到底什么是“授時”？它為什么重要？

10月19日，國家安全機關(guān)發(fā)布公告稱，掌握了美國國家安全局網(wǎng)絡(luò)攻擊入侵中國國家授時中心的鐵證。

其中提到——

2022年起，美方就利用某境外品牌手機短信服務(wù)漏洞，秘密網(wǎng)攻控制國家授時中心多名工作人員的手機終端，竊取手機內(nèi)存儲的敏感資料。2023年8月至2024年6月，美方更是動用42款特種網(wǎng)攻武器，以國家級的力度，大規(guī)模攻擊我國家授時中心，并伺機進一步滲透至高精度地基授時系統(tǒng)。

那么，到底什么是“授時”？國家授時中心，又是干什么用的？

接下來，我們深入了解一下：

▉什么是“授時”

時間，是世 界上最寶貴 的東西。從很早開始，人類就有了時間的概念。

大家應(yīng)該記得，古裝劇里，一天被分為十二個時辰。入夜之后，每隔一個時辰，就會有打更人一邊敲擊梆子，一邊吆喝：“天干物燥，小心火燭！”

當時，有一群“公務(wù)員”，他們通過圭表、日冕等工具確認時間，然后通過敲鐘、擊鼓、打更等方式，將時間信息傳遞給周邊居民。

在皇帝身邊，還有一群職位更高的星象學(xué)專家。他們負責夜觀天象、制定歷法，指導(dǎo)農(nóng)民按時進行播種、施肥和收獲。

歷史上對這種建立時間標準、傳遞時間信息的行為，稱為“敬記天時，以授民也”?？s寫一下，也就是“授時”。

國外呢，則將這種行為叫做時間服務(wù)，也就是Time Service。

▉ 時間系統(tǒng)的演進

到了17~19世紀，隨著人類機械工藝的不斷精進，出現(xiàn)了精密的計時儀器——鐘表。

鐘表的迅速普及，改變了人們的時間觀念，也推動了社會的發(fā)展和進步。

進入20世紀后，電子工業(yè)迅速發(fā)展，電池驅(qū)動鐘、交流電鐘、電機械表、石英電子鐘表相繼問世。鐘表進入了微電子技術(shù)與精密機械相結(jié)合的石英化新時期，每日誤差逐漸被控制在0.5秒以內(nèi)。

與此同時，人類對時間的認知也進入了全新階段，逐步建立了“時間系統(tǒng)”的概念。

時間系統(tǒng)，也稱為時間頻率基準。說白了，就是如何衡量時間。

常見的時間系統(tǒng)包括三種，分別是：

• 以地球自轉(zhuǎn)周期為基準的世界時（Universal Time，UT）

• 以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準的歷書時（Ephemeris Time，ET）

• 以物質(zhì)內(nèi)部原子（例如銫原子）發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準的原子時（Atomic time，AT）

世界時存在不均勻性，歷書時測量精度低。所以，1967年第13屆世界度量衡會議上，各國代表投票決定：采用原子時取代歷書時，作為基本時間計量系統(tǒng)。原子時的秒長，被規(guī)定為國際單位制的時間單位，作為三大物理量的基本單位之一。

目前國際通用的標準時間，叫做協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC），也稱“世界標準時間”。它是原子時和世界時的結(jié)合，以原子時的秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時。

我們都知道，地球根據(jù)經(jīng)度分為24個時區(qū)。我們中國雖然地跨5個時區(qū)，但統(tǒng)一采用“北京時間”，也就是“UTC+8”時區(qū)。

我們國家所處的時區(qū)

▉ 授時的具體方式

計時工具和時間系統(tǒng)發(fā)生了巨變，授時方式當然也要跟著變。

在陜西臨潼的中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC），就是我國時間頻率研究和授時服務(wù)的核心機構(gòu)。這里專門負責產(chǎn)生、保持和發(fā)播中國的國家標準時間（北京時間），具有極其重要的戰(zhàn)略作用。

陜西西安位于中國腹地，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，非常適合建設(shè)授時中心。

