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　　在古都西安眾多名勝古跡中，鐘樓無疑是光彩奪目的一個(gè)。千百年來，這里的鐘聲一直是古人安排勞作和生活的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，這座鐘樓向東30千米，有一處幽靜的小院，我國現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——北京時(shí)間就從這里產(chǎn)生。

　　這里是中國科學(xué)院國家授時(shí)中心。由它運(yùn)行維護(hù)的長短波授時(shí)系統(tǒng)，承擔(dān)著我國高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務(wù)。

　　從華清池通往兵馬俑的秦唐大道上，可以看到國家授時(shí)中心的大門。這里高聳的現(xiàn)代鐘樓尤其引人注目。每到整點(diǎn)，清脆的報(bào)時(shí)聲就會(huì)響起。

　　授時(shí)系統(tǒng)多次升級

　　1964年，中國第一顆原子彈爆炸成功后，發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星就被提上日程。為滿足人造衛(wèi)星的高精度時(shí)間需要，又因關(guān)中地處我國中央，無線電授時(shí)信號能更好地覆蓋全國，1966年國家科委決定由中科院抓總在陜西省關(guān)中地區(qū)籌建短波授時(shí)臺(tái)。按照“靠山進(jìn)洞”的戰(zhàn)備要求，最終選址在陜西蒲城唐憲宗景陵山上。

　　短波授時(shí)臺(tái)建成后，滿足了毫秒量級用戶的需求。但是，隨著我國空間技術(shù)飛速發(fā)展和戰(zhàn)略武器試驗(yàn)的需要，需要更高精度的授時(shí)手段。

　　長波授時(shí)臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，它的精度是微秒量級，比短波臺(tái)授時(shí)精度提高了1000倍。

　　“面對國外的技術(shù)封鎖，老一輩科學(xué)家不畏艱難，協(xié)作攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，自主研制生產(chǎn)出了所有關(guān)鍵設(shè)備，國產(chǎn)化率達(dá)到了100%?！敝锌圃簢沂跁r(shí)中心黨委書記竇忠研究員自豪地說，當(dāng)時(shí)出于安全考慮，長波授時(shí)臺(tái)建在了地下，深度達(dá)26米，相當(dāng)于八九層樓，地上只有4座高聳的鐵塔承載著15噸的倒錐形天線體。

　　該項(xiàng)成果1988年獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。此后，長短波授時(shí)系統(tǒng)又經(jīng)多次改造升級，始終保持著國際先進(jìn)水平。

　　折中的協(xié)調(diào)世界時(shí)

　　我國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是北京所在的東八區(qū)的區(qū)時(shí)，比國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間早8個(gè)小時(shí)。國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），是世界時(shí)和原子時(shí)折中后的計(jì)時(shí)體系。

　　世界時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)確定的時(shí)間尺度，1秒是地球自轉(zhuǎn)周期的1/86400。

　　原子時(shí)是利用原子振蕩頻率確定的時(shí)間尺度。由于原子躍遷（電子從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道的不連續(xù)的過程）頻率具有高穩(wěn)定性，國際計(jì)量大會(huì)規(guī)定，銫原子的外層電子在兩個(gè)能級之間躍遷振蕩9192631770個(gè)周期持續(xù)的時(shí)間為1秒。

　　原子時(shí)精度比世界時(shí)高上千倍甚至上萬倍，原子時(shí)取代世界時(shí)似乎理所當(dāng)然。但是，如果完全使用原子時(shí)，由于地球自轉(zhuǎn)長期變慢，按照現(xiàn)在的速度，5000年差一個(gè)小時(shí)，30000年后凌晨零點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)太陽升起的現(xiàn)象。于是，科學(xué)家想到了一種“和稀泥”的辦法，這就是協(xié)調(diào)世界時(shí)。

　　它采用原子時(shí)的秒長，通過閏秒使協(xié)調(diào)世界時(shí)的時(shí)刻與世界時(shí)的時(shí)刻差保持在0.9秒以內(nèi)。如果時(shí)刻差超過1秒，就在協(xié)調(diào)世界時(shí)中減去或加上1秒。協(xié)調(diào)世界時(shí)作為全球的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，是零時(shí)區(qū)的時(shí)間，北京時(shí)間要加上8小時(shí)的時(shí)區(qū)差。

