一文看懂 | GNSS時(shí)間同步技術(shù)的發(fā)展史

現(xiàn)代社會(huì)中，精確的時(shí)間測(cè)量對(duì)人類(lèi)的許多活動(dòng)都至關(guān)重要：協(xié)調(diào)全球通信網(wǎng)絡(luò)、同步復(fù)雜的技術(shù)流程、確保金融交易中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、支持各類(lèi)科學(xué)研究，以及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。定位接收機(jī)主要用于定位和追蹤物體、人或動(dòng)物，其正確運(yùn)行有賴(lài)于精準(zhǔn)的GNSS時(shí)間同步。

在這些應(yīng)用中，往往被忽視的時(shí)間變量被看得甚至比定位信息還要重要。精確的時(shí)間測(cè)量對(duì)定位接收機(jī)的正常工作至關(guān)重要，過(guò)去150年來(lái)，“時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化”、“同步”和“優(yōu)化”這三個(gè)關(guān)鍵時(shí)間概念取得了顯著發(fā)展。如果沒(méi)有這樣的發(fā)展，精確的時(shí)間測(cè)量根本無(wú)從實(shí)現(xiàn)。

全球時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化為各部門(mén)、各地區(qū)的一致同步溝通、無(wú)縫國(guó)際合作和精準(zhǔn)活動(dòng)協(xié)調(diào)奠定了基礎(chǔ)。

這一發(fā)展歷程始于19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)歐洲和美國(guó)的鐵路系統(tǒng)需要精確協(xié)調(diào)時(shí)間。由于列車(chē)行駛距離遙遠(yuǎn)，可能會(huì)出現(xiàn)明顯的時(shí)差，例如美國(guó)東西海岸之間的時(shí)差。

全球時(shí)間同步起步于二十世紀(jì)40年代。從導(dǎo)航、電信一直到金融和電網(wǎng)系統(tǒng)，全球時(shí)間同步對(duì)廣泛的技術(shù)和行業(yè)都有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。

最后，時(shí)間優(yōu)化的重點(diǎn)是精度的實(shí)現(xiàn)，這離不開(kāi)精密原子鐘的發(fā)展。這類(lèi)高精度時(shí)鐘在精確測(cè)量時(shí)間方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)定位地球上的物體的重要支柱。

在GNSS時(shí)間同步、標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)世之前

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從一定程度上來(lái)說(shuō)，全球時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化起源于本地系統(tǒng)中列車(chē)到達(dá)和出發(fā)的協(xié)調(diào)。在工業(yè)化時(shí)代和鐵路系統(tǒng)出現(xiàn)之前，本地時(shí)間只會(huì)帶來(lái)一些小麻煩。旅行者（例如乘坐長(zhǎng)途車(chē)從倫敦前往曼徹斯特的旅行者）只需要在抵達(dá)曼徹斯特時(shí)調(diào)整一下手表即可。

隨著火車(chē)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，以及對(duì)組織性要求提高，這種局面發(fā)生了很大變化。在沒(méi)有時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化的情況下，在城市之間協(xié)調(diào)火車(chē)交通會(huì)給后勤帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。因此，在1884年的國(guó)際子午線(xiàn)會(huì)議之后，法國(guó)和英國(guó)等國(guó)家采用了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化。

這很可能是時(shí)間概念對(duì)于涵蓋運(yùn)輸和國(guó)際通信的跨國(guó)組織至關(guān)重要的最早實(shí)例之一。在這種情況下，時(shí)間與技術(shù)進(jìn)步依然涇渭分明，并且在火車(chē)的機(jī)制中沒(méi)有發(fā)揮任何作用。

一個(gè)世紀(jì)后，全球工業(yè)、金融、科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了對(duì)于精確度的需求，而傳統(tǒng)時(shí)鐘無(wú)法滿(mǎn)足這樣的需求。為了跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，這些部門(mén)需要的不只有標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間和相對(duì)精確的石英鐘。隨著工程師攻克技術(shù)難關(guān)，一種更復(fù)雜的時(shí)間測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生。

精確測(cè)量時(shí)間

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多年來(lái)，時(shí)間同步已成為全球技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。第一步就是精確的時(shí)間測(cè)量。1968 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 引入了更精確的秒測(cè)量方法，在這一成績(jī)中，原子鐘發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)電磁波頻率測(cè)量時(shí)間的概念起源于十九世紀(jì)70年代。詹姆斯·克萊克·麥克斯韋最先提出：時(shí)間測(cè)量可以通過(guò)特定類(lèi)型光的周期性振動(dòng)時(shí)間來(lái)確定，波長(zhǎng)用作長(zhǎng)度單位。

后來(lái)，在二十世紀(jì)10年代，尼爾斯·玻爾提出了電子具有量子化的能量狀態(tài)。這兩個(gè)理念構(gòu)成了原子鐘的運(yùn)作基礎(chǔ)。

