常用授時(shí)方式介紹(上)

1、從電臺(tái)報(bào)時(shí)到低頻時(shí)碼授時(shí)幾種常用授時(shí)方式介紹（上）怎樣校準(zhǔn)家里或工作場(chǎng)所的鐘表？以前我們都是習(xí)慣于在整點(diǎn)時(shí)收聽廣播電臺(tái) “嘟嘟嘟 , 嘀”的報(bào)時(shí)信號(hào)?，F(xiàn)在呢，可用于對(duì)時(shí)的手段就很多了：除了聽電臺(tái)的整點(diǎn)報(bào)時(shí)信號(hào)外，還可以看電腦顯示的時(shí)間、電視機(jī)屏幕上顯示的時(shí)間、手機(jī)上的時(shí)間、汽車導(dǎo)航儀上顯示的時(shí)間等等。這幾種對(duì)時(shí)方法的準(zhǔn)確程度是不一樣的。有的可能只差半秒一秒，有的可能會(huì)誤差十幾秒。如果你對(duì)時(shí)間誤差要求不高的話，那么上述對(duì)時(shí)方法都是可行的。但如果你對(duì)此有較高的要求，那么應(yīng)該采用哪種“授時(shí)”方式來(lái)獲得精確時(shí)間呢？“授時(shí)”一詞，據(jù)說(shuō)源自尚書堯典篇： “歷象日月星辰，敬授民時(shí)”?，F(xiàn)代的“授時(shí)” ， 是指

2、授時(shí)中心（或天文臺(tái)）， 把精確的時(shí)間，通過無(wú)線電波或其他傳播手段傳遞給用戶的過程。在這個(gè)過程中，由于傳遞方式的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的授時(shí)誤差。廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)先來(lái)看看多年來(lái)我們?cè)缫蚜?xí)慣的廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)?，F(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 4961-1999）規(guī)定：廣播報(bào)時(shí)信號(hào)由六聲短音組成，在每小時(shí)的整點(diǎn)前報(bào)出五聲低音（800Hz） ，整點(diǎn)時(shí)報(bào)出一聲高音（1600Hz） ，并以該高音的起點(diǎn)作為整點(diǎn)信號(hào)。第一響（預(yù)告音）在59 分55 秒時(shí)報(bào)出，然后每秒一響，這五響預(yù)告音的持續(xù)時(shí)間各為0.25 秒，而整點(diǎn)時(shí)的一響為0.5秒。中央級(jí)廣播電臺(tái)的報(bào)時(shí)準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于0.01 秒，地方廣播電臺(tái)的報(bào)時(shí)準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于0.05秒。八十

3、、九十年代，就有一些大型鐘的控制電路是通過檢測(cè)電臺(tái)廣播中的報(bào)時(shí)信號(hào)，然后用來(lái)將大鐘自動(dòng)校準(zhǔn)的。（可以在知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到這樣的一些專利申請(qǐng)案。）但由于廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)的授時(shí)精度太低，且只在整點(diǎn)（或半點(diǎn)）時(shí)發(fā)布，再加上目前有許多電臺(tái)（甚至包括央廣）的報(bào)時(shí)誤差嚴(yán)重超標(biāo)（據(jù)業(yè)內(nèi)人士說(shuō)這與直播實(shí)行延時(shí)播出制度有關(guān) ），因此，它僅能用于日常生活中的粗略對(duì)時(shí)。至于電視機(jī)所顯示的時(shí)間，由于衛(wèi)星傳輸?shù)葘?dǎo)致的延遲及加密解密導(dǎo)致的延遲，往往有較大的滯后誤差。低頻時(shí)碼授時(shí)為了提供高精度授時(shí)，我國(guó)從上世紀(jì)六十年代起籌建短波授時(shí)臺(tái)。1970 年 12 月，建于陜西蒲城的短波授時(shí)臺(tái)（BPM）開始試播，后來(lái)經(jīng)過

4、了擴(kuò)建，從1981 年 7 月 1 日起正式發(fā)播。建于同一地的長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)（BPL）則于 1978 年開始小功率發(fā)播，1983年起大功率發(fā)播。 BPL 的發(fā)播時(shí)間準(zhǔn)確度達(dá)1 微秒。 BPM 和 BPL 的授時(shí)信號(hào)都要用專用接收機(jī)接收。低頻時(shí)碼授時(shí)技術(shù)是國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）一直推薦的一項(xiàng)技術(shù)。從上世紀(jì)九十年代開始， 國(guó)家授時(shí)中心就進(jìn)行BPC 低頻時(shí)碼技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，后來(lái)和一家企業(yè)合作，于 2007年在河南商丘建設(shè)了采用低頻時(shí)碼授時(shí)技術(shù)的長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)（BPC） ，該臺(tái)于2008年元旦開始正式發(fā)播。BPC時(shí)碼授時(shí)主要用于民用鐘表。目前我們所說(shuō)的電波授時(shí)鐘表，通常就是指采用低頻時(shí)碼授時(shí)技術(shù)的鐘表。表 1

