书城科普时光机器:隐藏在时间中的科学
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第76章 准确时间的传递

我们已经能够通过天文观测获得准确的时间了,并把它保存在原子钟里。但这还不够,还必须能够把准确的时间尽可能在保持原有精度的情况下送给用户。

时间服务系统的工作人员服务态度是相当好的,他们总是想方设法把时间信号准确地传送到各个用户。这一过程叫作准确时间的传递,或者称为“授时”、“报时”。而用户对于天文台来说就是“对时”或“时间同步”。

声音报时

从古到今,传递时间信号的方法多种多样。起初,时间信号的传递总是用机械的、声的和光的方法来完成。例如,古代曾用击鼓和鸣炮来报时;有的钟在整点时就打点,是几点便敲几下,人们一听就知道是几点钟了。现在北京火车站的钟,在整点时奏出优美动听的东方红乐曲,这也是用声音报时延用到现在的一个例子。

落球报时

落球——另一种报时的方法。1884年,徐家汇天文台在上海外滩建立了一个落球报时讯号站,停泊在水中的船只,很注意讯号站的一个特制的竿子。每到中午12点,这个竿子上的球就落下来了,表示当时的时间是中午12点。这就是所谓“落球报时”。这个讯号站在晚上还用灯光报时,停泊的船只看见灯光的闪烁,就知道已经是晚上9点钟了。

这些机械的、声音的和光的报时方法,精度都比较低;最高的报时精度是0.1秒。所以它们只能应用于一些精度要求不高的场合,而且使用面也很小,不超过人的听觉和视觉范围。

飞机对时

还有一种方法是用飞机将时间频率标准带到需要的地方去。比如,将校对好的原子钟装上飞机,飞到需要校准时间的地方的上空,用无线电通知用户并进行对时。这种方法通常叫“搬运钟”法,或称“飞机过顶”。

其实飞机过顶对时和我们平时对表差不多,只不过是对时精度很高,可达±1×10-6秒以上。这是微秒级时间同步的主要方法之一,这种方法所用的仪器少,精度较高,对时所用的时间也短。但比较麻烦,需要长途的飞机运输。

远距离定位法

比较方便的方法是采用“罗兰-C系统”授时。罗兰-C是一个翻译名词,它的原意是“远距离定位”。罗兰-C系统本来是“远程精密导航系统”,为飞机、船舶、舰艇提供精确的导航,在超过1800千米的距离上,罗兰-C系统能为用户提供50米左右的定位精度。罗兰-C系统本身就使用原子钟,只要将罗兰-C主台的铯钟与天文台的原子钟同步在协调世界时上,各副台再与主台同步,即可用罗兰-C系统授时。因为这一系统不需要增加什么设备就能授时,所以这种授时办法比较经济。目前,罗兰-C系统能对协调世界时UTC保持±15微秒的时间同步。

利用广播系统进行时间传递,即经济又实惠,用户相当广泛。广播电台每逢整点时,都以特定的音响来报告时间,正像本书开头所描述的那样。这实际上也是一种高频授时。解调以后的信号用声音发出,我们听到以后,用手拨动表针对时。由于这种对时没有用特制的仪器,只靠听觉和手的动作,所以精度较低,只能精确到0.1秒。但这对我们的日常生活和工作来说是足够的了,因此,这种对时仍起着重要的作用。

电视报时

随着电视的普及和电视技术的发展,人们开始利用电视系统授时。1962年,捷克境内沿电视微波传输线传播时间信号,回路长800千米,秒脉冲的时间变化不超过1微秒。电视同步方法向样经济实惠,不用另建一套发射、接收系统就能对时。对时精度也比较高,在视线范围内约为50毫微秒,在视线范围外约为0.5微秒。当然,由于电视微波传输线的线路不同,各种因素对传播时间的延误不同,均需通过实验来校正。

人造卫星报时

现在可以成功地发射人造地球卫星了,使卫星按着地球自转的速度运行,这就是“同步卫星”。同步卫星正在帮助人们做越来越多的工作:在全球范围内传送广播、电视、电话、电报,进行无线电传真、数字通讯……我们坐在家里就能听到或看到世界各地所发生的重要事情。利用卫星也可以实现时间同步。第一次卫星对时实验是在1962年8月进行的,通过卫星,把美国华盛顿的原子钟与英国格林威治天文台的原子钟校准到1微秒左右。利用卫星还可以实现全球时间同步,只要等距离地发射3个同步卫星,就可以覆盖整个地球表面了。在地面上设置必要的接收设备——“卫星地面站”,就可以实现全球的时间同步。

为了得到人们所需要的准确时间,要经过复杂的测时、守时、授时等步骤。世界各国对这一工作都很重视,在国际上设有专门的机构——国际时间局,在各国也都有天文台和各级计量局来从事这一工作。