时间基准漫谈

2022-08-14 建筑新闻 170
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时间,与人们工作生活息息相关。人们上下班要按时,外出乘火车、飞机要按时,情人约会也要约定时间和地点。

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具有测距功能的全站仪(来自互联网)

时间,与测绘有着不解之缘。空间信息因时间的不同而发生变化;运动中的物体因时间的不同而有不同的空间位置;距离的量测,如电磁波测距,实际上就是测量时间,用时间乘以电磁波传播速度便计算出距离;通过时间测量,还可以推算出当地的经度等等。

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北斗导航卫星发射(来自互联网)

时间,在航天活动中的作用重大。各测控站所获得的信息必须依据统一的计时基准进行分析和处理,才具有使用价值。时间信号还用于控制程序仪器,完成火箭、导弹的点火和使仪器按程序工作。卫星导航系统的本质是一个时间测量系统,若卫星存在十亿分之一秒(1纳秒)的时间误差,则会产生0.3米的测距误差。因此,原子钟是卫星导航系统卫星的心脏,其精度直接决定着导航定位的精度。

时间,在军事上有重大的应用价值。统一的标准时间,是部队统一行动和快速反应的基础。各种车辆、舰艇、飞机、导弹和各种航天器的导航与定位,都离不开精确统一的时间标准。没有统一的、高精度的时间(同步),就不可能实现作战体系内军兵种和各种武器装备的协同作战,甚至关系到作战行动的成败。

因此,时间几乎无人不知。那么,什么是时间?有人说时间就是钟表上的读数,也有人说时间就是日出日落、四季更替……这些表述都没有错,但又不准确。时间是一个抽象的概念。理论上讲,时间是最基本物理量之一,是物质存在的一种基本形式,是描述物质运动的基础。1981年出版的《测绘词典》(上海辞书出版社)给出时间的定义是:表示物质运动过程的连续性和顺序性。在有关专业教材上给出时间的定义是:时间是人类用以描述物质运动或事件发生过程的一个参数,是指宏观一切具有不停止的连续性和不可逆性的物质状态的各种变化过程,具有共同性质的连续事件的度量衡的总称。时是对物质运动过程的描述,间是指人为的划分,时间也是思维对物质运动过程的分割或划分。

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建于兰州理工大学的日晷(作者拍摄)

远古的时候,人们通过日出日落来判断一天的早晚,即“日出而作,日落而息”,这是人类利用自然现象进行的最简单的计时 *** 。随着社会的进步和科技的发展,人们开始探索研究利用人造的工具来计时,于是逐步发明了日晷、机械表、石英钟、原子钟等计时工具,计时精度也越来越高。

日晷,是中国古人利用太阳在一天中的运动轨迹而测量时刻的一种计时仪器。日晷由晷盘和晷针组成。将晷盘以南高北低的方式置于石台之上,使之与赤道面平行,晷针垂直穿过晷盘中心。这样,晷针上端正好指向北天极,下端指向南天极。当太阳光照在日晷上时,晷针的影子就会投向晷面。随着太阳位置的变化,晷针在晷盘上的影子随之有规律发生变化,以此可计量时间。

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水运仪像台(来自互联网)

1090年,中国北宋宰相苏颂主持建造了一台水运仪象台。它具有较为复杂的齿轮传动结构,能报时打钟,其结构与现代机械钟表相似,每天的误差仅有1秒,可谓是机械钟的鼻祖。1656年,荷兰物理学家惠更斯制造出人类历史上的之一个钟摆。19世纪初,机械钟表小型化取得巨大进步,手表开始出现在人们的生活中。

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民用石英钟(作者拍摄)

1927年,加拿大科学家制造出世界上首台石英钟,其体积很大,但精度很高,每天误差约为0.1秒。其后,石英钟计时精度进一步提高,到了20世纪50年代一昼夜的误差只有万分之一秒左右。

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氢原子钟(来自互联网)

随着科学技术的飞速发展,在航空航天、测绘导航、通信等一些特定的科技领域,需要更稳定更精确的计时产品。于是,1949年世界上之一台原子钟在美国国家度量衡标准实验室诞生。根据不同原子的不同特性,人们又研制出铯原子钟、氢原子钟、铷原子钟等。2010年2月,美国国家标准技术研究院研制出铝离子光钟,其精度达到37亿年误差不超过1秒的水平,成为当时世界上最准的原子钟。随着科学技术的发展,精度更高的计时设备也不断出现。

