从“观象授时”说起

　　上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

　　现代社会，人们在日常生活中如果需要知道时间，都会下意识的看看手机或者电脑上的时间。那古人没有手机、没有网络，怎么获取时间呢？

　　古人获取时间的方法，要从“观象授时”说起。即通过观测日月星辰的天象运转来确定时间。

　　图1. 北京古观象台（图源：北京天文馆）

　　我国授时的概念最早出现在《尚书·尧典》中“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授民时”。

图2. 《尚书·尧典》的记录（图源：作者）

　　春夏秋冬四季的轮回转变产生了“年”的概念，月亮的阴晴圆缺产生了“月”的概念，太阳的东升西落产生了“日”的概念。

图3. 月相的变化（图源：作者）

　　古人又将一日分为了十二个时辰，通过立杆测影，杆影每个时辰（2小时）移动30°，对应太阳每个时辰在天空中西移30°。所以看见太阳的位置，就可以确定时间，这也就是日晷的原理。每天正午日影的长度，也是不同的。日影最长的一天定为冬至日，日影最短的一天为夏至日，冬夏二至中点则为春分、秋分。

图4. 正午时的日晷（图源：作者）

　　当负责通报时辰的工作人员，通过日晷知道了时辰，如何让老百姓也知道现在是什么时候？应当劳作，还是宵禁？ 我国古人想到的办法是晨钟暮鼓。在钟鼓楼，晨钟暮鼓报时。早上敲钟，城门打开，开始劳作。晚上击鼓，宵禁开始，禁止随意走动。

图5. 报时钟鼓楼（图源：作者）

　　清末民国初年，随着城市的发展，晨钟暮鼓的声音已经不能很好的覆盖全城，这时候出现了午炮报时。北京德胜门东侧的城墙上有一座炮台，用来报时的“午炮”就架在那里。

图6. 夜晚北京的德胜门城楼（图源：网络）

　　炮台有电话与北京观象台连通。每当快到中午时，两个值班人员分工合作，一人守在电话旁，听电话里传来的指令，另一人则揭开炮衣，装好炮药，手持点燃的长香，站在炮位上静候指令下达。收到北京观象台通过电话发来的指令，炮台上的人就马上点燃炮药。午炮发出的轰鸣声响彻大街小巷时，人们就知道：现在是中午12点，赶忙对表矫正时间。

图7. 德胜门城楼上的古炮（图源：网络）

　　当中国人正在使用午炮报时的时候，欧洲人开发出另外一种落球的报时方式。最先进行落球报时的，是英国伦敦的格林尼治天文台。每天13点整，天文台钟楼顶端的圆球准时落下，附近海域停泊的船只据此调节船上的钟表，然后带着调好的钟表升帆出海。

图8. 格林尼治天文台红色落球报时（图源：作者）

　　进入现代后，随着工业革命的开始，人们对时间精度的要求越来越高，随着科技的进步，人们逐步使用电信号进行授时。 1902年，法国首先在巴黎艾菲尔铁塔顶层进行试验，发播长波无线电时号，呼号是FL，这次试验取得了成功。接着，德、英、美等国相继试验，收到良好效果。于是，一个崭新的无线电授时时代开启了。

图9. 通过艾菲尔铁塔发射授时信号（图源：作者）

　　我国主要在运行的无线电授时系统，有呼号为BPM的短波授时系统，呼号为BPL的长波授时系统，以及呼号为BPC的低频时码授时系统。

图10. BPM的授时精度为毫秒量级，信号覆盖半径超过3000公里（图源：作者）

图11. BPL的授时精度为微秒量级，信号覆盖半径超过1000公里。图中的BPL长波授时台模型彩车在1984年国庆35周年庆祝游行时通过天安门广场，接受党、国家领导人和全国人民检阅（图源：作者）

图12. BPC的授时精度为毫秒量级，信号覆盖半径超过1000公里，BPC主要应用于“电波钟表”（图源：作者）

　　现在人们熟知的卫星导航系统，实际也是一种授时系统。卫星提供的是授时信息，导航、定位信息则由接收机从授时信息导出。卫星导航系统的授时精度可达纳秒量级，是目前应用较广的一种授时系统。 现有的卫星导航系统主要有中国的北斗系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统以及欧洲Galileo系统。 目前授时精度较高的系统则为光纤授时系统。我国正在建设的重大科技基础设施“高精度地基授时系统”就是采用长波授时与光纤授时结合的方式覆盖全国。长波授时精度优于百纳秒，光纤授时精度优于百皮秒。

图13. 高精度地基授时系统建设示意图（图源：作者）

　　此外，人们在日常生活中接触比较多的授时方式是网络授时与电话授时，网络授时精度为秒级，常见的电脑和手机均通过网络获取时间；电话授时精度也为秒级，人们通过拨打电话02983895117，即可获得国家授时中心提供的电话语音报时服务。 我国的授时服务体系，经历了从无到有、从初级到较高级、从局域到全局的发展过程。目前，我国国家授时服务体系的建设和发展已经具备一定基础，可以满足国防、经济等行业对时间频率的基本需求。未来，我国的授时服务系统将建成多源互补、立体交叉、全域覆盖的体系，形成“星地互备，天空地一体化”的格局。

　　作者简介：

　　李实锋，中国科学院国家授时中心研究员，硕士生导师，主要从事授时方法与技术，时间同步，无线电导航等研究工作。

　　杨朝中，中国科学院国家授时中心副研究员，主要从事无线电授时、授时发播技术、授时发播系统建设等研究工作。