在國家授時中心時頻基準實驗室，科研人員在記錄時間比對數(shù)據(jù)
國家授時中心BPM天線群。本報記者 張梅文/圖
“現(xiàn)在是北京時間……”
每當聽到這熟悉的聲音，你可曾想過，北京時間并非來自北京，而是來自內陸腹地的陜西——中國科學院國家授時中心。
國家授時中心是我國唯一專門從事時間頻率科學和技術科研的機構。由它運行維護的長短波授時系統(tǒng)，是目前在陜唯一的國家重大科技基礎設施，承擔著我國高精度標準時間的產生、保持和發(fā)播任務。
6月下旬，記者走進國家授時中心臨潼總部、蒲城分部以及昊平觀測站，聽科研人員講述有關時間的故事。
不斷升級的授時系統(tǒng)
20世紀60年代，由于大規(guī)模經濟建設和國防建設需要，國家決定在我國內陸腹地建設一個專用授時臺。1966年，中國科學院開始籌建短波授時臺。按照“靠山進洞”的戰(zhàn)備要求，短波授時臺最終選址在蒲城唐憲宗景陵山上。
1970年短波授時臺基本建成，經周恩來總理親自批示開始試播，呼號為BMP。“BMP短波授時臺用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz等幾個頻率廣播我國的標準時間和標準頻率信息，授時精度為毫秒（千分之一秒）量級?！痹兾魈煳呐_（國家授時中心前身）臺長漆貫榮研究員介紹，1981年起，陜西天文臺短波授時臺替代上海天文臺的BPV授時臺，正式承擔我國短波授時任務。
短波授時臺建成后，滿足了毫秒量級用戶的需求。但是，隨著我國空間技術飛速發(fā)展和國防試驗的需求，需要更高精度的授時手段。長波授時臺應運而生，它的精度是微秒（百萬分之一秒）量級，比短波授時臺授時精度提高了1000倍。
1973年開始，長波授時臺正式啟動研制建設，1983年系統(tǒng)聯(lián)調成功，1985年開始全功率發(fā)播。1986年，長波授時臺通過國家級技術鑒定后，正式發(fā)播標準時間、標準頻率信號。長波授時臺每天定時發(fā)播載頻為100KHz的高精度長波時頻信號，地波作用1000公里，天地波結合，覆蓋全國陸地和近海海域，授時精度為微秒量級。
“面對國外的技術封鎖，老一輩科學家不畏艱難，協(xié)作攻克了一個個技術難關，自主研制生產出了所有關鍵設備，國產化率達到了100%。”國家授時中心黨委書記竇忠介紹，當時出于安全考慮，長波授時臺建在了地下，深度達26米，相當于八九層樓，地上只有4座高聳的鐵塔承載著15噸的倒錐形天線體。
該項成果1988年獲國家科技進步獎一等獎。此后，長短波授時系統(tǒng)又經多次改造升級，始終保持著國際先進水平。
北京時間的發(fā)播
北京時間是我國的標準時間，它采用了地球東八區(qū)的區(qū)時，比國際標準時間早8個小時。國際標準時間稱為協(xié)調世界時（UTC），是一種世界時和原子時折中后的計時體系。
世界時是以地球自轉周期為基礎確定的時間尺度，1秒是地球自轉周期的1/86400。原子時是以物質的原子內部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準的時間計量系統(tǒng)。原子時精度比世界時高上千倍甚至上萬倍。但是，由于地球自轉是不穩(wěn)定的，根據(jù)地球自轉制定的世界時就會有誤差?！鞍凑宅F(xiàn)在的速度，5000年差1個小時，3萬年后零點就可能出現(xiàn)太陽升起的現(xiàn)象。因此，科學家創(chuàng)造出了一種兼顧這兩種時間特性的時間尺度——協(xié)調世界時。協(xié)調世界時是全球統(tǒng)一的國際標準時間，大家的時間都要與協(xié)調世界時對準?！睍r頻基準實驗室研究人員趙書紅介紹。
協(xié)調世界時由設在法國巴黎的國際權度局（BIPM）產生。每個月的1日，國際權度局開始收集上個月全世界的原子鐘數(shù)據(jù)，對全世界的原子鐘進行加權平均，計算出國際原子時，加上閏秒，調整以后就得到上個月全球的標準時間。協(xié)調世界時一般在當月15日左右發(fā)布，只是一個紙面的時間，只能解決事后對表的問題，不能直接使用。
為了解決實際應用對標準時間的需要，每個國家都指定守時實驗室產生協(xié)調世界時的物理實現(xiàn)。我國的標準時間便是由國家授時中心產生和保持的。
時間產生出來后，就可以授時了。趙書紅介紹，用戶的需要不同，授時方式也不同：如果需要毫秒量級的時間，可以短波授時；如果需要微秒量級的時間，可以長波授時；如果需要十納秒（十億分之一秒）量級的時間，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時可以滿足。
授時所用的長波和短波都是無線電波。短波的波長在10米到100米之間，長波波長在1000米到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接收點的電波。
我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行以后，長短波授時系統(tǒng)又有了新的拓展。據(jù)國家授時中心科技處副處長任曉乾介紹，衛(wèi)星導航系統(tǒng)雖然是一種導航定位系統(tǒng)，但導航定位的基本原理卻是時間測量。因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)需要有一套準確可靠的時間頻率系統(tǒng)，也具有授時功能，它的授時精度在十納秒量級。
諸多科研領域的基礎
高精度的時間不僅在通信、證券、航空、國防等領域具有重要意義，作為最基本的物理量，對提升國家科研水平也有著基礎性作用?！皶r間的毫厘之差，會帶來距離的千里之謬。比如飛船對接，一旦測控系統(tǒng)時間差百萬分之一秒，就會出現(xiàn)300米的距離偏差。”漆貫榮介紹說。
時間科學作為諸多科學研究的基礎，具有廣泛的應用。在電力系統(tǒng)中，大量發(fā)電機并網發(fā)電需要保持高度時間同步，并網主要設備的時間要同步到微秒量級。同時，時間也可以充當輸電線上的偵察兵。“比如，高壓輸電線不幸被雷擊中，高精度時間就可以實現(xiàn)對故障點的快速定位?！睍r間科普館工作人員周先林介紹。
5G通信也需要高精度時間來保駕護航。“沒有時間同步就無法實現(xiàn)通信，5G基站有著非常高的時間同步要求，精度要達到十幾個納秒?！敝芟攘终f。
為進一步提高我國授時系統(tǒng)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(tǒng)獲得國家批準立項。2019年，高精度地基授時系統(tǒng)項目在西安啟動建設，計劃2023年建成。
“該項目是陜西省‘十三五’期間唯一牽頭建設的國家重大科技基礎設施項目，建成后西安將成為我國時間頻率科學研究、創(chuàng)新、發(fā)展的中心。”竇忠介紹，高精度地基授時系統(tǒng)建設的全國光纖授時骨干網將實現(xiàn)國際最高水平的時間同步能力，為數(shù)字信息化發(fā)展提供重要支撐。