时间计量包括两个方面:一是确定时刻,即某一事件发生的瞬间;二是确定时间间隔,即事物的某一过程所经历的时间长度。为使世界上有统一的计时系统,即时间基准或时间标准,由此产生了世界时、历书时、原子时、世界协调时等时间计量系统。

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英国格林尼治天文台(来自互联网)

世界时(UT),是以英国格林尼治天文台的子午线作为计量各地地理经度的起点,以格林尼治的平时作为全世界公用的时间标准。因此,又称为格林尼治时间。

1952年国际天文协会第八次会议决定,从1960年起,用历书时取代世界时作为国际通用的时间标准。历书时是以地球公转周期为依据建立的一种时间系统,由于观测误差较大,1967年被原子时所取代。

原子时(AT),是以物质内部原子运动特征为依据的时间计量系统,其起始时刻定义在1958年1月1日世界时0时0分0秒这一瞬间。1967年国际计量委员会决定把原子时的秒长作为国际单位制的时间单位。

全世界30多个国家的300多台原子钟,通过各种 *** 进行比对,再由国际计量局(1988年以前由国际时间局)进行归算,求出全世界统一的原子时,称为国际原子时(IAT)。后来发现,原子时与世界时相差0.0039秒。此后,原子时与世界时相互独立地计量。

原子时是以科学技术为基础定义的,人们感受不到原子时的存在。而世界时是以地球自转运动为基础定义的,人们可以真实感受到,如昼夜交替。为此,1972年产生了一种折衷的时间标准,称为协调世界时(UTC)。

协调世界时仍以地球运动为基础,但与原子时相协调。协调世界时是最主要的世界时间标准,采用原子时的秒长,但规定协调世界时的时刻与世界时的时刻保持在±0.9秒以内。如果时刻差将要超过0.9秒,就在协调世界时中减去或加上1秒,以减小两者的差距。这增加或减少1秒称为闰秒,闰秒调整由国际地球自转服务组织(IERS)决定。目前,全世界民用时指示的时刻就是协调世界时,世界上授时台发播的时号也大多是协调世界时时号。

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授时服务示意图(来自互联网)

有了统一的时间基(标)准,还需要把标准的时间频率信号传递给用户,即授时服务。用户钟经过与标准时间的比对,就可以实现时间同步。古代授时一般采用声音传递的 *** ,如通过击钟敲鼓向居民报时。过去,每当整点钟时,正在收听广播的收音机便会播出“嘟、嘟…”的响声,人们便以此校正自己钟表的快慢。随着科学技术的发展,现代授时 *** 有多种,如声音传递、电话传递、电视传递、无线电传递、卫星双向传递、卫星共视、光纤传递等。

目前,卫星双向传递、卫星共视和光纤传递是长距离高精度授时的主要手段。卫星双向时间传递,指比对的两个地面站同时向同一颗卫星发送和接收时间信号,由于信号发送和接收的路径基本相同,可有效地抵消时延误差,这是目前国际计量局(BIPM)组织的远距离时间比对精度更高的 *** ,其精度可达几百皮秒。卫星共视时间传递,就是两个位于不同地点的观测者,用时间接收机在同一时刻观测同一颗卫星同一时间信号中的同一标志,实现两地间的时间比对。目前,GPS共视时间传递技术在国际原子时(IAT)的国际合作中起了主要作用。光纤时间传递,就是将时间频率信号转换为光信号,通过光纤 *** 传输到远方,并将光信号复原为时间频率信号的一种时间传递技术。

传统的授时工作,一般由国家级的天文台负责。随着航天技术的发展,特别是卫星导航定位技术的发展,导航定位问题与时间基准紧密相关。由此,测绘导航部门为时间基准的维持与服务做了大量基础性工作。

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美国GPS授时服务示意图(来自互联网)

美国国防部发播的标准时间,是由美国海军天文台(USNO)负责维护的协调世界时。全球定位系统(GPS)是美国海军天文台向美国国防用户提供精确时间频率服务的基本手段。用户通过跟踪GPS卫星来获取GPS时间。GPS时间由GPS合成钟确定,它由GPS的星载原子钟和5个地面观测站的原子钟综合而成。目前,中国人民 *** 标准时间通过北斗卫星导航系统维持和发播。


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