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從觀象授時到北斗衛星精準授時

時間:2020-07-21發布者:中國社會科學網-陸航瀏覽次數:185次

中國社會科學網訊(記者陸航)

   時間是人類文明歷史的主線,人類在時間觀念里創造了人類歷史。6月23日9時43分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,成功發射北斗系統第五十五顆導航衛星的同時,也標志著北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成,全球組網后即將提供全天候、高精度的全球定位導航和精準授時服務。衛星導航授時系統作為一個國家重要的空間信息基礎設施,是一個國家自主和安全的保障基礎,無論是對于國防,還是社會生產、日常生活,都具有極其重要的戰略意義。


中國科學院國家授時中心 陸航/攝

   人類的時間觀念來源于人類對自然的觀察,從時間觀念里我們了解了生命的自然規律以及生命規律甚至宇宙規律。古人“日出而作,日落而息”,從太陽出沒、晝夜明暗交替的這種最為明顯的天象變化,產生了對“日”的感性認識;從月亮由圓變缺,再由缺變圓,于是逐漸產生了“月”的概念。通過對“物候”和季節時令的觀察逐漸產生了“年”的概念。這一切構成了遠古時代“觀象授時”非常豐富的內容。神話研究學者、上海交通大學資深教授葉舒憲認為,“觀象授時”就是觀測日、月、星辰在天空中的位置變化來確定日、月、年。在我國的神話傳說中有許多關于羲和的傳說。《尚書·堯典》載,羲和是負責觀象授時、確定時間的官員,專管“歷象日月星辰,敬授人時”。

   “古人觀測天象的目的在于確定時間,從而為農業生產提供服務”。中國社會科學院學部委員、中國社會科學院研究生院教授馮時表示,中國先民在公元前5000年已學會了立表測影,并據此確定空間和時間,產生了原始的歷法;他們可以觀測北斗和二十八宿星象,這意味著中國天文學的二十八宿體系及以五宮為框架的天文體系都已建立。馮時認為,事死如事生的喪葬理念使古人通過墓葬的設計再現墓主生前的現實世界,因而河南濮陽西水坡原始宗教遺存的天文考古學研究對中國文明起源的探索具有特別的意義。該遺址年代約為公元前4500年,以45號墓為中心,在南北約百米的區域內,自北而南沿子午線等間距分布了四組遺存。最北的45號墓葬有墓主,墓主的東西兩側則分別擺放了蚌塑的龍虎,虎腹部位還有一堆蚌殼,表現二十八宿東西二宮的主要星象,而于墓主人足端又有以蚌塑配以人的脛骨擺出的北斗造型,這些設計使墓中的蚌塑圖像組成了一幅包括北斗和二十八宿龍虎星象及大火星的天文圖,其內容與湖北隨州出土的公元前5世紀初的曾侯乙墓二十八宿漆箱蓋面星象圖完全相同。

   時間、空間、質量合稱宇宙三要素,質量是三要素中的原生要素,沒有質量就沒有空間,沒有空間就沒有時間。時間是人類認識世界的一把標尺。人類的生活需要時間來將其有序化。每一個時代的計時工具,都代表著這個時代最高的科技水平。進入工業革命后,人類利用無線電授時。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,發射波長是2000米,主要用來校準海船上的時鐘。1913年,發射波長增加到了2500米。

   原名陜西天文臺的中國科學院國家授時中心,成立于1966年。中國現代的標準時間——北京時間,就是在這里產生,再通過70公里外的陜西蒲城長短波授時發播系統發出的。1966年國家科委批準開始籌建授時臺,1970年基本建成,發播BPM短波無線電時號。1973年4月,國家決定增設長波授時臺,1985年完成發射系統建設,1986年正式開始我國的長波授時服務。

