上下四方曰宇,古往今來曰宙。請隨我們進入“時間”的故事。
現代社會，人們在日常生活中如果需要知道時間，都會下意識的看看手機或者電腦上的時間。那古人沒有手機、沒有網絡，怎么獲取時間呢？
古人獲取時間的方法，要從“觀象授時”說起。即通過觀測日月星辰的天象運轉來確定時間。
圖1. 北京古觀象臺（圖源：北京天文館）
我國授時的概念最早出現在《尚書·堯典》中“乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授民時”。
圖2. 《尚書·堯典》的記錄（圖源：作者）
春夏秋冬四季的輪回轉變產生了“年”的概念，月亮的陰晴圓缺產生了“月”的概念，太陽的東升西落產生了“日”的概念。
圖3. 月相的變化（圖源：作者）
古人又將一日分為了十二個時辰，通過立桿測影，桿影每個時辰（2小時）移動30°，對應太陽每個時辰在天空中西移30°。所以看見太陽的位置，就可以確定時間，這也就是日晷的原理。每天正午日影的長度，也是不同的。日影最長的一天定為冬至日，日影最短的一天為夏至日，冬夏二至中點則為春分、秋分。
圖4. 正午時的日晷（圖源：作者）
當負責通報時辰的工作人員，通過日晷知道了時辰，如何讓老百姓也知道現在是什么時候？應當勞作，還是宵禁？ 我國古人想到的辦法是晨鐘暮鼓。在鐘鼓樓，晨鐘暮鼓報時。早上敲鐘，城門打開，開始勞作。晚上擊鼓，宵禁開始，禁止隨意走動。
圖5. 報時鐘鼓樓（圖源：作者）
清末民國初年，隨著城市的發展，晨鐘暮鼓的聲音已經不能很好的覆蓋全城，這時候出現了午炮報時。北京德勝門東側的城墻上有一座炮臺，用來報時的“午炮”就架在那里。
圖6. 夜晚北京的德勝門城樓（圖源：網絡）
炮臺有電話與北京觀象臺連通。每當快到中午時，兩個值班人員分工合作，一人守在電話旁，聽電話里傳來的指令，另一人則揭開炮衣，裝好炮藥，手持點燃的長香，站在炮位上靜候指令下達。收到北京觀象臺通過電話發來的指令，炮臺上的人就馬上點燃炮藥。午炮發出的轟鳴聲響徹大街小巷時，人們就知道：現在是中午12點，趕忙對表矯正時間。
圖7. 德勝門城樓上的古炮（圖源：網絡）
當中國人正在使用午炮報時的時候，歐洲人開發出另外一種落球的報時方式。最先進行落球報時的，是英國倫敦的格林尼治天文臺。每天13點整，天文臺鐘樓頂端的圓球準時落下，附近海域停泊的船只據此調節船上的鐘表，然后帶著調好的鐘表升帆出海。
圖8. 格林尼治天文臺紅色落球報時（圖源：作者）
進入現代后，隨著工業革命的開始，人們對時間精度的要求越來越高，隨著科技的進步，人們逐步使用電信號進行授時。 1902年，法國首先在巴黎艾菲爾鐵塔頂層進行試驗，發播長波無線電時號，呼號是FL，這次試驗取得了成功。接著，德、英、美等國相繼試驗，收到良好效果。于是，一個嶄新的無線電授時時代開啟了。
圖9. 通過艾菲爾鐵塔發射授時信號（圖源：作者）
我國主要在運行的無線電授時系統，有呼號為BPM的短波授時系統，呼號為BPL的長波授時系統，以及呼號為BPC的低頻時碼授時系統。
圖10. BPM的授時精度為毫秒量級，信號覆蓋半徑超過3000公里（圖源：作者）
圖11. BPL的授時精度為微秒量級，信號覆蓋半徑超過1000公里。圖中的BPL長波授時臺模型彩車在1984年國慶35周年慶祝游行時通過天安門廣場，接受黨、國家領導人和全國人民檢閱（圖源：作者）
圖12. BPC的授時精度為毫秒量級，信號覆蓋半徑超過1000公里，BPC主要應用于“電波鐘表”（圖源：作者）
現在人們熟知的衛星導航系統，實際也是一種授時系統。衛星提供的是授時信息，導航、定位信息則由接收機從授時信息導出。衛星導航系統的授時精度可達納秒量級，是目前應用較廣的一種授時系統。 現有的衛星導航系統主要有中國的北斗系統、美國GPS系統、俄羅斯GLONASS系統以及歐洲Galileo系統。 目前授時精度較高的系統則為光纖授時系統。我國正在建設的重大科技基礎設施“高精度地基授時系統”就是采用長波授時與光纖授時結合的方式覆蓋全國。長波授時精度優于百納秒，光纖授時精度優于百皮秒。
圖13. 高精度地基授時系統建設示意圖（圖源：作者）
此外，人們在日常生活中接觸比較多的授時方式是網絡授時與電話授時，網絡授時精度為秒級，常見的電腦和手機均通過網絡獲取時間；電話授時精度也為秒級，人們通過撥打電話02983895117，即可獲得國家授時中心提供的電話語音報時服務。 我國的授時服務體系，經歷了從無到有、從初級到較高級、從局域到全局的發展過程。目前，我國國家授時服務體系的建設和發展已經具備一定基礎，可以滿足國防、經濟等行業對時間頻率的基本需求。未來，我國的授時服務系統將建成多源互補、立體交叉、全域覆蓋的體系，形成“星地互備，天空地一體化”的格局。
作者簡介：
李實鋒，中國科學院國家授時中心研究員，碩士生導師，主要從事授時方法與技術，時間同步，無線電導航等研究工作。
楊朝中，中國科學院國家授時中心副研究員，主要從事無線電授時、授時發播技術、授時發播系統建設等研究工作。
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