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从“观象授时”说起

来源:光明网2021-02-10 11:04

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  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。

 从“观象授时”说起 

  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”。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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)

从“观象授时”说起

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)

从“观象授时”说起

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。

从“观象授时”说起

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。

[ 责编:赵宇豪 ]
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