   現代授時手段已經多樣化,比如長短波授時、低頻時碼授時、互聯網授時、衛星單向授時、衛星雙向時間傳遞、光纖傳遞等,授時的方法不同,授時精度也就有所不同。國家授時中心根據用戶的需要,進行不同的授時方式,如果需要毫秒量級的時間,就用短波授時;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,就讓北斗衛星導航系統完成授時。在授時中心的時間科學館,展示著從古到今的各種計時工具。比如較早的圭表、日晷、滴漏、定時蠟、沙漏、擺鐘,以及近現代的電子表、石英鐘、電波鐘、原子鐘等,種種展品展現出人類對精細計時的不懈追求。國家授時中心擁有國內第一、世界第四規模的守時原子鐘組,負責確定和保持我國原子時標準和協調世界時標準。

   一個國家的精準時間,與國計民生、科研國防息息相關,因此獨立精準的計時能力和穩定可靠的授時能力意義重大。面對國際上風云變幻的局勢,作為一個獨立自主的大國,建立中國自己的星基導航定位和授時系統無論對于保障國民經濟的日常運作或國家安全都至關重要。將北斗定位精度從米級提高到厘米級水平就是位于陜西臨潼的中國科學院國家授時中心創新完成的。

   “北斗衛星本身是我們國家的一個授時系統,我們叫北斗衛星導航系統,但是它有三個服務性能:一是定位,二是導航,三是授時。”中國科學院國家授時中心副主任盧曉春告訴記者,北斗系統的授時、定位、導航功能,基本原理是時間測量。百萬分之一秒的時間測量誤差,就會導致定位誤差300米。

   確定、保持某種時間尺度,通過一定方式把這種尺度的時間信息傳送出去,供應用者使用,這一整套系統稱為授時系統或時間服務系統。隨著人類社會的發展和科學技術的進步,授時的規模和質量在不斷提高,授時技術取得了重大進展,授時服務已經成為國計民生中不可或缺的公益工程。移動通信需要精密授時以確保基站的同步運行;電力網為有效傳輸和分配電力,對時間和頻率提出了嚴格的要求。北斗衛星導航系統的授時服務可有效應用于通信、電力和金融系統,確保系統安全穩定運行。在全球范圍內,北斗系統的授時精度優于20納秒;在亞太地區,授時精度優于10納秒。1納秒等于十億分之一秒。 

   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。因此,衛星導航系統需要有一套準確可靠的時間頻率系統,具有授時功能,它的授時精度在十納秒量級。國家授時中心科技處負責人任曉乾介紹,世界時是以地球自轉為基礎的時間計量系統,然而它并不是均勻的系統,隨著地球自轉速度變慢,世界時就和穩定的原子時之間產生誤差,就必須通過人工調節的方式使兩者協調一致,就產生了協調世界時(UTC),北京時間就是授時中心每天與國際上近80個實驗室比對產生的。北斗三號衛星上的星載銣原子鐘是中國科學院精密測量科學與技術創新研究院(原武漢物理與數學研究所)研制的第三代產品——甚高精度星載銣原子鐘,其精度可以達到每天100億分之5秒,處于國際領先水平。

   2015年,國家授時中心建成了我國第一套全面的、實時連續運行的全球衛星導航系統時差監測和授時性能評估系統,全面開展全球衛星導航系統時間監測和服務性能評估工作,有力支撐著北斗系統的建設和運行。

   國家授時中心還長期負責北斗衛星信號質量監測工作,自主研發建成了全球首個以40米天線為核心的北斗空間信號質量評估系統,評估結果已成為北斗衛星入網與在軌故障診斷的重要判據和分析依據,實現了對北斗三號試驗星和組網星信號的第三方國內權威的監測與評估。

   與此同時,國家授時中心建成了“北斗一帶一路高精度位置與時間服務中心”,將北斗定位精度從米級提高到厘米級,也即將形成便于推廣的分布式示范裝置。目前,這些成果已經應用在地面觀測網時間同步、甘肅地震滑坡監測等領域,填補了我國在高精度定位和超高精度定時方面的應用空白。

   據悉,為進一步提高我國授時系統的安全性、可靠性和授時精度,由國家授時中心建議的“十三五”國家重大科技基礎設施項目——高精度地基授時系統計劃2020年底在西安開工建設,預計五年內建成。

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