國家授時中心提供很多種現(xiàn)代授時方式，具體如下：

1.短波授時

采用波長在100m～10m（頻率：3MHz～30MHz）的短波無線電進行授時。

國家授時中心的授時臺，設(shè)置在陜西蒲城。這里的短波電臺會使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz頻率，全天連續(xù)發(fā)播我國短波無線電時號，呼號為BPM。

短波授時信號通過天波和地波傳輸。地波可以傳輸100公里，天波的話，覆蓋半徑超過3000公里，基本覆蓋全國疆域，授時精度為毫秒量級。

天波和地波

2.長波授時

采用波長在10km-1km（頻率：30KHz～300KHz）的長波無線電進行授時。

國家授時中心的長波電臺呼號為BPL，發(fā)射頻率為100KHz。

長波授時信號的地波作用距離為1000-2000公里，天波信號為3000公里，基本覆蓋我國內(nèi)陸及近海海域，授時精度為微秒量級。

3.低頻時碼授時

低頻時碼授時屬于一種特殊的長波授時，它適用于區(qū)域性的標準時間頻率傳輸。

國家授時中心采用載頻為68.5KHz的連續(xù)波時碼授時體制技術(shù)。

我們常見的電波鐘/電波表，就可以接收這種信號，自動進行時間校對，精度可以達到30萬年誤差不超過1秒。

電波表

4.電話授時

利用電話網(wǎng)絡(luò)傳送標準時間，稱為電話授時。

例如，通過專用電話時碼接收機，撥打國家授時中心的服務(wù)專線電話，即可自動獲得標準北京時間顯示和輸出，授時精度10毫秒。

5.電視授時

這可不是指每天19點的新聞聯(lián)播報時。

大家應(yīng)該都不會想到，其實中央電視臺在自家的電視信號中，“偷偷”插入了由原子鐘提供的時間信息。用戶設(shè)備接收電視信號后，加以改正，便可實現(xiàn)定時，精度約為10微秒。

6.網(wǎng)絡(luò)授時

我們電腦上經(jīng)常使用的NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），就是網(wǎng)絡(luò)授時。

只要設(shè)置了目標NTP服務(wù)器的IP地址，本地計算機就可以實現(xiàn)時間同步。

NTP配置界面

7.衛(wèi)星授時

前面我們介紹的都是地基的授時方式。接下來，我們來看看現(xiàn)在最流行的天基授時方式，也就是——“衛(wèi)星授時”。

我們每天都會用到百度、高德這樣的導(dǎo)航和定位App。大家應(yīng)該也知道，這些App之所以能實現(xiàn)導(dǎo)航和定位，是因為有GNSS系統(tǒng)（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。

美國的GPS、中國的北斗（BDS）、歐洲的伽利略，都屬于GNSS系統(tǒng)。

很多人并不知道，GNSS系統(tǒng)除了定位和導(dǎo)航之外，還有一個非常重要的功能，那就是——授時。

GNSS三大核心能力，通常簡稱為PVT，也就是Position（位置）、Velocity（速度）和Time（時間）。

那么，GNSS是如何實現(xiàn)授時的呢？

在每一顆GNSS衛(wèi)星上，都配備有原子鐘。這就使得發(fā)送的衛(wèi)星信號中包含有精確的時間數(shù)據(jù)。通過專用接收機或者GNSS授時模組，可以對這些信號加以解碼，就能快速地將設(shè)備與原子鐘進行時間同步。

星載原子鐘

相比于前面所說的長波、短波、網(wǎng)絡(luò)等授時技術(shù)，GNSS衛(wèi)星授時擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

首先，GNSS授時的精度更高。

以北斗為例。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間，叫做BDT。BDT屬原子時，可以溯源到我國國家授時中心的協(xié)調(diào)世界時UTC，與UTC的時差控制準確度小于100ns。

