寫在前面 從早上醒來到上班下班、 再到晚上睡著的前一秒， 你每天問的最多的問題是什么？ 是不是——現在幾點了？

我們可以通過鐘表、手機、電腦、廣播以及新聞聯播等方式來獲取時間信息（北京時間），那大家有沒有想過，這些時間信息又是從哪里來的呢？為啥我們隨時隨地都能獲取準確的時間信息呢？今天咱們來聊一聊授時。

北斗是怎么進行定位導航的呢？

實際上，導航衛星（如北斗）提供的是授時信息，手機從授時信息中導出位置信息，導航APP再根據位置信息提供日常的定位、導航功能。

大家對導航定位都比較熟悉了，那么授時是什么呢？

授時是什么？

授時就是傳遞時間信息，嚴格來說就是將某一標準時間信號傳遞給需要時間信息的用戶（包括手機、電腦、電視機等），以使得整個系統的時間同步。

就好比，當你發現你手機的時間比公司打卡機的時間慢了2秒，為了每天能準時打卡上班，你把手機的時間校準成公司打卡機的時間，這個過程就是一種授時。

授時對整個人類社會都有著至關重要的作用，堪比秦始皇統一度量衡。如果沒有準確的授時，人們將無法合理的安排生產生活，人類社會也必然陷入混亂。比如同樣是標準時間早上10點，手機慢3小時的人可能還在睡覺，手機快3小時的人已經上了半天班了。有的人是上班的時間，有的人是吃飯的時間，有的人是睡覺的時間，就會一片混亂。所以我們需要授時，需要一個統一的標準時間，授時技術也伴隨著我們人類社會在不斷發展。

授時技術在社會中的發展歷程

授時技術在一定程度上體現人類社會的活動范圍、科學技術的整體水平。不同授時方式的變革與該時期的社會發展、科技進步息息相關。

在生產力低下、科技不發達的古代，就出現過許多不同的授時方式。

1.晨鐘暮鼓與打更報時

“以鐘鼓司晨”的歷史由來已久。漢唐時期，古都長安（陜西西安的古稱）就存在鐘樓和鼓樓。早晨敲鐘，城門打開，一天的生活開始。夜晚擊鼓，宵禁實行，所有人禁止隨意走動。每個時辰都有不同鐘聲和鼓聲提醒人們時間，可以很好地為一座都城提供報時服務。

“咚！咚！咚！關好門窗，天干物燥，小心火燭！”，這就是古代打更的作用——提醒防火防盜。其實打更還有另一重要作用——報時，更夫們在每一更用敲梆子的方式告訴人們時間。人們根據更夫不同的打更聲就可獲取時間信息。

2.午炮報時與落球報時

明清兩朝北京城內曾采用午時鳴炮取代鐘鼓。人們依靠“午炮報時”安排生活：工人聽到午炮下班，戲園子聽到午炮拉幕開戲。兩尊炮設在宣武門城樓上，人稱“宣武響炮”。午時鳴炮一直延續到20世紀30年代，最終因費用過高而取消。

17世紀后，航海業發展迅速，對報時要求越來越高。由于不同時間的海潮高度是不相同的，利用精確時間可以知道船只位置，避免觸礁。“落球報時”便應運而生。它是利用碼頭、港口等地的高竿并掛上圓球，根據規定時刻升降圓球，人們就可根據圓球的高度和降落瞬間來調節船上鐘表。

英國格林尼治落球報時

雖然古代的許多授時方式都因自身的局限性而逐漸被完全取代，但是，毋庸置疑，這些方式一度成為當時不可或缺的授時手段。再次印證，傳遞時間信息，真的太重要了！

到了20 世紀初期，隨著社會不斷進步，人們開始利用掌握的通信手段和技術實現授時。

3.無線電授時

隨著無線電進入實用階段，古老的授時方式逐漸被取代，人們開始了一個嶄新的時代——無線電授時。無線電授時方式分為長波、短波和低頻時碼等。

長波授時：長波是頻率在30千赫茲-300千赫茲、波長在1千米~10千米的無線電波，其可通過地波（大地傳導）和天波（電離層反射）傳播。1910年，法國人首次在舉世聞名的埃菲爾鐵塔頂端選用長波無線電信號發射器實現報時。

短波授時：短波是波長在10米~100米的無線電波，也可通過地波和天波傳播，其傳播距離可達幾萬公里。美國曾在1920年嘗試短波授時試驗，并于1923年開始實施短波授時。

低頻時碼授時：低頻時碼授時系統通常是指工作頻率在30千赫茲-300千赫茲的一類特殊的長波授時系統，利用微電子技術，具有傳輸穩定、覆蓋范圍廣泛的特性。日常的電波掛鐘、電波手表就是采用該授時方式。

