作者
Samuli Pietila
u-blox授时和基础设施GNSS产品管理总监
在GNSS时间同步、标准化问世之前
多年来，时间同步已成为全球技术进步的关键。第一步就是精确的时间测量。1968 年，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 引入了更精确的秒测量方法，在这一成绩中，原子钟发挥了至关重要的作用。
根据电磁波频率测量时间的概念起源于十九世纪70年代。詹姆斯·克莱克·麦克斯韦最先提出：时间测量可以通过特定类型光的周期性振动时间来确定，波长用作长度单位。
后来，在二十世纪10年代，尼尔斯·玻尔提出了电子具有量子化的能量状态。这两个理念构成了原子钟的运作基础。
原子钟根据原子共振原理运行，利用原子独特的能级和跃迁。选定原子（如铯-133）暴露在其共振频率的微波辐射中。这种暴露会导致电子的能级发生改变。于是，精确的微波频率就成了时钟的滴答机制。通过计算这些转换，就可以定义时间。特定原子在两个能级之间的跃迁次数决定了秒。
多年后，当伊西多·拉比首次尝试制造原子钟时，麦克斯韦和玻尔的理论贡献得以实现。二十世纪40年代，哈罗德·里昂和他的团队在这种装置的开发中取得了进一步进展。但直到下一个十年（1955年），路易斯·伊森才制造出第一台原子钟。12年后，一秒被定义为铯原子振荡9,192,631,770次的持续时间。
有了这项技术，地面应用就成了首要目标。然而，对定位应用至关重要的卫星时间同步很快成为该技术的应用。
第一台卫星原子钟
空间和卫星技术方面的科技进步共同对利用精确时间同步进行全球定位和导航的想法产生了影响。虽然这一概念的提出者并不是具体某一个人，但美国海军研究实验室 (NRL) 在探索利用原子钟为卫星提供精确计时方面发挥了重要作用。
NRL的科学家和工程师认识到了，精确时间测量在打造革命性导航系统方面的潜力。TIMATION计划的首颗卫星没有安装原子钟，但该计划为全球定位系统 (GPS) 的开发奠定了基础。在TIMATION计划与空军621B计划合并之后，随后的NAVSTAR GPS计划中的卫星配备了第一批原子钟。
1974 年，NAVSTAR GPS计划发射了导航技术卫星1号 (NTS-1)。这标志着配备原子钟的卫星首次亮相，通过精确的时间同步测试全球定位。
这次任务表明，轨道上的原子钟，特别是这次任务所用的铷频率标准原子钟，可以实现高度精确的计时和精准的地球定位。
NTS-1的成功发射为GPS网络的建立做出了巨大贡献。NTS-1是GPS的前身，该卫星依靠原子钟提供准确的时间，从而提供位置信息。如今，GNSS卫星使用三种类型的原子钟：铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟。
从原子钟的误差到重力的微妙变化
虽然原子钟非常精确，但也并非万无一失的计时器。通过卫星原子钟进行时间测量时，容易受到时钟缺陷、温度变化、振荡器特性、老化、相对论效应和大气延迟的影响。
温度变化会影响原子和原子钟内的振荡器，导致时钟频率和稳定性波动，进而影响时钟精度。
定位卫星轨道的高度约为地球上空20,200公里。在这个高度上，重力与地球表面的重力略有不同。
这种重力变化会影响卫星相对于地球观测者的时间流逝快慢，导致卫星的时间流速略微加快。卫星经历的相对论时间膨胀对时间测量有切实的影响。卫星是不断运动的，因此会受到来自地球的不同引力的影响，这进一步增加了计时的复杂性。
大气延迟是精确测量时间的另一个误差来源。在没有大气层的世界里，计算信号从卫星传输到 GNSS 接收机所需的时间如同闲庭信步。遗憾的是，电离层会改变无线电信号的传播路径，从而影响信号的传播，导致时间估计不准确。
由于这些误差，卫星原子钟的计时需要不断与地球上的参考时钟进行比较。
GNSS时间同步：地球时间计算基础设施
阿尔伯特·爱因斯坦
"我们必须牢记，所有涉及到时间的命题总是关于同时发生的事件的命题。"
—《论动体的电动力学》1905 年
要利用卫星技术确定地球上的一个人或物体的位置，必须至少有四颗卫星将其位置和时间传送给定位接收器。如果时间读数不同，精确定位就无从实现，这种情况源于上一节提到的现象。
卫星之间的时间信息同步对于计算精确定位数据至关重要。地面GNSS监测站不断监测和调整这种同步。
除了持续观测和收集卫星发射的信号数据外，地面监测站还会测量大气数据，如电离层和对流层延迟，这些数据主要影响GNSS信号的准确性。所收集到的数据随后会得到处理，以识别GNSS信号中的误差和变化。
GNSS监测站通过向GNSS接收机提供校正数据，在提高位置计算的准确性方面发挥着关键作用。这一过程可确保同步，并且有赖于原子钟和GNSS时间服务器的精确计时。
GNSS监测站的发展与卫星导航系统的发展史和拓展并驾齐驱。第一个卫星监测站于二十世纪50年代在约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 建立。在全球首个实际投入运转的卫星导航系统Transit系统的开发过程中，该监测站发挥了至关重要的作用，为GPS等民用卫星导航系统的开发铺平了道路。
GNSS监测站只是更庞大的地面段的一部分。地面段对 GNSS卫星星座至关重要，包括控制中心、分段、天线和监测站等各种设施。在过去70年中，GNSS地面段不断发展，但其核心任务之一始终未变：确保授时信号的完整性。
时间的力量
要在地球上准确定位一个实体，需要的不只有空间信息。在全球范围内指定不同的时区、精确测量基本时间单位，以及在卫星上部署原子钟，这些都是当前 GNSS 时间测量技术发展的重要因素，而后者的发展又反过来促使定位接收器的精度得以提高。
尽管如此，即便是最精确的原子钟也会出现漂移。卫星时钟和大气条件的差异或漂移会带来误差，改变定位计算的结果，影响系统的准确性。实耗时间的差异最终会影响定位测量，因此必须通过确保地球上的计时精确度来纠正这种差异。
许多定位应用都依赖时间同步来保证正常工作。现在，您更清楚地了解了铁路系统的组织工作、麦克斯韦的开发工作和原子钟如何影响目前用于精确定位物体和生物的 GNSS 时间测量。
