在国家授时中心时频基准实验室，科研人员在记录时间比对数据
国家授时中心BPM天线群。本报记者 张梅文/图
“现在是北京时间……”
每当听到这熟悉的声音，你可曾想过，北京时间并非来自北京，而是来自内陆腹地的陕西——中国科学院国家授时中心。
国家授时中心是我国唯一专门从事时间频率科学和技术科研的机构。由它运行维护的长短波授时系统，是目前在陕唯一的国家重大科技基础设施，承担着我国高精度标准时间的产生、保持和发播任务。
6月下旬，记者走进国家授时中心临潼总部、蒲城分部以及昊平观测站，听科研人员讲述有关时间的故事。
不断升级的授时系统
20世纪60年代，由于大规模经济建设和国防建设需要，国家决定在我国内陆腹地建设一个专用授时台。1966年，中国科学院开始筹建短波授时台。按照“靠山进洞”的战备要求，短波授时台最终选址在蒲城唐宪宗景陵山上。
1970年短波授时台基本建成，经周恩来总理亲自批示开始试播，呼号为BMP。“BMP短波授时台用2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz等几个频率广播我国的标准时间和标准频率信息，授时精度为毫秒（千分之一秒）量级。”原陕西天文台（国家授时中心前身）台长漆贯荣研究员介绍，1981年起，陕西天文台短波授时台替代上海天文台的BPV授时台，正式承担我国短波授时任务。
短波授时台建成后，满足了毫秒量级用户的需求。但是，随着我国空间技术飞速发展和国防试验的需求，需要更高精度的授时手段。长波授时台应运而生，它的精度是微秒（百万分之一秒）量级，比短波授时台授时精度提高了1000倍。
1973年开始，长波授时台正式启动研制建设，1983年系统联调成功，1985年开始全功率发播。1986年，长波授时台通过国家级技术鉴定后，正式发播标准时间、标准频率信号。长波授时台每天定时发播载频为100KHz的高精度长波时频信号，地波作用1000公里，天地波结合，覆盖全国陆地和近海海域，授时精度为微秒量级。
“面对国外的技术封锁，老一辈科学家不畏艰难，协作攻克了一个个技术难关，自主研制生产出了所有关键设备，国产化率达到了100%。”国家授时中心党委书记窦忠介绍，当时出于安全考虑，长波授时台建在了地下，深度达26米，相当于八九层楼，地上只有4座高耸的铁塔承载着15吨的倒锥形天线体。
该项成果1988年获国家科技进步奖一等奖。此后，长短波授时系统又经多次改造升级，始终保持着国际先进水平。
北京时间的发播
北京时间是我国的标准时间，它采用了地球东八区的区时，比国际标准时间早8个小时。国际标准时间称为协调世界时（UTC），是一种世界时和原子时折中后的计时体系。
世界时是以地球自转周期为基础确定的时间尺度，1秒是地球自转周期的1/86400。原子时是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。原子时精度比世界时高上千倍甚至上万倍。但是，由于地球自转是不稳定的，根据地球自转制定的世界时就会有误差。“按照现在的速度，5000年差1个小时，3万年后零点就可能出现太阳升起的现象。因此，科学家创造出了一种兼顾这两种时间特性的时间尺度——协调世界时。协调世界时是全球统一的国际标准时间，大家的时间都要与协调世界时对准。”时频基准实验室研究人员赵书红介绍。
协调世界时由设在法国巴黎的国际权度局（BIPM）产生。每个月的1日，国际权度局开始收集上个月全世界的原子钟数据，对全世界的原子钟进行加权平均，计算出国际原子时，加上闰秒，调整以后就得到上个月全球的标准时间。协调世界时一般在当月15日左右发布，只是一个纸面的时间，只能解决事后对表的问题，不能直接使用。
为了解决实际应用对标准时间的需要，每个国家都指定守时实验室产生协调世界时的物理实现。我国的标准时间便是由国家授时中心产生和保持的。
时间产生出来后，就可以授时了。赵书红介绍，用户的需要不同，授时方式也不同：如果需要毫秒量级的时间，可以短波授时；如果需要微秒量级的时间，可以长波授时；如果需要十纳秒（十亿分之一秒）量级的时间，北斗卫星导航系统授时可以满足。
授时所用的长波和短波都是无线电波。短波的波长在10米到100米之间，长波波长在1000米到2000米之间，两者都以地波和天波的方式传播。地波指发射天线辐射出去后沿地表传播的电波。而天波则是发射天线发出后在高空被电离层反射后到达接收点的电波。
我国的北斗卫星导航系统运行以后，长短波授时系统又有了新的拓展。据国家授时中心科技处副处长任晓乾介绍，卫星导航系统虽然是一种导航定位系统，但导航定位的基本原理却是时间测量。因此，卫星导航系统需要有一套准确可靠的时间频率系统，也具有授时功能，它的授时精度在十纳秒量级。
诸多科研领域的基础
高精度的时间不仅在通信、证券、航空、国防等领域具有重要意义，作为最基本的物理量，对提升国家科研水平也有着基础性作用。“时间的毫厘之差，会带来距离的千里之谬。比如飞船对接，一旦测控系统时间差百万分之一秒，就会出现300米的距离偏差。”漆贯荣介绍说。
时间科学作为诸多科学研究的基础，具有广泛的应用。在电力系统中，大量发电机并网发电需要保持高度时间同步，并网主要设备的时间要同步到微秒量级。同时，时间也可以充当输电线上的侦察兵。“比如，高压输电线不幸被雷击中，高精度时间就可以实现对故障点的快速定位。”时间科普馆工作人员周先林介绍。
5G通信也需要高精度时间来保驾护航。“没有时间同步就无法实现通信，5G基站有着非常高的时间同步要求，精度要达到十几个纳秒。”周先林说。
为进一步提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度，由国家授时中心建议的“十三五”国家重大科技基础设施项目——高精度地基授时系统获得国家批准立项。2019年，高精度地基授时系统项目在西安启动建设，计划2023年建成。
“该项目是陕西省‘十三五’期间唯一牵头建设的国家重大科技基础设施项目，建成后西安将成为我国时间频率科学研究、创新、发展的中心。”窦忠介绍，高精度地基授时系统建设的全国光纤授时骨干网将实现国际最高水平的时间同步能力，为数字信息化发展提供重要支撑。
