常用授時方式介紹(上)

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

2、授時中心（或天文臺）， 把精確的時間，通過無線電波或其他傳播手段傳遞給用戶的過程。在這個過程中，由于傳遞方式的不同，會產(chǎn)生不同的授時誤差。廣播電臺報時先來看看多年來我們早已習慣的廣播電臺報時。現(xiàn)行的國家標準（GB/T 4961-1999）規(guī)定：廣播報時信號由六聲短音組成，在每小時的整點前報出五聲低音（800Hz） ，整點時報出一聲高音（1600Hz） ，并以該高音的起點作為整點信號。第一響（預(yù)告音）在59 分55 秒時報出，然后每秒一響，這五響預(yù)告音的持續(xù)時間各為0.25 秒，而整點時的一響為0.5秒。中央級廣播電臺的報時準確度應(yīng)優(yōu)于0.01 秒，地方廣播電臺的報時準確度應(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電臺廣播中的報時信號，然后用來將大鐘自動校準的。（可以在知識產(chǎn)權(quán)局的專利文獻數(shù)據(jù)庫中檢索到這樣的一些專利申請案。）但由于廣播電臺報時的授時精度太低，且只在整點（或半點）時發(fā)布，再加上目前有許多電臺（甚至包括央廣）的報時誤差嚴重超標（據(jù)業(yè)內(nèi)人士說這與直播實行延時播出制度有關(guān) ），因此，它僅能用于日常生活中的粗略對時。至于電視機所顯示的時間，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。低頻時碼授時為了提供高精度授時，我國從上世紀六十年代起籌建短波授時臺。1970 年 12 月，建于陜西蒲城的短波授時臺（BPM）開始試播，后來經(jīng)過

4、了擴建，從1981 年 7 月 1 日起正式發(fā)播。建于同一地的長波授時臺（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)播時間準確度達1 微秒。 BPM 和 BPL 的授時信號都要用專用接收機接收。低頻時碼授時技術(shù)是國際電信聯(lián)盟（ITU）一直推薦的一項技術(shù)。從上世紀九十年代開始， 國家授時中心就進行BPC 低頻時碼技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，后來和一家企業(yè)合作，于 2007年在河南商丘建設(shè)了采用低頻時碼授時技術(shù)的長波授時臺（BPC） ，該臺于2008年元旦開始正式發(fā)播。BPC時碼授時主要用于民用鐘表。目前我們所說的電波授時鐘表，通常就是指采用低頻時碼授時技術(shù)的鐘表。表 1

5、 是廣播電臺報時、低頻時碼授時、導(dǎo)航衛(wèi)星授時這三種常用授時方式的性能比較。由表中可見，低頻時碼授時技術(shù)對使用者來說，精度較高而成本較低。許多讀者希望研究低頻時碼授時技術(shù)，以便日后可以應(yīng)用于各種時控設(shè)備。下面就對此作一介紹。（溫馨提醒：若準備生產(chǎn)以BPC低頻時碼授時的產(chǎn)品，請與相關(guān)企業(yè)聯(lián)系獲得許可。 ）目前，世界上已有好多國家建立了低頻時碼發(fā)播臺，表2 列出了主要的幾個。低頻時碼授時技術(shù)的基本原理是：在授時中心，把原子鐘所保持的精確的標準時間，按特定的時間碼的格式進行編碼，編碼后的信號通過調(diào)制器以脈沖負極性鍵控（ASK） 方式調(diào)制到低頻載波上，最終以大功率無線電長波發(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碼的無線電信號，由集成芯片進行時碼信號的解調(diào)，再將此信號送入微控制器進行解碼等處理，得到時間信息，使鐘表上的時間與標準時間一致，每日定時接收校準而沒有累積誤差。各國的低頻時碼的編碼格式是不同的，此處僅舉兩例。表 3 是中國的BPC 低頻時碼編碼格式（資料來源：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利文獻數(shù)據(jù)庫）。表 4 是日本的JJY 低頻時碼編碼格式（資料來源：維基百科）。我國東部沿海地區(qū)可以收到日本的JJY60發(fā)播臺信號。日本的兩個JJY發(fā)播臺的載波頻率不同（分別是40MHz 和 60MHz），而授時編碼是一樣的。日本的JJY 時間碼編碼與美國的WWVB 編碼非常相似，但二進制數(shù)

