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上下四方曰宇,古往今來(lái)曰宙。請(qǐng)隨我們進(jìn)入“時(shí)間”的故事。

“北京時(shí)間” 是我國(guó)官方統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。要了解什么是北京時(shí)間，我們需要首先了解世界時(shí)區(qū)的概念。

世界時(shí)區(qū)的劃分

地球自轉(zhuǎn)由西向東。以太陽(yáng)過(guò)頂為本地時(shí)間的正午12點(diǎn)。東邊比西邊先看到太陽(yáng)，東邊的本地時(shí)間就比西邊的早。地球經(jīng)度按一圈360°劃分，0°經(jīng)線（本初子午線）為英國(guó)格林尼治天文臺(tái)所在的子午圈。如圖1所示，從0°經(jīng)線開(kāi)始，向東和向西各7.5°處畫(huà)線，得到零時(shí)區(qū)；接下來(lái)繼續(xù)向東和向西每15°畫(huà)一條經(jīng)線，這樣就將地球劃分成24等分，東西各12個(gè)時(shí)區(qū)。

圖1. 世界時(shí)區(qū)圖（圖源：作者編制）

原則上，不同的地方可以依據(jù)所在時(shí)區(qū)，確定當(dāng)?shù)貢r(shí)間。但在實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間確立中，各個(gè)國(guó)家依據(jù)自己需求，可采用多個(gè)時(shí)區(qū)時(shí)間（如美國(guó)、俄羅斯等），也可以采用一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間。

北京時(shí)間

我國(guó)幅員遼闊，從西到東橫跨5個(gè)時(shí)區(qū)。歷史上我們采用過(guò)多個(gè)時(shí)區(qū)時(shí)間作為國(guó)家通用時(shí)間。新中國(guó)成立后，國(guó)家規(guī)定采用統(tǒng)一的時(shí)間作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，即北京所在的東八時(shí)區(qū)時(shí)間作為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，稱為“北京時(shí)間”。

東八時(shí)區(qū)包括的范圍從東經(jīng)112.5°到東經(jīng)127.5°，以東經(jīng)120°為中心線。北京時(shí)間即是東經(jīng)120°的本地時(shí)間。北京位于東經(jīng)116.4°，北京時(shí)間比北京的本地時(shí)間早14.4分鐘。

那么，北京時(shí)間是如何產(chǎn)生的呢？這需要對(duì)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)初步的概念。

世界時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

世界時(shí)（Universal Time, UT）是通過(guò)觀測(cè)地球自轉(zhuǎn)而確定的時(shí)間系統(tǒng)。其秒定義為太陽(yáng)兩次過(guò)頂時(shí)間除以86400。知道秒長(zhǎng)之后，秒累加就形成了時(shí)刻。

原子時(shí)（Atomic Time, AT）是利用原子特性產(chǎn)生的穩(wěn)定頻率作為時(shí)間產(chǎn)生基礎(chǔ)的系統(tǒng)。其秒通過(guò)統(tǒng)計(jì)頻率數(shù)獲得，秒累加形成時(shí)刻。

協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time, UTC）是世界時(shí)和原子時(shí)結(jié)合的產(chǎn)物，由國(guó)際計(jì)量局（BIPM）發(fā)布。

協(xié)調(diào)世界時(shí)產(chǎn)生的原因主要包括：第一，地球自轉(zhuǎn)并不穩(wěn)定，世界時(shí)秒長(zhǎng)會(huì)隨著地球自轉(zhuǎn)速度的變化而變化，這對(duì)諸多應(yīng)用帶來(lái)誤差；第二，原子時(shí)只依賴相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生，不符合人們的使用習(xí)慣。因此，將兩者協(xié)調(diào)，以原子時(shí)秒長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)時(shí)的秒長(zhǎng)，以世界時(shí)時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，從而形成了一個(gè)穩(wěn)定、精準(zhǔn)的世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)。

北京時(shí)間的產(chǎn)生

當(dāng)前，中國(guó)科學(xué)院是北京時(shí)間產(chǎn)生和發(fā)播的負(fù)責(zé)單位，具體任務(wù)由位于西安市臨潼區(qū)的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心執(zhí)行。北京時(shí)間的產(chǎn)生過(guò)程如圖2所示。

以原子鐘輸出信號(hào)為基礎(chǔ)，以本地計(jì)算的原子時(shí)和向UTC溯源這兩組數(shù)據(jù)為參考，綜合計(jì)算出本地主鐘輸出信號(hào)的駕馭量，從而確保我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與國(guó)際UTC的偏差能夠控制在一定范圍內(nèi)。

圖2. 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間控制產(chǎn)生過(guò)程示意圖（圖源：作者提供）

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心擁有我國(guó)規(guī)模最大的原子鐘組。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的精度逐年提高。圖3給出了20多年來(lái)北京時(shí)間與UTC的偏差變化?？梢钥闯?，2016年10月份以來(lái)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與UTC的偏差一直保持在5納秒（ns）以內(nèi)（1ns=0.000,000,001s），使得北京時(shí)間的性能處于世界領(lǐng)先地位。

圖3. 1998年以來(lái)北京時(shí)間保持情況（圖源：作者提供）

北京時(shí)間的獲取

在日常生活中，手機(jī)、電視、廣播等是最直接的獲取渠道，這些都是對(duì)時(shí)間需求精度較低的應(yīng)用。對(duì)于精度要求更高的用戶，則需要通過(guò)專業(yè)的設(shè)備直接或間接接收來(lái)自國(guó)家授時(shí)中心的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。這些手段包含網(wǎng)絡(luò)、短波、長(zhǎng)波、衛(wèi)星、光纖等。高精度時(shí)間對(duì)電子商務(wù)、智能電網(wǎng)、智能交通、4G與5G通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、航空航天等領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：袁海波，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心研究員，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)主要從事時(shí)間保持技術(shù)、時(shí)間比對(duì)技術(shù)、導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間等相關(guān)研究工作。