到底什么是“授時(shí)”？它為什么重要？

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

其中提到——

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

那么，到底什么是“授時(shí)”？國(guó)家授時(shí)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(shí)”

時(shí)間，是世 界上最寶貴 的東西。從很早開始，人類就有了時(shí)間的概念。

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

當(dāng)時(shí)，有一群“公務(wù)員”，他們通過圭表、日冕等工具確認(rèn)時(shí)間，然后通過敲鐘、擊鼓、打更等方式，將時(shí)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(fù)責(zé)夜觀天象、制定歷法，指導(dǎo)農(nóng)民按時(shí)進(jìn)行播種、施肥和收獲。

歷史上對(duì)這種建立時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、傳遞時(shí)間信息的行為，稱為“敬記天時(shí)，以授民也”。縮寫一下，也就是“授時(shí)”。

國(guó)外呢，則將這種行為叫做時(shí)間服務(wù)，也就是Time Service。

▉ 時(shí)間系統(tǒng)的演進(jìn)

到了17~19世紀(jì)，隨著人類機(jī)械工藝的不斷精進(jìn)，出現(xiàn)了精密的計(jì)時(shí)儀器——鐘表。

鐘表的迅速普及，改變了人們的時(shí)間觀念，也推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。

進(jìn)入20世紀(jì)后，電子工業(yè)迅速發(fā)展，電池驅(qū)動(dòng)鐘、交流電鐘、電機(jī)械表、石英電子鐘表相繼問世。鐘表進(jìn)入了微電子技術(shù)與精密機(jī)械相結(jié)合的石英化新時(shí)期，每日誤差逐漸被控制在0.5秒以內(nèi)。

與此同時(shí)，人類對(duì)時(shí)間的認(rèn)知也進(jìn)入了全新階段，逐步建立了“時(shí)間系統(tǒng)”的概念。

時(shí)間系統(tǒng)，也稱為時(shí)間頻率基準(zhǔn)。說白了，就是如何衡量時(shí)間。

常見的時(shí)間系統(tǒng)包括三種，分別是：

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

• 以地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的歷書時(shí)（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(zhǔn)的原子時(shí)（Atomic time，AT）

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

目前國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，叫做協(xié)調(diào)世界時(shí)（Universal Time Coordinated，UTC），也稱“世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”。它是原子時(shí)和世界時(shí)的結(jié)合，以原子時(shí)的秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)。

我們都知道，地球根據(jù)經(jīng)度分為24個(gè)時(shí)區(qū)。我們中國(guó)雖然地跨5個(gè)時(shí)區(qū)，但統(tǒng)一采用“北京時(shí)間”，也就是“UTC+8”時(shí)區(qū)。

我們國(guó)家所處的時(shí)區(qū)

▉ 授時(shí)的具體方式

計(jì)時(shí)工具和時(shí)間系統(tǒng)發(fā)生了巨變，授時(shí)方式當(dāng)然也要跟著變。

在陜西臨潼的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC），就是我國(guó)時(shí)間頻率研究和授時(shí)服務(wù)的核心機(jī)構(gòu)。這里專門負(fù)責(zé)產(chǎn)生、保持和發(fā)播中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（北京時(shí)間），具有極其重要的戰(zhàn)略作用。

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

國(guó)家授時(shí)中心提供很多種現(xiàn)代授時(shí)方式，具體如下：

1.短波授時(shí)

采用波長(zhǎng)在100m～10m（頻率：3MHz～30MHz）的短波無線電進(jìn)行授時(shí)。

國(guó)家授時(shí)中心的授時(shí)臺(tái)，設(shè)置在陜西蒲城。這里的短波電臺(tái)會(huì)使用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz頻率，全天連續(xù)發(fā)播我國(guó)短波無線電時(shí)號(hào)，呼號(hào)為BPM。

短波授時(shí)信號(hào)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(guó)疆域，授時(shí)精度為毫秒量級(jí)。

天波和地波

2.長(zhǎng)波授時(shí)

采用波長(zhǎng)在10km-1km（頻率：30KHz～300KHz）的長(zhǎng)波無線電進(jìn)行授時(shí)。

國(guó)家授時(shí)中心的長(zhǎng)波電臺(tái)呼號(hào)為BPL，發(fā)射頻率為100KHz。

長(zhǎng)波授時(shí)信號(hào)的地波作用距離為1000-2000公里，天波信號(hào)為3000公里，基本覆蓋我國(guó)內(nèi)陸及近海海域，授時(shí)精度為微秒量級(jí)。

3.低頻時(shí)碼授時(shí)

低頻時(shí)碼授時(shí)屬于一種特殊的長(zhǎng)波授時(shí)，它適用于區(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率傳輸。

國(guó)家授時(shí)中心采用載頻為68.5KHz的連續(xù)波時(shí)碼授時(shí)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(hào)，自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間校對(duì)，精度可以達(dá)到30萬年誤差不超過1秒。

電波表

4.電話授時(shí)