原子鐘根據(jù)原子共振原理運(yùn)行，利用原子獨(dú)特的能級(jí)和躍遷。選定原子（如銫-133）暴露在其共振頻率的微波輻射中。這種暴露會(huì)導(dǎo)致電子的能級(jí)發(fā)生改變。于是，精確的微波頻率就成了時(shí)鐘的滴答機(jī)制。通過(guò)計(jì)算這些轉(zhuǎn)換，就可以定義時(shí)間。特定原子在兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷次數(shù)決定了秒。

多年后，當(dāng)伊西多·拉比首次嘗試制造原子鐘時(shí)，麥克斯韋和玻爾的理論貢獻(xiàn)得以實(shí)現(xiàn)。二十世紀(jì)40年代，哈羅德·里昂和他的團(tuán)隊(duì)在這種裝置的開(kāi)發(fā)中取得了進(jìn)一步進(jìn)展。但直到下一個(gè)十年（1955年），路易斯·伊森才制造出第一臺(tái)原子鐘。12年后，一秒被定義為銫原子振蕩9,192,631,770次的持續(xù)時(shí)間。

有了這項(xiàng)技術(shù)，地面應(yīng)用就成了首要目標(biāo)。然而，對(duì)定位應(yīng)用至關(guān)重要的衛(wèi)星時(shí)間同步很快成為該技術(shù)的應(yīng)用。

第一臺(tái)衛(wèi)星原子鐘

空間和衛(wèi)星技術(shù)方面的科技進(jìn)步共同對(duì)利用精確時(shí)間同步進(jìn)行全球定位和導(dǎo)航的想法產(chǎn)生了影響。雖然這一概念的提出者并不是具體某一個(gè)人，但美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室 (NRL) 在探索利用原子鐘為衛(wèi)星提供精確計(jì)時(shí)方面發(fā)揮了重要作用。

NRL的科學(xué)家和工程師認(rèn)識(shí)到了，精確時(shí)間測(cè)量在打造革命性導(dǎo)航系統(tǒng)方面的潛力。TIMATION計(jì)劃的首顆衛(wèi)星沒(méi)有安裝原子鐘，但該計(jì)劃為全球定位系統(tǒng) (GPS) 的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在TIMATION計(jì)劃與空軍621B計(jì)劃合并之后，隨后的NAVSTAR GPS計(jì)劃中的衛(wèi)星配備了第一批原子鐘。

1974 年，NAVSTAR GPS計(jì)劃發(fā)射了導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星1號(hào) (NTS-1)。這標(biāo)志著配備原子鐘的衛(wèi)星首次亮相，通過(guò)精確的時(shí)間同步測(cè)試全球定位。

這次任務(wù)表明，軌道上的原子鐘，特別是這次任務(wù)所用的銣頻率標(biāo)準(zhǔn)原子鐘，可以實(shí)現(xiàn)高度精確的計(jì)時(shí)和精準(zhǔn)的地球定位。

NTS-1的成功發(fā)射為GPS網(wǎng)絡(luò)的建立做出了巨大貢獻(xiàn)。NTS-1是GPS的前身，該衛(wèi)星依靠原子鐘提供準(zhǔn)確的時(shí)間，從而提供位置信息。如今，GNSS衛(wèi)星使用三種類(lèi)型的原子鐘：銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘。

從原子鐘的誤差到重力的微妙變化

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雖然原子鐘非常精確，但也并非萬(wàn)無(wú)一失的計(jì)時(shí)器。通過(guò)衛(wèi)星原子鐘進(jìn)行時(shí)間測(cè)量時(shí)，容易受到時(shí)鐘缺陷、溫度變化、振蕩器特性、老化、相對(duì)論效應(yīng)和大氣延遲的影響。

溫度變化會(huì)影響原子和原子鐘內(nèi)的振蕩器，導(dǎo)致時(shí)鐘頻率和穩(wěn)定性波動(dòng)，進(jìn)而影響時(shí)鐘精度。

定位衛(wèi)星軌道的高度約為地球上空20,200公里。在這個(gè)高度上，重力與地球表面的重力略有不同。

這種重力變化會(huì)影響衛(wèi)星相對(duì)于地球觀(guān)測(cè)者的時(shí)間流逝快慢，導(dǎo)致衛(wèi)星的時(shí)間流速略微加快。衛(wèi)星經(jīng)歷的相對(duì)論時(shí)間膨脹對(duì)時(shí)間測(cè)量有切實(shí)的影響。衛(wèi)星是不斷運(yùn)動(dòng)的，因此會(huì)受到來(lái)自地球的不同引力的影響，這進(jìn)一步增加了計(jì)時(shí)的復(fù)雜性。

大氣延遲是精確測(cè)量時(shí)間的另一個(gè)誤差來(lái)源。在沒(méi)有大氣層的世界里，計(jì)算信號(hào)從衛(wèi)星傳輸?shù)?GNSS 接收機(jī)所需的時(shí)間如同閑庭信步。遺憾的是，電離層會(huì)改變無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的傳播路徑，從而影響信號(hào)的傳播，導(dǎo)致時(shí)間估計(jì)不準(zhǔn)確。

