到底什么是“授时”？它为什么重要？

10月19日，国家安全机关发布公告称，掌握了美国国家安全局网络攻击入侵中国国家授时中心的铁证。

其中提到——

2022年起，美方就利用某境外品牌手机短信服务漏洞，秘密网攻控制国家授时中心多名工作人员的手机终端，窃取手机内存储的敏感资料。2023年8月至2024年6月，美方更是动用42款特种网攻武器，以国家级的力度，大规模攻击我国家授时中心，并伺机进一步渗透至高精度地基授时系统。

那么，到底什么是“授时”？国家授时中心，又是干什么用的？

接下来，我们深入了解一下：

▉什么是“授时”

时间，是世界上最宝贵的东西。从很早开始，人类就有了时间的概念。

大家应该记得，古装剧里，一天被分为十二个时辰。入夜之后，每隔一个时辰，就会有打更人一边敲击梆子，一边吆喝：“天干物燥，小心火烛！”

当时，有一群“公务员”，他们通过圭表、日晷等工具确认时间，然后通过敲钟、击鼓、打更等方式，将时间信息传递给周边居民。

在皇帝身边，还有一群职位更高的星象学专家。他们负责夜观天象、制定历法，指导农民按时进行播种、施肥和收获。

历史上对这种建立时间标准、传递时间信息的行为，称为“敬记天时，以授民也”。缩写一下，也就是“授时”。

国外呢，则将这种行为叫做时间服务，也就是Time Service。

▉ 时间系统的演进

到了17~19世纪，随着人类机械工艺的不断精进，出现了精密的计时仪器——钟表。

钟表的迅速普及，改变了人们的时间观念，也推动了社会的发展和进步。

进入20世纪后，电子工业迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、石英电子钟表相继问世。钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期，每日误差逐渐被控制在0.5秒以内。

与此同时，人类对时间的认知也进入了全新阶段，逐步建立了“时间系统”的概念。

时间系统，也称为时间频率基准。说白了，就是如何衡量时间。

常见的时间系统包括三种，分别是：

• 以地球自转周期为基准的世界时（Universal Time，UT）

• 以地球绕太阳公转周期为基准的历书时（Ephemeris Time，ET）

• 以物质内部原子（例如铯原子）发射的电磁振荡频率为基准的原子时（Atomic time，AT）

世界时存在不均匀性，历书时测量精度低。所以，1967年第13届世界度量衡会议上，各国代表投票决定：采用原子时取代历书时，作为基本时间计量系统。原子时的秒长，被规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。

目前国际通用的标准时间，叫做协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC），也称“世界标准时间”。它是原子时和世界时的结合，以原子时的秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时。

我们都知道，地球根据经度分为24个时区。我们中国虽然地跨5个时区，但统一采用“北京时间”，也就是“UTC+8”时区。

我们国家所处的时区

▉ 授时的具体方式

计时工具和时间系统发生了巨变，授时方式当然也要跟着变。

在陕西临潼的中国科学院国家授时中心（NTSC），就是我国时间频率研究和授时服务的核心机构。这里专门负责产生、保持和发播中国的国家标准时间（北京时间），具有极其重要的战略作用。

陕西西安位于中国腹地，地质构造稳定，非常适合建设授时中心。

国家授时中心提供很多种现代授时方式，具体如下：

1.短波授时

采用波长在100m～10m（频率：3MHz～30MHz）的短波无线电进行授时。

国家授时中心的授时台，设置在陕西蒲城。这里的短波电台会使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz频率，全天连续发播我国短波无线电时号，呼号为BPM。

