【北斗七星】北斗卫星授时之星解读与应用
【北斗七星】北斗卫星授时之星解读与应用
京准电子科技官微——ahjzsz
说起北斗卫星导航系统，大多数人可能都知道它的导航定位功能，但对其另外的一个重要基础功能——授时，却知之甚少。所谓授时，就是解决时间同步的问题。如果卫星的授时系统出现误差，哪怕只是一秒，其带来的后果也可能超乎想象。
古代人是怎么“授时”的？
日月更替、斗转星移，时间见证了人类数千年的文明发展。自诞生之日起，人类便开始通过对时间的计量来描述万事万物的变化，并随之产生了对时间传递的需求。后来，随着发展需要，在同一个地区或国家里，逐渐出现了统一的标准时间，这就是古代的“授时”。从古至今，随着科技进步，授时也在不断发展。
晨钟暮鼓报时
晨钟暮鼓是我国最早用来统一时间的方法，在唐朝已经发展得非常成熟。那时候，稍大一点的城市里都建有钟鼓楼。早上敲钟，城门打开，人们可以随意进出城；晚上敲鼓，宵禁开始，所有人禁止随意走动。每个时辰不同的钟声或鼓声成为人们生活、工作的标准时间。这种晨钟暮鼓的报时方式在我国延续了上千年。
打更报时
打更报时是专门在夜间进行时间传递的方法。更夫夜间不能睡觉，需要通过滴漏掌握准确时间，再用梆子或锣声将准确的时间传递给人们。
午炮报时
清朝末年，高楼渐多，钟声逐渐被越来越多的高楼阻挡，于是便有了午炮报时。每天中午12点整，午炮便发出响彻大街小巷时的轰鸣声，以提示人们矫正落地摆钟的时间。
落球报时
17世纪后，航海业发展迅速，对报时要求越来越高。由于不同时间的海潮高度是不相同的，利用精确时间可以知道船只位置，避免触礁。落球报时是在码头、港口等地的高竿上挂上圆球，并在规定时刻升降圆球，人们就可根据圆球的高度和降落瞬间来调节船上的钟表。
现代化的无线电授时
到了现代社会，无线电信号的出现让时间传递变得更简单、快捷，并且出现了短波授时、长波授时和低频时码授时等多种方式。短波授时的精度为毫秒级，我国的短波授时是中国科学院国家授时中心的BPM短波授时台，用2.5 MHz 、5MHz、10MHz、15MHz等几个频率广播我国的标准时间和标准频率信息。在整点，就会出现BMP呼号和女声播报。
长波是频率在30K~300KHz、波长在1~10千米的无线电波，其可通过地波（大地传导）和天波（电离层反射）传播。1910年，法国人首次在埃菲尔铁塔顶端选用长波无线电信号发射器实现报时。
低频时码授时技术是在长波授时技术基础上发展起来的，具有传输距离远、抗干扰能力强、信号精度高等优点。不同于机械表或石英钟，各种可接收低频时码信号的电波钟表产品，如挂钟、手表等，可自动校准时间，实现了“永不对时”。
10纳秒高精度的北斗授时系统
通常人们以为卫星导航系统是用来导航定位的，实际上卫星提供的是授时信息，导航、定位信息都是由接收机从授时信息导出的。因此，卫星导航系统也是一种授时系统，精度可达纳秒级，是目前最新、精度最高的授时方式。目前全球存在四种卫星授时系统：中国北斗卫星导航系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟的伽利略系统。
在全球范围内，北斗系统的授时精度优于20纳秒；在亚太地区，授时精度优于10纳秒，即亿分之一秒。
北斗授时系统传递的是国家授时中心发播的标准时间信号，也就是目前国际通用的标准时间——协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC）。那么它是如何实现如此高精度的时间测量的？这主要是因为北斗导航卫星上配有星载原子钟，以确保北斗授时系统有精确的时间源。原子钟是目前世界上最精密的计时装置，精密到几百万年才差1秒！而我们平时用的钟表，精度高的每天也会有0.1秒左右的误差。导航卫星将携带了精确标准时间信息及卫星位置信息的信号发播出去，用户接收到北斗的广播信号后，会自主修正本地时间与标准时间的时间差，实现时间同步。
北斗授时系统还有独特的双向授时模式。双向授时模式下，用户向中心站发起授时申请，中心站再将时标信号通过卫星转发给用户。用户将接收到的时标信号原路返回，由地面中心站计算出信号单向传播时延，再把时延信息发送给用户。双向授时可以更精确地反映时延信息，授时精度更高。
北斗授时系统能做些什么？
精准的时间对于每个人的重要性不言而喻，手表、手机、挂钟成为我们每天都要看无数遍的必备工具。北斗的高精度授时对普通人来说，可能没那么重要，但高精度的时间在电力、通信、交通、证券、航空、国防等领域具有重要意义。比如，在移动通信网络中，如果基站的时间不同步，指令匹配就会出错，通信网络就无法正常运行。通常来说，5G基站的时间同步精度要求达到十几个纳秒。在电力系统中，大量发电机并网发电需要保持高度时间同步，并网主要设备的时间要同步到微秒量级。在金融系统中，如果时间不同步，交易记录就会混乱，黑客就可以利用时间差盗窃资金。此外，如今的航天事业更需要时间的精准同步。例如飞船与目标飞行器交会对接时，双方的对接机构必须精确对准，严丝合缝，稍有差错，“太空之吻”就会变成“车祸现场”。
原先，我们主要通过GPS来授时，有了北斗授时系统，中国人就可以完全把时间掌握在自己的手中了！
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