由于這些誤差，衛(wèi)星原子鐘的計(jì)時(shí)需要不斷與地球上的參考時(shí)鐘進(jìn)行比較。

GNSS時(shí)間同步：地球時(shí)間計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施

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阿爾伯特·愛(ài)因斯坦

"我們必須牢記，所有涉及到時(shí)間的命題總是關(guān)于同時(shí)發(fā)生的事件的命題。"

—《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》1905 年

要利用衛(wèi)星技術(shù)確定地球上的一個(gè)人或物體的位置，必須至少有四顆衛(wèi)星將其位置和時(shí)間傳送給定位接收器。如果時(shí)間讀數(shù)不同，精確定位就無(wú)從實(shí)現(xiàn)，這種情況源于上一節(jié)提到的現(xiàn)象。

衛(wèi)星之間的時(shí)間信息同步對(duì)于計(jì)算精確定位數(shù)據(jù)至關(guān)重要。地面GNSS監(jiān)測(cè)站不斷監(jiān)測(cè)和調(diào)整這種同步。

除了持續(xù)觀(guān)測(cè)和收集衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)數(shù)據(jù)外，地面監(jiān)測(cè)站還會(huì)測(cè)量大氣數(shù)據(jù)，如電離層和對(duì)流層延遲，這些數(shù)據(jù)主要影響GNSS信號(hào)的準(zhǔn)確性。所收集到的數(shù)據(jù)隨后會(huì)得到處理，以識(shí)別GNSS信號(hào)中的誤差和變化。

GNSS監(jiān)測(cè)站通過(guò)向GNSS接收機(jī)提供校正數(shù)據(jù)，在提高位置計(jì)算的準(zhǔn)確性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這一過(guò)程可確保同步，并且有賴(lài)于原子鐘和GNSS時(shí)間服務(wù)器的精確計(jì)時(shí)。

GNSS監(jiān)測(cè)站的發(fā)展與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展史和拓展并駕齊驅(qū)。第一個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站于二十世紀(jì)50年代在約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 (APL) 建立。在全球首個(gè)實(shí)際投入運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，該監(jiān)測(cè)站發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，為GPS等民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)鋪平了道路。

GNSS監(jiān)測(cè)站只是更龐大的地面段的一部分。地面段對(duì) GNSS衛(wèi)星星座至關(guān)重要，包括控制中心、分段、天線(xiàn)和監(jiān)測(cè)站等各種設(shè)施。在過(guò)去70年中，GNSS地面段不斷發(fā)展，但其核心任務(wù)之一始終未變：確保授時(shí)信號(hào)的完整性。

時(shí)間的力量

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要在地球上準(zhǔn)確定位一個(gè)實(shí)體，需要的不只有空間信息。在全球范圍內(nèi)指定不同的時(shí)區(qū)、精確測(cè)量基本時(shí)間單位，以及在衛(wèi)星上部署原子鐘，這些都是當(dāng)前 GNSS 時(shí)間測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重要因素，而后者的發(fā)展又反過(guò)來(lái)促使定位接收器的精度得以提高。

盡管如此，即便是最精確的原子鐘也會(huì)出現(xiàn)漂移。衛(wèi)星時(shí)鐘和大氣條件的差異或漂移會(huì)帶來(lái)誤差，改變定位計(jì)算的結(jié)果，影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。實(shí)耗時(shí)間的差異最終會(huì)影響定位測(cè)量，因此必須通過(guò)確保地球上的計(jì)時(shí)精確度來(lái)糾正這種差異。

許多定位應(yīng)用都依賴(lài)時(shí)間同步來(lái)保證正常工作?，F(xiàn)在，您更清楚地了解了鐵路系統(tǒng)的組織工作、麥克斯韋的開(kāi)發(fā)工作和原子鐘如何影響目前用于精確定位物體和生物的 GNSS 時(shí)間測(cè)量。

u-blox擁有豐富的GNSS授時(shí)模塊

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一直以來(lái)，u-blox專(zhuān)注于為客戶(hù)提供豐富的芯片和模塊產(chǎn)品以及全面的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，賦能客戶(hù)以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與萬(wàn)物互聯(lián)。因此，u-blox擁有豐富的GNSS授時(shí)模塊，不僅具備高精度的優(yōu)勢(shì)，還能滿(mǎn)足包括安全性、低能耗等各類(lèi)需求。

其中，這兩款產(chǎn)品備受市場(chǎng)關(guān)注：

ZED-F9T

具有納秒級(jí)授時(shí)精度的多頻GNSS接收機(jī)

滿(mǎn)足嚴(yán)苛的5G授時(shí)要求

支持GPS、北斗、Galileo和GLONASS信號(hào)接收，適合全球部署

差分授時(shí)模式，實(shí)現(xiàn)高精度的局部授時(shí)

內(nèi)置安全功能，可抵御惡意攻擊

LEA-M8T

同時(shí)接收GPS/QZSS、GLONASS、北斗和 Galileo信號(hào)

市場(chǎng)領(lǐng)先的捕獲和跟蹤靈敏度

低占空比運(yùn)行最大限度地降低功耗

通過(guò)完整性監(jiān)控和警報(bào)實(shí)現(xiàn)高可靠性