从观象授时到北斗卫星精准授时

 中国社会科学网讯（记者陆航）

   时间是人类文明历史的主线，人类在时间观念里创造了人类历史。6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星的同时，也标志着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成，全球组网后即将提供全天候、高精度的全球定位导航和精准授时服务。卫星导航授时系统作为一个国家重要的空间信息基础设施，是一个国家自主和安全的保障基础，无论是对于国防，还是社会生产、日常生活，都具有极其重要的战略意义。

   人类的时间观念来源于人类对自然的观察，从时间观念里我们了解了生命的自然规律以及生命规律甚至宇宙规律。古人“日出而作，日落而息”，从太阳出没、昼夜明暗交替的这种最为明显的天象变化，产生了对“日”的感性认识；从月亮由圆变缺，再由缺变圆，于是逐渐产生了“月”的概念。通过对“物候”和季节时令的观察逐渐产生了“年”的概念。这一切构成了远古时代“观象授时”非常丰富的内容。神话研究学者、上海交通大学资深教授叶舒宪认为，“观象授时”就是观测日、月、星辰在天空中的位置变化来确定日、月、年。在我国的神话传说中有许多关于羲和的传说。《尚书·尧典》载，羲和是负责观象授时、确定时间的官员，专管“历象日月星辰，敬授人时”。

   “古人观测天象的目的在于确定时间，从而为农业生产提供服务”。中国社会科学院学部委员、中国社会科学院研究生院教授冯时表示，中国先民在公元前5000年已学会了立表测影，并据此确定空间和时间，产生了原始的历法；他们可以观测北斗和二十八宿星象，这意味着中国天文学的二十八宿体系及以五宫为框架的天文体系都已建立。冯时认为，事死如事生的丧葬理念使古人通过墓葬的设计再现墓主生前的现实世界，因而河南濮阳西水坡原始宗教遗存的天文考古学研究对中国文明起源的探索具有特别的意义。该遗址年代约为公元前4500年，以45号墓为中心，在南北约百米的区域内，自北而南沿子午线等间距分布了四组遗存。最北的45号墓葬有墓主，墓主的东西两侧则分别摆放了蚌塑的龙虎，虎腹部位还有一堆蚌壳，表现二十八宿东西二宫的主要星象，而于墓主人足端又有以蚌塑配以人的胫骨摆出的北斗造型，这些设计使墓中的蚌塑图像组成了一幅包括北斗和二十八宿龙虎星象及大火星的天文图，其内容与湖北随州出土的公元前5世纪初的曾侯乙墓二十八宿漆箱盖面星象图完全相同。

   时间、空间、质量合称宇宙三要素，质量是三要素中的原生要素，没有质量就没有空间，没有空间就没有时间。时间是人类认识世界的一把标尺。人类的生活需要时间来将其有序化。每一个时代的计时工具，都代表着这个时代最高的科技水平。进入工业革命后，人类利用无线电授时。1910年，法国率先在埃菲尔铁塔顶端使用长波无线电信号发射器进行报时，每天两次广播从巴黎天文台获得的标准时间，发射波长是2000米，主要用来校准海船上的时钟。1913年，发射波长增加到了2500米。

   原名陕西天文台的中国科学院国家授时中心，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。

   现代授时手段已经多样化，比如长短波授时、低频时码授时、互联网授时、卫星单向授时、卫星双向时间传递、光纤传递等，授时的方法不同，授时精度也就有所不同。国家授时中心根据用户的需要，进行不同的授时方式，如果需要毫秒量级的时间，就用短波授时；如果需要微秒量级的时间，可以长波授时；如果需要十纳秒量级的时间，就让北斗卫星导航系统完成授时。在授时中心的时间科学馆，展示着从古到今的各种计时工具。比如较早的圭表、日晷、滴漏、定时蜡、沙漏、摆钟，以及近现代的电子表、石英钟、电波钟、原子钟等，种种展品展现出人类对精细计时的不懈追求。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。

   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国科学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。”中国科学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。

   确定、保持某种时间尺度，通过一定方式把这种尺度的时间信息传送出去，供应用者使用，这一整套系统称为授时系统或时间服务系统。随着人类社会的发展和科学技术的进步，授时的规模和质量在不断提高，授时技术取得了重大进展，授时服务已经成为国计民生中不可或缺的公益工程。移动通信需要精密授时以确保基站的同步运行；电力网为有效传输和分配电力，对时间和频率提出了严格的要求。北斗卫星导航系统的授时服务可有效应用于通信、电力和金融系统，确保系统安全稳定运行。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。1纳秒等于十亿分之一秒。　

   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。国家授时中心科技处负责人任晓乾介绍，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国科学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，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，有力支撑着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的监测与评估。

   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，也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。

   据悉，为进一步提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度，由国家授时中心建议的“十三五”国家重大科技基础设施项目——高精度地基授时系统计划2020年底在西安开工建设，预计五年内建成。