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北斗上闪烁的陕西科技智慧

36氪陕西的朋友们 · 2020-07-06
众所周知,北京时间并非来自北京,而是来自内陆腹地的陕西。

编者按:本文来自“陕西日报”,作者:张梅;36氪经授权转载。

6月23日9时43分,北斗三号系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心成功发射,提前半年完成北斗三号全球卫星导航系统星座部署目标。北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。

北斗系统的授时、定位、导航功能,基本原理是时间测量。作为我国唯一专门从事时间频率科学和技术科研的机构,位于临潼的国家授时中心为北斗全球系统的建设和发展作出了诸多贡献。

那么,北斗系统是如何授时、定位的,北斗系统与我们的生活有什么关系?6月24日,记者走进国家授时中心,采访了相关科研人员。

北京时间的产生

还是从我们熟悉的北京时间说起。

众所周知,北京时间并非来自北京,而是来自内陆腹地的陕西。

国家授时中心是我国唯一专门从事时间频率科学和技术科研的机构。由它运行维护的长短波授时系统,承担着我国高精度标准时间的产生、保持和发播任务。

国家授时中心副主任卢晓春介绍,北京时间是我国的标准时间,它采用了地球东八区的区时,比国际标准时间早8个小时。国际标准时间称为协调世界时(UTC),是一种世界时和原子时折中后的计时体系。

世界时是以地球自转周期为基础确定的时间尺度,1秒是地球自转周期的1/86400。原子时是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。原子时精度比世界时高上千倍甚至上万倍。但是,由于地球自转是不稳定的,根据地球自转制定的世界时就会有误差。“按照现在的速度,5000年差1个小时,3万年后零点就可能出现太阳升起的现象。因此,科学家创造出了一种兼顾这两种时间特性的时间尺度——协调世界时。协调世界时是全球统一的国际标准时间,大家的时间都要与协调世界时对准。”国家授时中心刘娅博士介绍。

协调世界时由设在法国巴黎的国际权度局(BIPM)产生。每个月的1日,国际权度局开始收集上个月全世界的原子钟数据,对全世界的原子钟进行加权平均,计算出国际原子时,加上闰秒,调整以后就得到上个月全球的标准时间。协调世界时一般在当月15日左右发布,只是一个纸面的时间,只能解决事后对表的问题,不能直接使用。

为了解决实际应用对标准时间的需要,每个国家都指定守时实验室产生协调世界时的物理实现。我国的标准时间便是由国家授时中心产生和保持的。

在国家授时中心的时频基准重点实验室,12台显示屏上分别显示着“北京时间”“协调世界时”“国际原子时”,这些原子钟是利用测量原子振荡频率来计时,目前授时的铯原子钟,精度可以达到每100万年误差1秒。国家授时中心拥有国内第一、世界第四规模的守时原子钟组,负责确定和保持我国原子时标准和协调世界时标准。

这里是北京时间的源头,小到手表,大到卫星,它们的时间都来自于此。

精准支撑北斗系统

时间产生出来后,根据用户的需求不同,有不同的授时方式。如果需要毫秒量级的时间,可以短波授时;如果需要微秒量级的时间,可以长波授时。“随着科技的不断发展,高精度时间的需求越来越广泛,需要十纳秒(十亿分之一秒)量级的时间,北斗卫星导航系统可以满足。”卢晓春介绍。

授时所用的长波和短波都是无线电波。短波的波长在10米到100米之间,长波波长在1000米到2000米之间,两者都以地波和天波的方式传播。地波指发射天线辐射出去后沿地表传播的电波。而天波则是发射天线发出后在高空被电离层反射后到达接收点的电波。

我国的北斗卫星导航系统运行以后,长短波授时系统又有了新的拓展。据国家授时中心科技处副处长任晓乾介绍,卫星导航系统虽然是一种导航定位系统,但导航定位的基本原理却是时间测量。因此,卫星导航系统需要有一套准确可靠的时间频率系统,也具有授时功能,它的授时精度在十纳秒量级。

国家授时中心依托国家标准时间的优势,围绕北斗系统的工程建设和稳定运行,在北斗系统中承担了信号、轨道、时间测试评估和新技术试验验证、系统时间溯源、时间频率体系及原子钟研制等多项关键技术攻关任务,为北斗系统的建设、运行和发展发挥了重要作用。

2015年,国家授时中心建成了我国第一套全面的、实时连续运行的全球卫星导航系统时差监测和授时性能评估系统,全面开展全球卫星导航系统时间监测和服务性能评估工作,有力支撑了北斗系统的建设和运行。

国家授时中心还长期负责北斗卫星信号质量监测工作,自主研发建成了全球首个以40米天线为核心的北斗空间信号质量评估系统,评估结果已成为北斗卫星入网与在轨故障诊断的重要判据和分析依据,实现了对北斗三号试验星和组网星信号的第三方国内权威监测与评估。

与此同时,国家授时中心建成了“北斗一带一路高精度位置与时间服务中心”,将北斗定位精度从米级提高到厘米级,即将形成便于推广的分布式示范装置。目前,这些成果已经应用在地面观测网时间同步、甘肃地震滑坡监测等领域,填补了我国在高精度定位和超高精度定时方面的应用空白。

走近我们的高精度时间

一个国家的精准时间,与国计民生、科研工作息息相关,因此独立精准的计时能力和稳定可靠的授时能力,意义重大。

高精度的时间不仅在通信、证券、航空、国防等领域具有重要意义,作为最基本的物理量,对提升国家科研水平也有着基础性作用。“时间的毫厘之差,会带来距离的千里之谬。比如飞船对接,一旦测控系统时间差百万分之一秒,就会出现300米的距离偏差。”卢晓春说。

时间科学作为诸多科学研究的基础,具有广泛的应用。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。同时,时间也可以充当输电线上的侦察兵。“比如,高压输电线不幸被雷击中,高精度时间就可以实现对故障点的快速定位。”时间科普馆工作人员介绍。

5G通信也需要高精度时间来保驾护航。没有时间同步就无法实现通信,5G基站有着非常高的时间同步要求,精度要达到十几个纳秒。

北斗系统是混合型卫星导航系统,将为我们提供高精度时间的保障。“北斗系统将会在电力、通信、交通、铁路,还有我们的智慧城市、农业、大数据、区块链方面得到广泛应用。”刘娅说。

为进一步提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度,2019年,“十三五”国家重大科技基础设施项目——高精度地基授时系统在西安启动建设,计划2023年建成。

“该项目是陕西省‘十三五’期间唯一牵头建设的国家重大科技基础设施项目,建成后西安将成为我国时间频率科学研究、创新、发展的中心,为数字信息化发展提供重要支撑。”任晓乾介绍。

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