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

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)送日期時間編碼，便于校驗復(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，分別表示四進制的0、1、 2、3（若以二進制表示則為00、01、10、11） ；三是P3、P4校驗位是碼位復(fù)用的。BPC 編碼是在每秒鐘開始時，降低載波功率，并持續(xù)上述脈沖寬度的時間來表示數(shù)字0 3。電波授時鐘表的具體使用方法，請參閱產(chǎn)品說明書或上網(wǎng)查閱。表 1 幾種常用授時方式的性能比較授時方式廣播電臺報時低頻時碼授時導(dǎo)航衛(wèi)星授時授時精度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)播時間，整點 /半點，24 小時連續(xù)，24 小時連續(xù)，信號更新頻度1 小時 /半小時每分每秒信號格式，單音頻短音序列，電波授時時間碼，定位授時電文，授時內(nèi)容整點 /半點信號，年月日時分年月日時分秒無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信號覆蓋范圍電臺信號覆蓋范圍全球接收穩(wěn)定性穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定適用地點能收聽到電臺處能收到電波信號處要求直視天空接收設(shè)備收音機電波鐘表專用接收器接收設(shè)備復(fù)雜性，（原設(shè)備無附加，一般，較復(fù)雜，接收設(shè)備成本無附加成本）適中較高整個系統(tǒng)成本（附加成本）很低較低極高注：與電臺的距離

10、每增加300 公里，則增加延時1 毫秒。：目前中國BPC發(fā)播臺每天發(fā)播21 小時。9表 2 世界上幾個主要的低頻時碼發(fā)播臺發(fā)播臺代號WWVBDCF77MSFJJY40JJY60BPC所屬國家美國德國英國日本日本中國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：真實接收效果受多種因素影響，覆蓋半徑僅供參考。表 3：中國BPC 低頻時碼編碼格式秒代號 / 權(quán)重意義秒代號 / 權(quán)重意義秒代號 / 權(quán)重意義00P0無秒脈沖20P0無秒脈沖40P0無秒脈沖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234304124440516分2545064264607127

12、47084星期2848091294910P3上 /下午與偶校驗復(fù)用30501116日315112432521313353144月345415135551616年36561743757181385819P4年最高位與偶校驗復(fù)用3959注： P0是幀間隔與幀預(yù)告標志，設(shè)在每分鐘的00、 20、 40秒，是以缺少秒脈沖來標志的。注：星期日以“7”表示。注： P3是校驗位，它與“上午AM”、 “下午PM”標志復(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用一個兩位的二進制數(shù)來表示，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”、 “分”、 “星期”的各碼值轉(zhuǎn)換成二進制后，和 P3的低位一起，其中 “ 1” 的個數(shù)為偶數(shù)。也就是說，P3的低位是P0之后直到P3之前的信號所對應(yīng)的二進制代碼的 “偶校驗位” 。注： P4是校驗位，與“年”的最高位復(fù)用。若我們把 P4用一個兩位的二進制數(shù)來表示，則其高位表示年的二進制的最高位。屏蔽P4的高位后，將表示“日”、 “月”、 “年”的低 3 位的各碼值轉(zhuǎn)換成二進制后，和P4的低位一起，其中“1”的個數(shù)為偶數(shù)。也就是說， P4的低位是P3之后直到P4之前的信號所對應(yīng)的二進制代碼的“偶校驗位”。表 4：日本JJY 低頻授時編碼格式秒代號 / 權(quán)重意義秒代號 / 權(quán)重意義秒代號 / 權(quán)重意義00FRM幀標志位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標志位29P3標志位49P5標志位100未用，為0308一年中的日期（個位）504星期0星期日6星期六1103145121220時322521131033153LS1閏秒預(yù)告位140340未用，為