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【中國社會科學網】從觀象授時到北鬥衛星精准授時

發表日期:2020-07-15來源:中國社會科學網放大 縮小

  中國社會科學網訊(記者陸航)時間是人類文明曆史的主線,人類在時間觀念裏創造了人類曆史。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,成功發射北鬥系統第五十五顆導航衛星的同時,也標志著北鬥三號全球衛星導航系統星座部署全面完成,全球組網後即將提供全天候、高精度的全球定位導航和精准授時服務。衛星導航授時系統作爲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,還是社會生産、日常生活,都具有極其重要的戰略意義。 

  人類的時間觀念來源于人類對自然的觀察,從時間觀念裏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爲明顯的天象變化,産生了對“日”的感性認識;從月亮由圓變缺,再由缺變圓,于是逐漸産生了“月”的概念。通過對“物候”和季節時令的觀察逐漸産生了“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爲,“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“曆象日月星辰,敬授人時”。 

  “古人觀測天象的目的在于確定時間,從而爲農業生産提供服務”。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,並據此確定空間和時間,産生了原始的曆法;他們可以觀測北鬥和二十八宿星象,這意味著中國天文學的二十八宿體系及以五宮爲框架的天文體系都已建立。馮時認爲,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。該遺址年代約爲公元前4500年,以45號墓爲中心,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胫骨擺出的北鬥造型,這些設計使墓中的蚌塑圖像組成了一幅包括北鬥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。進入工業革命後,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台獲得的標准時間,發射波長是2000米,主要用來校准海船上的時鍾。1913年,發射波長增加到了2500米。 

  原名陕西天文台的中國科學院国家授时中心,成立于1966年。中国现代的标准时间——北京时间,就是在这里产生,再通过70公里外的陕西蒲城长短波授时发播系统发出的。1966年国家科委批准开始筹建授时台,1970年基本建成,发播BPM短波无线电时号。1973年4月,国家决定增设长波授时台,1985年完成发射系统建设,1986年正式开始我国的长波授时服务。 

  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,就讓北鬥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、擺鍾,以及近現代的電子表、石英鍾、電波鍾、原子鍾等,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鍾組,負責確定和保持我國原子時標准和協調世界時標准。 

  一个国家的精准时间,与国计民生、科研国防息息相关,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。面对国际上风云变幻的局势,作为一个独立自主的大国,建立中国自己的星基导航定位和授时系统无论对于保障国民经济的日常运作或国家安全都至关重要。将北斗定位精度从米级提高到厘米级水平就是位于陕西临潼的中國科學院国家授时中心创新完成的。 

  “北斗卫星本身是我们国家的一个授时系统,我们叫北斗卫星导航系统,但是它有三个服务性能:一是定位,二是导航,三是授时。”中國科學院国家授时中心副主任卢晓春告诉记者,北斗系统的授时、定位、导航功能,基本原理是时间测量。百万分之一秒的时间测量误差,就会导致定位误差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,這一整套系統稱爲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,授時服務已經成爲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;電力網爲有效傳輸和分配電力,對時間和頻率提出了嚴格的要求。北鬥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。在全球範圍內,北鬥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。 

  位于骊山脚下的中國科學院国家授时中心,是我国唯一全面专业从事时间频率科學研究和授时服务的科研機構。在国家授时中心的时频基准重點實驗室,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震荡频率来计时,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。这里是中国的时间源头。 

  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,具有授时功能,它的授时精度在十纳秒量级。国家授时中心科技處负责人任晓乾介绍,世界时是以地球自转为基础的时间计量系统,然而它并不是均匀的系统,随着地球自转速度变慢,世界时就和稳定的原子时之间产生误差,就必须通过人工调节的方式使两者协调一致,就产生了协调世界时(UTC),北京时间就是授时中心每天与国际上近80个实验室比对产生的。北斗三号卫星上的星载铷原子钟是中國科學院精密测量科学与技术创新研究院(原武汉物理与数学研究所)研制的第三代产品——甚高精度星载铷原子钟,其精度可以达到每天100亿分之5秒,处于国际领先水平。 

  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,有力支撐著北鬥系統的建設和運行。 

  國家授時中心還長期負責北鬥衛星信號質量監測工作,自主研發建成了全球首個以40米天線爲核心的北鬥空間信號質量評估系統,評估結果已成爲北鬥衛星入網與在軌故障診斷的重要判據和分析依據,實現了對北鬥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“北鬥一帶一路高精度位置與時間服務中心”,將北鬥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範裝置。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,爲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。 

  
http://news.cssn.cn/zx/bwyc/202007/t20200715_5155641.shtml?COLLCC=1467756178
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