　　北京時(shí)間的發(fā)播

　　時(shí)間產(chǎn)生出來后，就可以授時(shí)了。竇忠介紹，用戶的需要不同，授時(shí)方式也不同：如果需要毫秒量級的時(shí)間，可以短波授時(shí)；如果需要微秒量級的時(shí)間，可以長波授時(shí)；如果需要十納秒量級的時(shí)間，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)可以滿足。

　　授時(shí)所用的長波和短波都是無線電波。短波的波長在10—100米之間，長波波長在1000—2000米之間，兩者都以地波和天波的方式傳播。地波指發(fā)射天線輻射出去后沿地表傳播的電波。而天波則是發(fā)射天線發(fā)出后在高空被電離層反射后到達(dá)接收點(diǎn)的電波。

　　短波地波傳播時(shí)衰減較大，覆蓋范圍只有幾十公里；而天波經(jīng)電離層多次反射可以傳播得很遠(yuǎn)，達(dá)到幾千公里甚至上萬公里，因此，短波授時(shí)以天波為主。但是，由于受電離層擾動(dòng)、大氣噪聲和多徑效應(yīng)等因素影響，短波授時(shí)的信號不穩(wěn)定。

　　與短波授時(shí)不同，長波授時(shí)以地波為主。長波地波沿著地表可以傳播得很遠(yuǎn)，尤其是滲透地層和海水的能力比較強(qiáng)。同時(shí)，由于地波場強(qiáng)和相位穩(wěn)定，長波授時(shí)的精度達(dá)到微秒量級，也就是百萬分之一秒。

　　我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行以后，長短波授時(shí)系統(tǒng)又有了新的拓展?！靶l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然是一種導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但導(dǎo)航定位的基本原理卻是時(shí)間測量?！备]忠說，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要有一套準(zhǔn)確可靠的時(shí)間頻率系統(tǒng)，也具有授時(shí)功能，并且是目前應(yīng)用最廣的授時(shí)系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)精度在十納秒量級?！暗牵l(wèi)星授時(shí)也有缺點(diǎn)，容易受到干擾和欺騙?！彼f。

　　時(shí)間為高精尖科技保駕護(hù)航

　　目前，高精度時(shí)間已經(jīng)成為一個(gè)國家科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)生活中至關(guān)重要的參量，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、電力、通信、航空、國防等領(lǐng)域，作為最基本的物理量，對提升國家科研水平也有基礎(chǔ)性作用。

　　事實(shí)上，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)基于測量時(shí)間差的測距定位系統(tǒng)，人們在導(dǎo)航時(shí)用到的位置和速度信息就是通過測量時(shí)間獲得的。

　　“時(shí)間的毫厘之差，會(huì)帶來距離的千里之謬。百萬分之一秒的時(shí)間測量誤差，就會(huì)導(dǎo)致測距誤差300米。”竇忠說。

　　高精度時(shí)間在電力系統(tǒng)中也有著廣泛應(yīng)用。大量發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電就需要保持高度時(shí)間同步，并網(wǎng)主要設(shè)備的時(shí)間要同步到微秒量級。同時(shí)，時(shí)間也可以充當(dāng)輸電線上的偵察兵?！氨热纾邏狠旊娋€不幸被雷擊中，高精度時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)對故障點(diǎn)的快速定位。”竇忠說。

　　竇忠介紹，當(dāng)前炙手可熱的5G通訊也需要高精度時(shí)間來保駕護(hù)航，沒有時(shí)間同步就無法實(shí)現(xiàn)通訊，5G基站有著非常高的時(shí)間同步要求，精度要達(dá)到十幾個(gè)納秒。

　　長短波授時(shí)系統(tǒng)所建立的時(shí)間基準(zhǔn)，是北京時(shí)間的源頭，也是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間溯源系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，成為國家的一個(gè)戰(zhàn)略資源。

　　（原載于《科技日報(bào)》 2019-03-26 01版）