安徽京准：北斗卫星授时系统网络世界的“时间管理大师”
安徽京准：北斗卫星授时系统网络世界的“时间管理大师”
北斗卫星系统是我国自主建设成功的全球卫星导航系统，其定位与导航功能大家已耳熟能详。其实，北斗系统也是高超的“时间管理大师”，能以非常高的精度告诉我们正确的时间。这个传递时间信息的过程也叫“授时”。
古时候的晨钟暮鼓、打更报时就是“授时”。早晨敲钟，城门打开，开始一天的生活。夜晚击鼓，实行宵禁，所有人禁止随意走动。每个时辰都有不同钟声和鼓声提醒人们时间，可以很好地为一座都城提供“授时”服务。
现代社会，对“授时”的精度和范围要求越来越高。假如没有统一的“时间管理”，世界将陷入一片混乱。城市的灯光会“发神经”：明明该天黑了才亮的路灯，下午就突然打开；该天亮关灯时，它却赖着不灭。飞机飞得又快又远，差几秒钟报位置，实际位置就差出几公里。如果全世界飞机和地面控制的时钟不统一、不准，就像大家在用不同的表报数，空中交警就搞不清飞机到底在哪，很容易指挥出错，导致飞机飞得太近甚至可能撞上！
展开剩余79%现代的“授时”，就是要让全世界能整齐划一地工作。而北斗，正是最顶尖的一位“时间管理大师”。在亚太地区，北斗系统的授时精度优于10纳秒，即亿分之一秒；在全球范围内，授时精度优于20纳秒。虽然我们日常生活中不需要这么精确的时间，但在警力和战场调度、航天、电力、移动通信、金融交易等领域中，高精度授时都非常重要。比如，在移动通信网络中，如果基站的时间不同步，指令匹配就会出错，通信网络就无法正常运行；在电力系统中，如果没有精准统一的时间基准，各种自动化进程运行不同步，就可能发生电网事故，严重时将导致电网瘫痪；在金融系统中，如果时间不同步，交易记录就会混乱，黑客就可以利用时间差盗窃资金；在军事领域，要实现武器装备的协同作战，精确时间对作战胜负起着关键作用。
北斗系统的精确授时，既为我国通信网络搭建起自主可控的 “时间基准”，又是电网稳定运行的“坚固护盾”（图1）、金融交易的“公正裁判”，还是捍卫我国主权的 “秘密武器”……
北斗系统如何成为“时间管理大师”的呢？还得从它如何实现定位说起。所谓定位，就是确定用户的空间位置。假设用户接收机在某一时刻同时接收三颗卫星的信号，接收机至卫星的距离分别为和，则接收机应该位于以该三颗卫星为球心，以和为半径的三个球面交汇处。三个球面交汇可能得到两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得到了用户位置。这就是定位的“三球交汇”原理（图3）。
图3 “三球交汇”原理
“三球交汇”的核心任务是要测定用户与卫星之间的距离。实际上，是通过测量卫星信号从发射到接收所经历的时间t，再乘以信号的速度c得出的（图4）。
图4 测量用户与卫星之间的距离的基本思路
由于卫星信号的速度高达/秒，距离要精确到米级，时间t就需要精确到秒。信号从卫星发射出来的时刻可以由卫星搭载的原子钟精确测量，而接收到该信号的时刻只能由接收机时钟测量，一般达不到秒的精度，与精确时间相比，存在钟差（图5）。所以之差并不精确地等于时间t，还包含了接收机钟差（图6）。
图5 接收机时钟测定的时间和精确时间相比存在钟差
图6 之差还包含了接收机钟差
我们可以将钟差∆t也作为未知数和用户的空间位置一并解算，这时，就至少需要接收到四颗卫星的信号，测出这四颗卫星与用户的距离（图7）。而钟差∆t解算出来之后，用户就可以获得非常精确的时间信息（图8），这样北斗系统也就具备了精确授时功能。
图8 钟差∆t解算出来之后，用户就可以获得非常精确的时间信息
北斗系统这位由中国工程师培育的“时间管理大师”，正用自主创新的“时间密钥”，解锁通信、电力、金融、国防等领域的无限可能，不仅让各行各业摆脱对外依赖，更以中国精度定义未来，为国家发展注入永不偏移的时间力量。
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