利用電話網(wǎng)絡(luò)傳送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，稱為電話授時(shí)。

例如，通過專用電話時(shí)碼接收機(jī)，撥打國(guó)家授時(shí)中心的服務(wù)專線電話，即可自動(dòng)獲得標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間顯示和輸出，授時(shí)精度10毫秒。

5.電視授時(shí)

這可不是指每天19點(diǎn)的新聞聯(lián)播報(bào)時(shí)。

大家應(yīng)該都不會(huì)想到，其實(shí)中央電視臺(tái)在自家的電視信號(hào)中，“偷偷”插入了由原子鐘提供的時(shí)間信息。用戶設(shè)備接收電視信號(hào)后，加以改正，便可實(shí)現(xiàn)定時(shí)，精度約為10微秒。

6.網(wǎng)絡(luò)授時(shí)

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

只要設(shè)置了目標(biāo)NTP服務(wù)器的IP地址，本地計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

NTP配置界面

7.衛(wèi)星授時(shí)

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

我們每天都會(huì)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位，是因?yàn)橛?strong>GNSS系統(tǒng)（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。

美國(guó)的GPS、中國(guó)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(gè)非常重要的功能，那就是——授時(shí)。

GNSS三大核心能力，通常簡(jiǎn)稱為PVT，也就是Position（位置）、Velocity（速度）和Time（時(shí)間）。

那么，GNSS是如何實(shí)現(xiàn)授時(shí)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(hào)中包含有精確的時(shí)間數(shù)據(jù)。通過專用接收機(jī)或者GNSS授時(shí)模組，可以對(duì)這些信號(hào)加以解碼，就能快速地將設(shè)備與原子鐘進(jìn)行時(shí)間同步。

星載原子鐘

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

首先，GNSS授時(shí)的精度更高。

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

各授時(shí)方式的授時(shí)精度對(duì)比

除了精度之外，GNSS衛(wèi)星授時(shí)還有先天的覆蓋優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)波、短波地基授時(shí)，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(jìn)一步縮小。

而GNSS衛(wèi)星授時(shí)在覆蓋能力上明顯要強(qiáng)得多。尤其是針對(duì)遠(yuǎn)洋航海及航空航天場(chǎng)景，GNSS衛(wèi)星授時(shí)更是優(yōu)勢(shì)明顯。

▉ 授時(shí)服務(wù)的重要性

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

當(dāng)然不是。

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

人類競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，一般只精確到毫秒級(jí)

最早期的高精度授時(shí)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(zhǔn)的時(shí)間同步，就無法對(duì)飛行器的準(zhǔn)確位置進(jìn)行確認(rèn)。

尤其是太空對(duì)接等場(chǎng)景，如果兩個(gè)飛行器的時(shí)間不同步，那么距離就會(huì)差之千里，飛行姿態(tài)也會(huì)存在巨大誤差，最終導(dǎo)致嚴(yán)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(shí)間變化的。當(dāng)不同的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，如果時(shí)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(jìn)行。系統(tǒng)時(shí)間不同步，很可能導(dǎo)致交易失敗，在瞬息萬變的市場(chǎng)中錯(cuò)過機(jī)會(huì)。不同步的時(shí)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(shí)的支持。

通信基站的切換、漫游需要精準(zhǔn)的時(shí)間控制，對(duì)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(shí)分復(fù)用）模式，對(duì)時(shí)間同步的要求更高，系統(tǒng)時(shí)間同步要求在±1.5μs。如果通信設(shè)備之間時(shí)間不同步，將影響時(shí)隙和幀，進(jìn)而影響業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。

除了上述行業(yè)之外，包括交通調(diào)度、地理測(cè)繪、防震減災(zāi)、氣象監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，都對(duì)高精度時(shí)間同步有剛性需求。

▉ 最后的話

總而言之，高精度時(shí)間是國(guó)家關(guān)鍵的戰(zhàn)略資源， 對(duì)于經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)、社會(huì)秩序和國(guó)防安全有著極為重要的作用 。

負(fù)責(zé)提供國(guó)家級(jí)授時(shí)服務(wù)的國(guó)家授時(shí)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(shí)服務(wù)外，國(guó)家授時(shí)中心還承擔(dān)了很多科研任務(wù)。中心擁有 量子頻標(biāo)研究室、守時(shí)理論與方法研究室、時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)研究單元，專注于新型原子鐘（如光鐘）、高精度時(shí)間傳遞、導(dǎo)航通信等前沿技術(shù)的研發(fā)。

美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）對(duì)國(guó)家授時(shí)中心發(fā)起網(wǎng)絡(luò)攻擊，是一次 針對(duì)我們國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)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(guó)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(yán)密的防御體系，進(jìn)行應(yīng)對(duì)。強(qiáng)化技術(shù)防護(hù)手段、完善應(yīng)急響應(yīng)機(jī)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(shí)間”，將是一個(gè)長(zhǎng)期使命！

（全文完）