几近零误差!高考考场使用的电波钟能精准校时

中科院物理所2020-06-29 16:43:55

5月16日,武汉市高考中考工作局际联席会公布,今年高考考场将全部更换为智能化自动校时的电波钟,考生不能戴手表进入考场。其实早在2012年6月2日,福建省教育考试学院就已经采购电波钟应用于福建省高考考场,这是电波钟首次用于高考考场计时。


机智的童鞋肯定会问,这电波钟表到底是什么东东?与传统钟表相比,它又具有哪些特点?


电波钟是为何物?


想搞懂电波钟,大家可以首先了解一下现代的“电子钟表班”成员:


l 石英钟


目前,我们最常用的是石英钟,属于电子钟表,价格低廉,一般每秒误差万分之一秒。


石英钟表计时原理是:给石英晶体加额定的电压后,经过压电效应输出某一固定频率,通过分频电路产生出1PPS(秒)信号,经过人为设定当前时刻后,以时、分、秒组合指针或数码管、液晶显示在屏幕上。抛开石英的老化问题暂且不谈,温度浮动等客观条件变化,也都会影响石英晶振的振动频率。因无法自动比对,石英钟的时间慢慢就与标准时间差距越来越大。


l 原子钟


相比于石英钟,原子钟则是“电子钟表班”中的优等生——精确度可以达到每百万年误差一秒。原子钟顾名思义,是利用原子本身的固有且稳定的特性来计时的。目前我们常用铯、氢、铷等元素,这些原子在能量跃迁时会发出稳定的电磁波。利用其自然共振频率,完成准确的计时工作。


l 电波钟


电波钟是依托于原子钟所产生的精确时间而存在的,是继石英钟表之后的新一代计时工具。


电波钟分为两类:


1、北斗卫星电波钟:接收卫星发出标准时间的微波信号


该类电波钟接收的微波信号属于直射波,穿透能力差,不能绕射,在室内就无法接收到北斗卫星信号,北斗卫星电波钟就无法正常工作。但在室外空旷区域,可以全天候接收工作。


图片来源:http://www.360doc4.net/articlenew/500508618.html

 

2、BPC(低频时码)电波钟:接收BPC标准时间长波信号


该类电波钟内置有接收天线,接收国家授时中心位于河南商丘的BPC发播台发射的时码信号,通过解码得出当前准确的时间。长波主要靠沿着地球表面的地波传播,其传播损耗小,绕射能力强,地波覆盖的区域内,低频钟在室内可以正常接收并校时。前文提到高考考场所用的电波钟就是这类。

 

图片来源:http://www.vicis.cn/product-3-207.aspx

 

图片来源:http://www.vicis.cn/product-3-207.aspx

 

至于“低频时码”授时,即是频率在20KHz-100KHz范围内的一种特殊的长波授时,目前的幅度调制授时能达到亚毫秒级精度。低频时码授时技术对使用者来说,精度较高而成本较低,是主要的民用钟表校时技术。也正是因为拥有此技术,中国成为世界上继德国、美国、英国、日本之后第五个实现长波授时技术民用化的国家。钟表业界认为,电波钟表开拓了计时器具新里程,将引发钟表产业革命性变化。


生活中,我们如果想要收听广播台的节目,打开可以接收广播的收音机调整至节目所在波段就可以收听了。原子钟产生的时间就像广播台中传播的信息,通过发播台的发射装置,向广大电波钟发出;


同样的,电波钟作为“用户端”,像收音机一样拥有接收装置,只不过电波钟接收到的是特殊的编码电波。电波钟根据收到的信息来调整时间,是原子钟的忠诚“跟班”。


不过电波钟并不是时刻与商丘发播台的原子钟“大哥”保持联系,作为“小弟”的电波钟,每天接收一次BPC无线发播台发射的时码信号,时间的保持依旧靠石英晶体产生的秒来走时,但却不会像石英钟那样日复一日积累误差。


可以说,电波钟是收听时间的机器。

 

电波钟所依靠的授时系统


电波钟是低频时码授时技术的终端应用产品之一。


上世纪九十年代,根据国际电信联盟推荐,国家授时中心部署低频时码授时技术研究,低频时码授时采用载频为68.5KHz的连续波时码授时体制技术,在信号设计、合成、频率共用等多方面取得突破性成果,核心技术拥有自主知识产权。


1999年与BPL长波台天线分时共用试播成功;2002年建成BPC低频时码授时台并试验发播;2007年,考虑到覆盖环渤海和长三角主要经济区的目标,国家授时中心在河南商丘建成一座大功率BPC低频时码授时连续发播台,全天21小时(8:00——次日5:00,5:00-8:00停机检修)定时发播,地波信号覆盖1000公里,天波信号覆盖3000公里,构筑了我国新一代低频时码授时系统,技术指标处于国际先进水平。定时精度亚毫秒(0.1ms)量级,为我国电波钟表产业化提供了技术支撑。


值得一提的是,圈内对于商丘所发出的BPC电波有另一个趣称——“丘波”,原来商丘BPC发播台一直以来所做的工作就是向我们“暗送秋波”呢!


另外,电波钟所接收到的时间信息不止是时分秒,还有年月日以及星期信息。

 

关于电波钟的一些其他问题


l 信号并不是无处不在


中国地域广阔,商丘发播台能够覆盖的范围却有限。该台发射的 BPC低频时码信号包括天、地波信号。通常,在半径500公里的范围内,电波钟可以正常接收校时。但随着距离的增加,低频时码信号的场强在减弱。


另外,信号质量不仅受外界信号干扰,还受天气、位置等环境因素影响。在楼房深处由于建筑物的屏蔽作用,信号质量不稳定是正常现象。特别是在边缘地区,就只有夜间时段偏向户外的位置可以接收到信号了。当然,如果确实接收不到信号的时候,也仍然可以通过手动方式调整时间。

 

l 国外淘来的的电波钟能用吗?


有朋友更喜欢日本设计师设计的电波钟,只是这种电波钟接收的是日本校时电波,自动校对日本时间,总是比国内快一个小时。不过也是可以改造的。这里所说的改造并不是简单回拨,正常改造要采用拆表针回拨一小时的方法,否则睡前调整好正常的北京时间,早上起来还是会自动变成了早一小时的东京时间,不过非常适合起床困难症患者使用。

 

l 普及还需要时间


从高考使用电波钟的过程来看,电波钟的普及速度还并没有和其精度的提升相匹配,不过随着人们生活节奏不断加快,以及工业上对时间的精确要求,相信电波钟还是会继续普及直至占领一席之地。


如果你刚好需要钟表,使用电波钟让你们“1314”“520”的承诺精确到秒吧!

 

(本文中标明来源的图片均已获得授权)

 

出品:科普中国

制作:中国科学院国家授时中心 吉宁

监制:中国科学院计算机网络信息中心


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编辑:loulou


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