5、 是廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)、低頻時(shí)碼授時(shí)、導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)這三種常用授時(shí)方式的性能比較。由表中可見，低頻時(shí)碼授時(shí)技術(shù)對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，精度較高而成本較低。許多讀者希望研究低頻時(shí)碼授時(shí)技術(shù)，以便日后可以應(yīng)用于各種時(shí)控設(shè)備。下面就對(duì)此作一介紹。（溫馨提醒：若準(zhǔn)備生產(chǎn)以BPC低頻時(shí)碼授時(shí)的產(chǎn)品，請(qǐng)與相關(guān)企業(yè)聯(lián)系獲得許可。 ）目前，世界上已有好多國(guó)家建立了低頻時(shí)碼發(fā)播臺(tái)，表2 列出了主要的幾個(gè)。低頻時(shí)碼授時(shí)技術(shù)的基本原理是：在授時(shí)中心，把原子鐘所保持的精確的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，按特定的時(shí)間碼的格式進(jìn)行編碼，編碼后的信號(hào)通過調(diào)制器以脈沖負(fù)極性鍵控（ASK） 方式調(diào)制到低頻載波上，最終以大功率無(wú)線電長(zhǎng)波發(fā)射出去。而接收系統(tǒng)（即電波鐘

6、表）則通過磁棒天線接收含有低頻時(shí)碼的無(wú)線電信號(hào)，由集成芯片進(jìn)行時(shí)碼信號(hào)的解調(diào)，再將此信號(hào)送入微控制器進(jìn)行解碼等處理，得到時(shí)間信息，使鐘表上的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，每日定時(shí)接收校準(zhǔn)而沒有累積誤差。各國(guó)的低頻時(shí)碼的編碼格式是不同的，此處僅舉兩例。表 3 是中國(guó)的BPC 低頻時(shí)碼編碼格式（資料來(lái)源：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)）。表 4 是日本的JJY 低頻時(shí)碼編碼格式（資料來(lái)源：維基百科）。我國(guó)東部沿海地區(qū)可以收到日本的JJY60發(fā)播臺(tái)信號(hào)。日本的兩個(gè)JJY發(fā)播臺(tái)的載波頻率不同（分別是40MHz 和 60MHz），而授時(shí)編碼是一樣的。日本的JJY 時(shí)間碼編碼與美國(guó)的WWVB 編碼非常相似，但二進(jìn)制數(shù)

7、0、 1 及標(biāo)志位的表示方法與WWVB 不同。JJY 編碼是在每一秒開始時(shí)，載波增長(zhǎng)至全功率，經(jīng)過規(guī)定時(shí)間載波減小10dB，至10功率，以此表示三種不同的信號(hào)：0.8秒全功率接著0.2秒降低功率表示二進(jìn)制的“ 0”，0.5 秒全功率接著0.5 秒降低功率表示二進(jìn)制的“1”， 0.2 秒全功率接著0.8秒降低功率表示標(biāo)志位。JJY 編碼是以一分鐘為一幀信號(hào)，每分鐘的00、 09、 19、 29、 39、 49、 59 秒是標(biāo)志位，其余53 秒每一秒表示一位二進(jìn)制數(shù)，并且用BCD 碼表示本地標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。絕大多數(shù)國(guó)家的低頻時(shí)碼都是一分鐘一幀信號(hào)。中國(guó)的 BPC 授時(shí)編碼格式與其他國(guó)家編碼的不同點(diǎn)有以下

8、幾處：一是BPC 編碼每分鐘分為三幀，分別從00、 20、 40秒開始，這三幀重復(fù)發(fā)送日期時(shí)間編碼，便于校驗(yàn)復(fù)核；二是調(diào)制在載波上的方波秒脈沖是以0.1s、 0.2s、 0.3s、 0.4s四種脈沖寬度，分別表示四進(jìn)制的0、1、 2、3（若以二進(jìn)制表示則為00、01、10、11） ；三是P3、P4校驗(yàn)位是碼位復(fù)用的。BPC 編碼是在每秒鐘開始時(shí)，降低載波功率，并持續(xù)上述脈沖寬度的時(shí)間來(lái)表示數(shù)字0 3。電波授時(shí)鐘表的具體使用方法，請(qǐng)參閱產(chǎn)品說(shuō)明書或上網(wǎng)查閱。表 1 幾種常用授時(shí)方式的性能比較授時(shí)方式廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)低頻時(shí)碼授時(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)授時(shí)精度10 毫秒0.1 毫秒0.1 微秒地理位置影響精度影響