各授時方式的授時精度對比

除了精度之外，GNSS衛(wèi)星授時還有先天的覆蓋優(yōu)勢。

長波、短波地基授時，都有物理傳播距離的限制。如果遇到高山等環(huán)境阻隔，傳播距離將進一步縮小。

而GNSS衛(wèi)星授時在覆蓋能力上明顯要強得多。尤其是針對遠洋航海及航空航天場景，GNSS衛(wèi)星授時更是優(yōu)勢明顯。

▉ 授時服務(wù)的重要性

說了半天，我們?yōu)槭裁葱枰冗@么高的授時服務(wù)呢？難道只是為了方便網(wǎng)購秒殺嗎？

當然不是。

以我們?nèi)祟惖纳順O限，毫秒級精度的授時，就已經(jīng)足夠用了。像GNSS這樣的高精度授時，主要用于航空航天、電力、金融、通信、交通以及國防軍事等領(lǐng)域。

人類競技運動，一般只精確到毫秒級

最早期的高精度授時應(yīng)用需求，來自航空航天。

航空航天飛行器，往往以極高的速度飛行。如果沒有精準的時間同步，就無法對飛行器的準確位置進行確認。

尤其是太空對接等場景，如果兩個飛行器的時間不同步，那么距離就會差之千里，飛行姿態(tài)也會存在巨大誤差，最終導(dǎo)致嚴重事故。

再看看電力行業(yè)。

我們所使用的交流電，電流方向是隨時間變化的。當不同的電網(wǎng)設(shè)備進行并網(wǎng)時，如果時間不一致，你波峰波谷就不一致，輕則帶來多余的能量損耗，重則直接短路，毀壞設(shè)備，癱瘓電網(wǎng)，造成大規(guī)模停電。

還有金融領(lǐng)域。

現(xiàn)在我們都是數(shù)字化金融，所有的交易都通過電腦和網(wǎng)絡(luò)進行。系統(tǒng)時間不同步，很可能導(dǎo)致交易失敗，在瞬息萬變的市場中錯過機會。不同步的時間，也有可能被黑客利用，給系統(tǒng)帶來安全隱患。

通信系統(tǒng)，同樣離不開高精度授時的支持。

通信基站的切換、漫游需要精準的時間控制，對同步精度的要求高，也需要足夠的穩(wěn)定性。

現(xiàn)在廣泛使用的5G，基本上也是采用TDD（時分復(fù)用）模式，對時間同步的要求更高，系統(tǒng)時間同步要求在±1.5μs。如果通信設(shè)備之間時間不同步，將影響時隙和幀，進而影響業(yè)務(wù)的正常進行。

除了上述行業(yè)之外，包括交通調(diào)度、地理測繪、防震減災(zāi)、氣象監(jiān)測等各個領(lǐng)域，都對高精度時間同步有剛性需求。

▉ 最后的話

總而言之，高精度時間是國家關(guān)鍵的戰(zhàn)略資源， 對于經(jīng)濟運轉(zhuǎn)、社會秩序和國防安全有著極為重要的作用 。

負責提供國家級授時服務(wù)的國家授時中心，重要性也因此不言而喻。

值得一提的是，除了提供基礎(chǔ)授時服務(wù)外，國家授時中心還承擔了很多科研任務(wù)。中心擁有 量子頻標研究室、守時理論與方法研究室、時間頻率基準實驗室等多個研究單元，專注于新型原子鐘（如光鐘）、高精度時間傳遞、導(dǎo)航通信等前沿技術(shù)的研發(fā)。

美國國家安全局（NSA）對國家授時中心發(fā)起網(wǎng)絡(luò)攻擊，是一次 針對我們國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的嚴重威脅行為，非?？蓯u，也非常卑鄙。

雖然攻擊最終未能得逞，我們也需要敲響警鐘。 此次事件暴露出國內(nèi)關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施面臨的復(fù)雜安全挑戰(zhàn)，亟需構(gòu)建更嚴密的防御體系，進行應(yīng)對。強化技術(shù)防護手段、完善應(yīng)急響應(yīng)機制、提升人員安全素養(yǎng)，都是非常必要的舉措。

保衛(wèi)“北京時間”，將是一個長期使命！

（全文完）