目前，我國已分別建成BPL長波授時系統、BPM短波授時系統和BPC低頻時碼授時系統，從而滿足人們對無線電授時的需求。

4.網絡授時

如今網絡已“飛入尋常百姓家”，網絡授時就是利用網絡時間協議（NTP, Network Time Protocol），自動修正同步用戶的計算機時間，為用戶提供授時服務。在Windows 10的日期和時間界面上，通過更改設置選中Internet時間服務器即可。智能手機也可通過設置來獲取網絡提供的授時服務。雖然網絡授時的精確度在10ms左右，但是對于日常生活來說已經足夠了。我們無需任何操作，就可以隨時隨地查看時間。

5.衛星授時

許多現代的授時方式給人們生活帶來深刻影響和變化。隨著人類將目光轉向未知的太空，我們也迎來了目前普遍使用的授時方式——衛星授時。

顧名思義，衛星授時就是一種利用人造衛星發播標準時間信息的授時方式。衛星授時也是目前最新、精度最高的授時方式。它的出現給各個需要精密時間的領域帶來質的飛躍。全球存在四種衛星授時的系統：

美國的GPS系統

俄羅斯的GLONASS系統

歐盟的伽利略系統

中國的北斗系統

北斗三號系統的授時參數：在全球范圍內，北斗系統的授時精度優于20納秒；在亞太地區，授時精度優于10納秒，即億分之一秒。

現代主要授時手段的比較

（1秒=103毫秒=106微秒=109納秒）

北斗衛星怎么授時？

北斗授時系統傳遞的是國家授時中心發播的標準時間信號，也就是目前國際通用的標準時間——協調世界時（Universal Time Coordinated，UTC）。

北斗授時的精度可以達到10納秒的量級，要實現如此高精度的時間測量，只有原子鐘能做到。原子鐘是目前世界上最精密的計時裝置，精密到幾百萬年才差1秒！而我們平時用的鐘表，精度高的每天也會有0.1秒左右的誤差。在衛星導航系統中，如果時間測量有1秒誤差，就意味著定位會偏離30萬公里！

北斗導航衛星上配有星載原子鐘，以確保北斗授時系統有精確的時間源。導航衛星將攜帶了精確標準時間信息及衛星位置信息的信號發播出去，接收機通過解算自己和衛星的鐘差，就可以修正本地時間，完成授時。

對于動態移動中的用戶，在完成授時的同時需要獲得其位置信息。我們知道，距離等于速度乘以時間。無線電傳播速度（光速c）已知，通過測量無線信號從衛星發射到用戶的時間，就可以得到衛星與用戶之間的距離。

假設在由北斗衛星搭建的星地坐標系中，用戶的位置坐標是（x,y,z），加上信號接收時間T，總共有4個未知數。因此只要集齊4顆北斗衛星，就能精確解算出用戶接收機接收信號時在該星地坐標系中的位置和標準時間啦~

如果接收機的位置固定且已知，則只需要一顆衛星就能完成精準授時。衛星數量越多，時間測量越精密，位置計算也就越精確。而我們頭頂上，一般至少有8顆以上的北斗衛星在運行著！

以上就是北斗授時系統的單向授時原理，即：用戶接收到北斗的廣播信號后，自主修正本地時間與標準時間的時間差，實現時間同步。GPS等導航衛星也是采用這種授時方式。

北斗授時系統還特有雙向授時模式。雙向授時模式下，用戶需要與地面中心站交互信息，所有的信息處理都在中心站完成。用戶向中心站發起授時申請，中心站再將時標信號通過衛星轉發給用戶。用戶將接收到的時標信號原路返回，由地面中心站計算出信號單向傳播時延，再把時延信息發送給用戶。雙向授時可以更精確地反映時延信息，授時精度更高。

為什么要用北斗授時？

我們每天無數次地拿起手機查看時間，在現代社會，沒有什么比時間更重要了。

但是，我們要這么高的授時精度有啥用呢？再說，不是有GPS了嗎，為啥還要北斗？

我們日常生活確實不需要這么精密的時間，但時間作為國際單位制中7個基本量之一，滲透于社會發展的各個領域。在航天、電力、金融交易、戰場調度、公共交通以及移動通信活動中，高精度授時都非常重要。

在移動通信網絡中，如果基站的時間不同步，指令匹配就會出錯，通信網絡就無法正常運行。

在電網系統中，如果沒有精準統一的時間基準，各種自動化進程運行不同步，就可能發生電網事故，嚴重時將導致電網癱瘓。

在金融系統中，如果時間不同步，交易記錄就會混亂，黑客就可以利用時間差盜竊資金。

因此，高精度授時技術帶給我們的，不僅僅是效率和便利，更重要的是安全！

在北斗之前，我們完全依賴于GPS和GLONASS系統進行高精度授時。有了北斗授時系統，意味著中國人把時間掌握在自己手里。

最后說一句

北斗衛星授時技術已深入應用在生產生活的各個方面，隨著5G時代的到來，各式創新應用對時間和位置感知有了更高的要求，高精度授時必將有更多的用武之地。北斗+5G，會碰撞出什么樣的火花？讓我們拭目以待。

原文標題：除了定位導航，北斗還能授時？

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq