常用授时方式介绍(上)

——几种常用授时方式介绍（上）

怎样校准家里或工作场所的钟表？以前我们都是习惯于在整点时收听广播电台“嘟－嘟－嘟－„„嘀”的报时信号。现在呢，可用于对时的手段就很多了：除了听电台的整点报时信号外，还可以看电脑显示的时间、电视机屏幕上显示的时间、手机上的时间、汽车导航仪上显示的时间等等。这几种对时方法的准确程度是不一样的。有的可能只差半秒一秒，有的可能会误差十几秒。如果你对时间误差要求不高的话，那么上述对时方法都是可行的。但如果你对此有较高的要求，那么应该采用哪种“授时”方式来获得精确时间呢？

“授时”一词，据说源自《尚书》尧典篇：“历象日月星辰，敬授民时”。现代的“授时”，是指授时中心(或天文台)，把精确的时间，通过无线电波或其他传播手段传递给用户的过程。在这个过程中，由于传递方式的不同，会产生不同的授时误差。

广播电台报时

先来看看多年来我们早已习惯的广播电台报时。现行的国家标准（GB/T 4961-1999）规定：广播报时信号由六声短音组成，在每小时的整点前报出五声低音（800Hz），整点时报出一声高音（1600Hz），并以该高音的起点作为整点信号。第一响（预告音）在59分55秒时报出，然后每秒一响，这五响预告音的持续时间各为0.25秒，而整点时的一响为0.5秒。级广播电台的报时准确度应优于0.01秒，地方广播电台的报时准确度应优于0.05秒。

八十、九十年代，就有一些大型钟的控制电路是通过检测电台广播中的报时信号，然后用来将大钟自动校准的。（可以在知识产权局的专利文献数据库中检索到这样的一些专利申请案。）

但由于广播电台报时的授时精度太低，且只在整点(或半点)时发布，再加上目前有许多电台(甚至包括央广)的报时误差严重超标(据业内人士说这与直播实行延时播出制度有关)，因此，它仅能用于日常生活中的粗略对时。至于电视机所显示的时间，由于卫星传输等导致的延迟及加密解密导致的延迟，往往有较大的滞后误差。

低频时码授时

为了提供高精度授时，我国从上世纪六十年代起筹建短波授时台。1970年12月，建于陕西蒲城的短波授时台（BPM）开始试播，后来经过了扩建，从1981年7月1日起正式发播。建于同一地的长波授时台（BPL）则于1978年开始小功率发播，1983年起大功率发播。BPL的发播时间准确度达1微秒。BPM和BPL的授时信号都要用专用接收机接收。

低频时码授时技术是国际电信联盟（ITU）一直推荐的一项技术。从上世纪九十年始，国家授时中心就进行BPC低频时码技术的应用开发，后来和一家企业合作，于2007年在河南商丘建设了采用低频时码授时技术的长波授时台（BPC），该台于2008年元旦开始正式发播。BPC时码授时主要用于民用钟表。目前我们所说的电波授时钟表，通常就是指采用低频时码授时技术的钟表。

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表1是广播电台报时、低频时码授时、导航卫星授时这三种常用授时方式的性能比较。 由表中可见，低频时码授时技术对使用者来说，精度较高而成本较低。

许多读者希望研究低频时码授时技术，以便日后可以应用于各种时控设备。下面就对此作一介绍。（温馨提醒：若准备生产以BPC低频时码授时的产品，请与相关企业联系获得许可。）

目前，世界上已有好多国家建立了低频时码发播台，表2列出了主要的几个。 低频时码授时技术的基本原理是：在授时中心，把原子钟所保持的精确的标准时间，按特定的时间码的格式进行编码，编码后的信号通过调制器以脉冲负极性键控(ASK)方式调制到低频载波上，最终以大功率无线电长波发射出去。

而接收系统(即电波钟表)则通过磁棒天线接收含有低频时码的无线电信号，由集成芯片进行时码信号的解调，再将此信号送入微控制器进行解码等处理，得到时间信息，使钟表上的时间与标准时间一致，每日定时接收校准而没有累积误差。

各国的低频时码的编码格式是不同的，此处仅举两例。

表3是中国的BPC低频时码编码格式(资料来源：国家知识产权局专利文献数据库)。 表4是日本的JJY低频时码编码格式(资料来源：维基百科)。我国东部沿海地区可以收到日本的JJY60发播台信号。

日本的两个JJY发播台的载波频率不同(分别是40MHz和60MHz)，而授时编码是一样的。日本的JJY时间码编码与美国的WWVB编码非常相似，但二进制数0、1及标志位的表示方法与WWVB不同。

JJY编码是在每一秒开始时，载波增长至全功率，经过规定时间载波减小10dB，至10％功率，以此表示三种不同的信号：0.8秒全功率接着0.2秒降低功率表示二进制的“0”，0.5秒全功率接着0.5秒降低功率表示二进制的“1”，0.2秒全功率接着0.8秒降低功率表示标志位。

JJY编码是以一分钟为一帧信号，每分钟的00、09、19、29、39、49、59秒是标志位，其余53秒每一秒表示一位二进制数，并且用BCD码表示本地标准时间。

绝大多数国家的低频时码都是一分钟一帧信号。

中国的BPC授时编码格式与其他国家编码的不同点有以下几处：一是BPC编码每分钟分为三帧，分别从00、20、40秒开始，这三帧重复发送日期时间编码，便于校验复核；二是调制在载波上的方波秒脉冲是以0.1s、0.2s、0.3s、0.4s四种脉冲宽度，分别表示四进制的0、1、2、3（若以二进制表示则为00、01、10、11）；三是P3、P4校验位是码位复用的。

BPC编码是在每秒钟开始时，降低载波功率，并持续上述脉冲宽度的时间来表示数字0～3。

电波授时钟表的具体使用方法，请参阅产品说明书或上网查阅。

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表1 几种常用授时方式的性能比较 授时方式 广播电台报时 低频时码授时 导航卫星授时 授时精度 10毫秒 0.1毫秒 0.1微秒 地理位置影响精度 影响 ⑴ 影响 ⑴ 不影响 发播时间， 整点/半点， 24小时连续⑵， 24小时连续， 信号更新频度 1小时/半小时 每分 每秒 信号格式， 单音频短音序列， 电波授时时间码， 定位授时电文， 授时内容 整点/半点信号， 年 月 日 时 分 年 月 日 时 分 秒 无日期信息 以及秒脉冲 以及秒脉冲 载波频段， 中波/短波/超短波， 长波， 分米波， 主要传播方式 天波与地波 地波与天波 直线传播 覆盖范围 电台信号覆盖范围 电台信号覆盖范围 全球 接收稳定性 稳定 稳定 稳定 适用地点 能收听到电台处 能收到电波信号处 要求直视天空 接收设备 收音机 电波钟表 专用接收器 接收设备复杂性， (原设备无附加， 一般， 较复杂， 接收设备成本 无附加成本) 适中 较高 整个系统成本 (附加成本)很低 较低 极高 注⑴：与电台的距离每增加300公里，则增加延时1毫秒。 ⑵：目前中国BPC发播台每天发播21小时。

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表2 世界上几个主要的低频时码发播台 发播台代号 WWVB DCF77 MSF JJY40 JJY60 BPC 所属国家 美国 德国 英国 日本 日本 中国 地理位置 科罗拉多州 黑森州 坎布里亚郡 福岛 九州 河南 商丘 柯林斯堡 Mainflingen Anthorn 県田村市 福冈/佐贺 虞城县 经纬度 北纬40° 41' 北纬50° 01' 北纬° 55' 北纬37°22' 北纬33°28' 北纬34°27' 西经105°03' 东经09° 01' 西经03° 17' 东经140°51' 东经130°11' 东经115°50' 载波频率 60 kHz 77.5 kHz 60 kHz 40 kHz 60 kHz 68.5 kHz 发射功率 70 kW 50 kW 17 kW 50 kW 50 kW 100 kW 覆盖半径 * 2000 km 1500 km 1200 km 1000km 1000km 3000 km 注：真实接收效果受多种因素影响，覆盖半径仅供参考。

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表3：中国BPC低频时码编码格式

秒 代号/ 权重 意 义 秒 代号/ 权重 意义 秒 代号/ 权重 意 义 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 P0 P1 P2 4 1 16 4 1 4 1 P3 16 4 1 4 1 16 4 1 P4 无秒脉冲 ⑴ 0=始于第01秒 预留位未用，为0 时 20 21 22 23 24 25 26 27 28 P0 P1 P2 无秒脉冲 ⑴ 1=始于第21秒 40 41 42 43 44 45 46 47 48 P0 P1 P2 无秒脉冲 ⑴ 2=始于第41秒 分 星期 ⑵ 上/下午与偶校验复用 ⑶ 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 49 50 51 52 53 55 56 57 58 59 同第00 －19秒 同第00 －19秒 日 月 年 年最高位与偶校验复用 ⑷

注⑴：P0是帧间隔与帧预告标志，设在每分钟的00、20、40秒，是以缺少秒脉冲来标志的。 注⑵：星期日以“7”表示。

注⑶：P3是校验位，它与“上午AM”、“下午PM”标志复用。P3为0或1表示上午，P3为2或3表示下午。若我们把P3用一个两位的二进制数来表示，则其高位以0表示上午，以1表示下午。屏蔽P3的高位后，将表示“P1”、“P2”、“时”、“分”、“星期”的各码值转换成二进制后，和P3的低位一起，其中“1”的个数为偶数。也就是说，P3的低位是P0之后直到P3之前的信号所对应的二进制代码的“偶校验位”。

注⑷：P4是校验位，与“年”的最高位复用。若我们把P4用一个两位的二进制数来表示，则其高位表示年的二进制的最高位。屏蔽P4的高位后，将表示“日”、“月”、“年”的低3位的各码值转换成二进制后，和P4的低位一起，其中“1”的个数为偶数。也就是说，P4的低位是P3之后直到P4之前的信号所对应的二进制代码的“偶校验位”。

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表4：日本JJY低频授时编码格式

秒 代号/ 权重 意 义 秒 代号/ 权重 意 义 秒 代号/ 权重 意 义 00 FRM 01 02 03 04 05 06 07 08 09 11 40 20 10 0 8 4 2 1 P1 0 帧标志位 20 0 21 0 22 200 23 100 24 0 25 80 26 40 27 20 28 10 未用，为0 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 （闰年） 40 SU2 目前未用，为0 41 80 42 40 43 20 44 10 45 8 46 4 47 2 48 1 分 年 标志位 未用，为0 29 P3 标志位 一年中的日期 （个位） 49 P5 标志位 星期 0＝星期日 6＝星期六 10 0 12 20 13 10 14 0 15 8 16 4 17 2 18 1 19 P2 30 8 31 4 32 2 33 1 34 0 50 4 51 2 52 1 53 LS1 未用，为0 时的偶校验位 分的偶校验位 目前未用，为0 标志位 LS2 55 0 56 0 57 0 58 0 59 P0 闰秒预告位 ⑴ 闰秒类型 ⑵ 时 35 0 36 PA1 37 PA2 38 SU1 未用，为0 标志位 39 P4 标志位 ⑶ 注⑴：预告闰秒将发生在现行UTC（国际协调时）月份结束时，该预告位在上述UTC月份开始时置位。 注⑵：闰秒类型：1＝增加1秒，0＝删除1秒。

注⑶：P0总是在一分钟的最后一秒。当发生正闰秒时，增加的一位0插在它的前面，而标志位P0则在第60秒时发送。

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