短波授时信号通过天波和地波传输。地波可以传输100公里，天波的话，覆盖半径超过3000公里，基本覆盖全国疆域，授时精度为毫秒量级。

天波和地波

2.长波授时

采用波长在10km-1km（频率：30KHz～300KHz）的长波无线电进行授时。

国家授时中心的长波电台呼号为BPL，发射频率为100KHz。

长波授时信号的地波作用距离为1000-2000公里，天波信号为3000公里，基本覆盖我国内陆及近海海域，授时精度为微秒量级。

3.低频时码授时

低频时码授时属于一种特殊的长波授时，它适用于区域性的标准时间频率传输。

国家授时中心采用载频为68.5KHz的连续波时码授时体制技术。

我们常见的电波钟/电波表，就可以接收这种信号，自动进行时间校对，精度可以达到30万年误差不超过1秒。

电波表

4.电话授时

利用电话网络传送标准时间，称为电话授时。

例如，通过专用电话时码接收机，拨打国家授时中心的服务专线电话，即可自动获得标准北京时间显示和输出，授时精度10毫秒。

5.电视授时

这可不是指每天19点的新闻联播报时。

大家应该都不会想到，其实中央电视台在自家的电视信号中，“偷偷”插入了由原子钟提供的时间信息。用户设备接收电视信号后，加以改正，便可实现定时，精度约为10微秒。

6.网络授时

我们电脑上经常使用的NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），就是网络授时。

只要设置了目标NTP服务器的IP地址，本地计算机就可以实现时间同步。

NTP配置界面

7.卫星授时

前面我们介绍的都是地基的授时方式。接下来，我们来看看现在最流行的天基授时方式，也就是——“卫星授时”。

我们每天都会用到百度、高德这样的导航和定位App。大家应该也知道，这些App之所以能实现导航和定位，是因为有GNSS系统（全球导航卫星系统）。

美国的GPS、中国的北斗（BDS）、欧洲的伽利略，都属于GNSS系统。

很多人并不知道，GNSS系统除了定位和导航之外，还有一个非常重要的功能，那就是——授时。

GNSS三大核心能力，通常简称为PVT，也就是Position（位置）、Velocity（速度）和Time（时间）。

那么，GNSS是如何实现授时的呢？

在每一颗GNSS卫星上，都配备有原子钟。这就使得发送的卫星信号中包含有精确的时间数据。通过专用接收机或者GNSS授时模组，可以对这些信号加以解码，就能快速地将设备与原子钟进行时间同步。

星载原子钟

相比于前面所说的长波、短波、网络等授时技术，GNSS卫星授时拥有明显的技术优势。

首先，GNSS授时的精度更高。

以北斗为例。北斗卫星导航系统的时间，叫做BDT。BDT属原子时，可以溯源到我国国家授时中心的协调世界时UTC，与UTC的时差控制准确度小于100ns。

各授时方式的授时精度对比

除了精度之外，GNSS卫星授时还有先天的覆盖优势。

长波、短波地基授时，都有物理传播距离的限制。如果遇到高山等环境阻隔，传播距离将进一步缩小。

而GNSS卫星授时在覆盖能力上明显要强得多。尤其是针对远洋航海及航空航天场景，GNSS卫星授时更是优势明显。

▉ 授时服务的重要性

说了半天，我们为什么需要精度这么高的授时服务呢？难道只是为了方便网购秒杀吗？

当然不是。

以我们人类的生理极限，毫秒级精度的授时，就已经足够用了。像GNSS这样的高精度授时，主要用于航空航天、电力、金融、通信、交通以及国防军事等领域。

人类竞技运动，一般只精确到毫秒级

最早期的高精度授时应用需求，来自航空航天。

航空航天飞行器，往往以极高的速度飞行。如果没有精准的时间同步，就无法对飞行器的准确位置进行确认。

尤其是太空对接等场景，如果两个飞行器的时间不同步，那么距离就会差之千里，飞行姿态也会存在巨大误差，最终导致严重事故。

再看看电力行业。

我们所使用的交流电，电流方向是随时间变化的。当不同的电网设备进行并网时，如果时间不一致，你波峰波谷就不一致，轻则带来多余的能量损耗，重则直接短路，毁坏设备，瘫痪电网，造成大规模停电。

还有金融领域。

现在我们都是数字化金融，所有的交易都通过电脑和网络进行。系统时间不同步，很可能导致交易失败，在瞬息万变的市场中错过机会。不同步的时间，也有可能被黑客利用，给系统带来安全隐患。

通信系统，同样离不开高精度授时的支持。

通信基站的切换、漫游需要精准的时间控制，对同步精度的要求高，也需要足够的稳定性。

现在广泛使用的5G，基本上也是采用TDD（时分复用）模式，对时间同步的要求更高，系统时间同步要求在±1.5μs。如果通信设备之间时间不同步，将影响时隙和帧，进而影响业务的正常进行。

除了上述行业之外，包括交通调度、地理测绘、防震减灾、气象监测等各个领域，都对高精度时间同步有刚性需求。

▉ 最后的话

总而言之，高精度时间是国家关键的战略资源，对于经济运转、社会秩序和国防安全有着极为重要的作用。

负责提供国家级授时服务的国家授时中心，重要性也因此不言而喻。

值得一提的是，除了提供基础授时服务外，国家授时中心还承担了很多科研任务。中心拥有 量子频标研究室、守时理论与方法研究室、时间频率基准实验室等多个研究单元，专注于新型原子钟（如光钟）、高精度时间传递、导航通信等前沿技术的研发。

美国国家安全局（NSA）对国家授时中心发起网络攻击，是一次针对我们国家关键基础设施的严重威胁行为，非常可耻，也非常卑鄙。

虽然攻击最终未能得逞，我们也需要敲响警钟。此次事件暴露出国内关键信息基础设施面临的复杂安全挑战，亟需构建更严密的防御体系，进行应对。强化技术防护手段、完善应急响应机制、提升人员安全素养，都是非常必要的举措。

保卫“北京时间”，将是一个长期使命！

来源：鲜枣课堂

编辑：endlesscliff

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号