上知天文十二天文学基础知识，时间及授时系统（下）

　　我们从前文（《上知天文》八、天文学基础，你应该了解的时间及授时系统（上））了解到，20世纪50年代之前，标准时间的测量和定义是以天体测量的观测结果为基础的，这就是以地球自转周期为基础的世界时（Universal Time，UT)，这个时间是天文台通过观察天上恒星的运动，也就是把天球当做一个大钟，天上的星就好比钟面上表示钟点的数字，如果以地球为表盘的中心，天文学家的望远镜就像是钟面上的指针。
　　图12.1 天球上的时钟
　　由于星的位置天文学家已经很精确地测定过，也就是说这只天然钟面上的钟点数是很精确地知道的。当相应的星对准望远镜时，天文学家就能知道准确的时间，并用这个时间去校正天文台的钟。国际原子时
　　这种基于天体测量的天文时间在人类历史中曾经发挥了巨大的作用。然而，由于天体运动的周期并非完全稳定，因此测量的精度有限，而且观测周期过长、不便使用，不能满足现代科学技术高速发展的需要。所以在20世纪50年代以后，它逐步被以量子物理学为基础的原子时间频率标准所代替。
　　建立在量子物理学基础上的铯原子时间标准诞生于1955年。经过十几年的理论分析、交替测量和技术协调，原子时间频率计量标准在1967年正式取代了天文学的时间计量标准的秒长的定义，1971年出现了全世界统一的原子时间标准—国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC），并一直沿用至今。
　　图12.2 原子钟
　　1967年的第13届国际度量衡会议上通过了一项决议，采纳以下定义代替秒的天文定义： 一秒为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。国际原子时是根据以上秒的定义的一种国际参照时标， 属国际单位制(SI)。
　　国际原子时(TAI)：针对某些元素的原子能级跃迁频率有极高的稳定性，可采用基于铯原子(Cs 132.9)的能级跃迁原子秒作为时标。TAI是1971年由国际时间句建立，现改为国际计量局(BIPM)的时间部门在维持，根据全球约60个实验室中的大约240台自由运转的原子钟提供的数据进行处理，得出＂国际时间标准＂称为国际原子时(TAI)。世界协调时
　　使用地球自转和公转的天然时钟，人们完全不必担心表停了的问题，但是，如果使用人们制造的原子钟，就会产生这样一个问题：不论出于什么原因，原子钟停了怎么办？（任何人造钟表都会有这个问题）另外，科学家会制造出很多台原子钟，这些原子钟的时间会有细微的差异，到底哪以谁的时钟为准也是一个问题。
　　图12.3 中科院国家授时中心
　　科学家的解决办法很简单，国际协调。使用分布在全世界的200多台原子钟联合，产生统一的协调世界时。一台钟会出错，200台钟同时出错的可能性就很小了，况且是分布在世界各地的原子钟。
　　这样，国际上产生协调世界时的过程是这样的：每个国家都有一个或者几个守时实验室，每个守时实验室拥有多台原子钟，测量这些原子钟的钟差（时间差），对钟差数据进行平均，得到一个实验室的地方原子时或者地方协调世界时。
　　这些守时实验室使用远程比对的方式，获得不同守时实验室的原子钟之间的时间差。然后在每个月的3号以前，这些国家将上个月的钟差测量数据上报给位于法国巴黎的国际计量局，国际计量局根据全世界的原子钟数据，计算出国际原子时，加上闰秒以后就形成协调世界时。国际计量局在每个月中旬公布计算的结果，结果表现为协调世界时与每个守时实验室保持的地方协调世界时的差。使用UTC时间时要闰秒
　　协调世界时是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。可以这么理解：UTC时间与UT的时间基准相同，时间步长不同，UTC时间的时间步长是原子秒，UT时间的时间步长是平天阳时秒。
　　因此，在应用UTC场景中，经常会遇到一个概念：闰秒。闰秒是指：是指为保持协调世界时（UTC）接近于世界时（UT）时刻，由国际计量局统一规定在年底或年中（也可能在季末）对协调世界时（UTC）增加或减少1秒的调整。
　　图12.4 闰秒示意图
　　从这里可以得到两个信息，首先，全世界的原子钟相互比对，根据全世界的原子钟计算出协调世界时。其次，每个月中旬公布上个月的协调世界时，因此，协调世界时并不能作为实时应用的时间。
　　实时应用的就是守时实验室保持的协调世界时，这是协调世界时的物理实现，每个国家都规定一个这样的协调世界时作为国家的标准时间的发播和应用。我国的标准时间是中国科学院国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)，并通过授时系统发播出去供各行各业应用，这就是北京时间。一般要求，各实验室保持的协调世界时与协调世界时的差要保持在100ns以内。授时系统
　　授时系统是负责确定和发播精确时间的工作系统。每当整点钟的时候，电视画面上就会出现数字显示，广播里面就会用语音提示时间（刚才最后一响是北京时间XX点整）。人们便根据此校对自己的钟表快慢。我们现在已经可以随时随地通过移动互联网，让我们的移动设备的时间跟基站传递过来的标准时间同步，所以现在已经很少有人再会去通过电视或者是广播来同步时钟了。
　　图12.5北京时间
　　我国现行使用的北京时间，实际上是由中国科学院国家授时中心（国家授时中心前身是陕西天文台，始建于1966年，总部位于西安市临潼区，授时部位于陕西蒲城县。）承担着我国标准时间的产生、保持和发播任务。授时中心保持的世界协调时UTC（NTSC），它是由频率高度稳定的原子钟和受地球自转影响的实际时间综合测量比对的结果。
　　国家授时中心有世界第三大的原子钟钟组，有先进的比对测量系统，根据原子钟的钟差测量结果计算出原子时，并报送法国巴黎的国际计量局，国际计量局对世界的计算结果综合处理后，将数据下发。国家授时中心根据自己的原子钟钟组数据，结合国际计量局的计算结果，对原子钟进行驾驭，产生我国的标准时间（UTC（NTSC）），即北京时间。
　　时间及授时系统全文完。