
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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