9、影響不影響發(fā)播時(shí)間，整點(diǎn) /半點(diǎn)，24 小時(shí)連續(xù)，24 小時(shí)連續(xù)，信號(hào)更新頻度1 小時(shí) /半小時(shí)每分每秒信號(hào)格式，單音頻短音序列，電波授時(shí)時(shí)間碼，定位授時(shí)電文，授時(shí)內(nèi)容整點(diǎn) /半點(diǎn)信號(hào)，年月日時(shí)分年月日時(shí)分秒無(wú)日期信息以及秒脈沖以及秒脈沖載波頻段，中波/短波/超短波，長(zhǎng)波，分米波，主要傳播方式天波與地波地波與天波直線傳播覆蓋范圍電臺(tái)信號(hào)覆蓋范圍電臺(tái)信號(hào)覆蓋范圍全球接收穩(wěn)定性穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定適用地點(diǎn)能收聽到電臺(tái)處能收到電波信號(hào)處要求直視天空接收設(shè)備收音機(jī)電波鐘表專用接收器接收設(shè)備復(fù)雜性，（原設(shè)備無(wú)附加，一般，較復(fù)雜，接收設(shè)備成本無(wú)附加成本）適中較高整個(gè)系統(tǒng)成本（附加成本）很低較低極高注：與電臺(tái)的距離

10、每增加300 公里，則增加延時(shí)1 毫秒。：目前中國(guó)BPC發(fā)播臺(tái)每天發(fā)播21 小時(shí)。9表 2 世界上幾個(gè)主要的低頻時(shí)碼發(fā)播臺(tái)發(fā)播臺(tái)代號(hào)WWVBDCF77MSFJJY40JJY60BPC所屬國(guó)家美國(guó)德國(guó)英國(guó)日本日本中國(guó)地理位置科羅拉多州 柯林斯堡黑森州Mainflingen坎布里亞郡Anthorn福島 県田村市九州福岡/佐賀河南商丘虞城縣經(jīng)緯度北緯40 41西 經(jīng) 105 03北緯50 01東經(jīng)09 01北緯54 55西經(jīng)03 17北緯37 22東 經(jīng) 140 51北緯33 28東 經(jīng) 130 11北緯34 27東 經(jīng) 115 50載波頻率60 kHz77.5 kHz60 kHz40 kHz60

11、kHz68.5 kHz發(fā)射功率70 kW50 kW17 kW50 kW50 kW100 kW覆蓋半徑*2000 km1500 km1200 km1000km1000km3000 km注：真實(shí)接收效果受多種因素影響，覆蓋半徑僅供參考。表 3：中國(guó)BPC 低頻時(shí)碼編碼格式秒代號(hào) / 權(quán)重意義秒代號(hào) / 權(quán)重意義秒代號(hào) / 權(quán)重意義00P0無(wú)秒脈沖20P0無(wú)秒脈沖40P0無(wú)秒脈沖01P10=始于第01 秒21P11= 始于第21 秒41P12=始于第41 秒02P2預(yù)留位未用，為022P2同第00 19秒42P2同第00 19秒034時(shí)234304124440516分2545064264607127

12、47084星期2848091294910P3上 /下午與偶校驗(yàn)復(fù)用30501116日315112432521313353144月345415135551616年36561743757181385819P4年最高位與偶校驗(yàn)復(fù)用3959注： P0是幀間隔與幀預(yù)告標(biāo)志，設(shè)在每分鐘的00、 20、 40秒，是以缺少秒脈沖來(lái)標(biāo)志的。注：星期日以“7”表示。注： P3是校驗(yàn)位，它與“上午AM”、 “下午PM”標(biāo)志復(fù)用。P3為 0 或 1 表示上午，P3為2 或 3 表示下午。若我們把P3用一個(gè)兩位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，則其高位以0 表示上午，以1 表示下午。屏蔽P3的高位后，將表示“P1”、 “ P2”、 “

13、時(shí)”、 “分”、 “星期”的各碼值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后，和 P3的低位一起，其中 “ 1” 的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。也就是說(shuō)，P3的低位是P0之后直到P3之前的信號(hào)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼的 “偶校驗(yàn)位” 。注： P4是校驗(yàn)位，與“年”的最高位復(fù)用。若我們把 P4用一個(gè)兩位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，則其高位表示年的二進(jìn)制的最高位。屏蔽P4的高位后，將表示“日”、 “月”、 “年”的低 3 位的各碼值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后，和P4的低位一起，其中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。也就是說(shuō)， P4的低位是P3之后直到P4之前的信號(hào)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼的“偶校驗(yàn)位”。表 4：日本JJY 低頻授時(shí)編碼格式秒代號(hào) / 權(quán)重意義秒代號(hào) / 權(quán)重意義秒代號(hào) / 權(quán)重意義00FRM幀標(biāo)志位200未用，為040SU2目前未用，為00140分2104180年022022200一年中的日期（百位，十位）001 1 月 1 日365 12 月 31 日 （平年）366 12 月 31 日 （閏年）424003102310043200402404410058258045806426404640722720472081281048109P1標(biāo)志位29P3標(biāo)志位49P5標(biāo)志位100未用，為0308一年中的日期（個(gè)位）504星期0星期日6星期六1103145121220時(shí)322521131033153LS1閏秒預(yù)告位140340未用，為