時,在規(guī)定時間廣播規(guī)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(diào)整到8點。現(xiàn)在,長波授時已經(jīng)能夠廣播時間編碼信息,接收機自動接收長波信號,自動調(diào)整本地時鐘。
更高精度的授時是衛(wèi)星導航授時
通常人們以為衛(wèi)星導航系統(tǒng)是用來導航定位的,實際上衛(wèi)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(wèi)星導航系統(tǒng)也是一種授時系統(tǒng),精度可達納秒級,是目前應用最廣的授時系統(tǒng)。現(xiàn)有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要有美國GPS系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng),以及在建設中的歐洲Galileo系統(tǒng)。
中國人,用北斗授時!
看到這里,有人會奇怪,都是衛(wèi)星導航系統(tǒng),美國的GPS發(fā)展已經(jīng)很成熟了,為什么還要研制建設北斗系統(tǒng)呢?
據(jù)《參考消息》報道,2016年1月26日,由于技術(shù)問題,GPS授時出現(xiàn)了百萬分之十三秒(13微秒)的授時誤差,持續(xù)了12小時,使美國和加拿大的警方、消防以及EMS的無線電設備停止運轉(zhuǎn),歐洲電信 *** 出現(xiàn)故障,英國廣播公司電臺停播長達2天,電網(wǎng)系統(tǒng)也部分出現(xiàn)故障等一系列問題。
這則消息充分說明兩個問題。一是衛(wèi)星授時的應用場合非常多,警察、消防、電信、廣播、電網(wǎng)都要用到,甚至快遞也需要衛(wèi)星授時。二是依賴GPS授時會對我國國民生產(chǎn)、國防安全帶來一定的風險。
怎樣避免這個風險呢?很簡單,既然單獨用GPS有風險,那就同時使用GPS和北斗以減少風險。如果同時使用GPS、GLONASS和北斗進行授時,風險就更小了。
在我國首選的授時系統(tǒng)應該是北斗系統(tǒng)。因為GPS是由美國軍方控制的,在非常時期,美國軍方可以關(guān)掉某個區(qū)域的GPS,甚至發(fā)送錯誤的授時信息,使這個區(qū)域內(nèi)用戶的時間出錯,造成極大干擾。我國北斗系統(tǒng)尚未啟用時,就曾出現(xiàn)過由于GPS信號異常而整個城市無法通信的事件。
北斗系統(tǒng)在授時方面還有一個其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)不具備的優(yōu)勢,就是北斗使用了地球同步軌道衛(wèi)星。這種衛(wèi)星的授時誤差在整個中國區(qū)域內(nèi)變化不大,并且誤差隨時間變化也相對緩慢,授時穩(wěn)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?表面上看之一個表的誤差大,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,北斗系統(tǒng)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用!