中國網/中國發展門戶網訊 2020 年 7 月31日，習近平總書記在北鬥三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式上充分肯定北鬥系統建設取得的成就，並指出，北鬥三號全球衛星導航系統的建成開通，充分體現了我國社會主義制度集中力量辦大事的政治優勢，對提升我國綜合國力，對進一步增強民族自信心、努力實現「兩個一百年」奮鬥目標，具有十分重要的意義。
自1994年起，北鬥衛星導航系統（以下簡稱「北鬥系統」）建設經過了北鬥一號、北鬥二號到如今的北鬥三號工程，其性能可與美國全球定位系統（GPS）等媲美。作為國家戰略科技力量，中國科學院在北鬥系統精準定位的核心——時空基準的建立、保持和傳遞技術中給予了核心支撐，起到了中流砥柱作用；通過與工業部門密切協同，較好地履行了「面向國家重大戰略需求」的使命擔當。
時空基準技術是全球衛星導航系統實現精準穩定定位的基礎
時空基準的獲得源於天文學知識的積累，也是定位導航和定時技術（PNT）領域發展的基礎問題。全球衛星導航系統（GNSS）的定位離不開時空基準做參考，而根植於天文觀測技術的時空基準技術是所有導航定位定時技術的核心基礎。
GNSS 是天地一體化運行的全球域基礎設施。國際上四大衛星導航系統——美國GPS、俄羅斯全球衛星導航系統（GLONASS）、歐洲伽利略衛星導航系統（Galileo）和中國北鬥系統，其定位都是基於「三球交匯」的幾何測量原理並依靠現代微波通信技術、宇航技術等在地球空間大尺度實現的。不論是古時觀「星」的自然星，還是今日觀「星」的人造星，精準的定位定時是一切觀測的根本基礎。可見，導航衛星測定軌技術和計時守時技術（時空基準實現和傳遞）的精度水平是決定 GNSS 精準定位能力的關鍵。從 GNSS 原理可知，光速很大，以時間來推算距離，極其微小的衛星信號時間差就能導致測量上的巨大誤差。動態精確地建立衛星的坐標和時間基準是確保 GNSS 實現精準定位功能的關鍵核心。GNSS 衛星搭載的星務管理計算機和導航任務生成器需要時刻精確了解衛星自身的軌道位置和系統時間，而地球上的監測站網則會連續跟蹤衛星的軌道位置和保障準確的系統時間。以美國 GPS 為例：GPS 系統時間由衛星上的銫原子鐘和銣原子鐘保持，可精確到國際協調時（UTC）的幾納秒以內，而 UTC 目前由美國海軍天文臺的守時原子鐘組提供，其位於美國科羅拉多州施裡弗空軍基地內的主控站和運控段每天至少對每顆 GPS 衛星注入 1 次校正數據，其中就包括每顆衛星的軌道位置和星載時鐘的校正。
在空間基準方面。導航衛星的軌道參數需在準慣性的地心天球參考系中進行解算，因此需要知道測站所在地球位置點相對地心天球參考系的精準位置和姿態。為了解決這個問題，國際地球自轉服務參考組織（IERS）①協調全球各類天文望遠鏡觀星測地，實時公布地球相對地心天球參考系的各種複雜運動參數結果，用於導航衛星定位定軌所需的高精度時空基準坐標變換。此外，作為空間原初參考基準的遙遠恆星和河外天體（天球參考架的基準源）也有極緩慢且微弱的變化，這些天體的位置和運動參數需要不斷更新（平均每 5—10 年更新 1 次），而這也必須依靠天文測量觀測來實現。目前，國際上主要的天球參考架均由歐洲和美國編制。為了北鬥系統長遠發展和自主可控，我國急需填補獨立編制天球參考架的空白。目前，北鬥坐標系定義對標最新的國際地球參考框架，按照 IERS 規範每年更新 1 次。中國科學院天文領域專家保持著國際交流合作，積極跟蹤相關進展，支持著北鬥系統建設。
在時間基準方面。衛星搭載的時鐘都異常精準，普遍可達到 1 000 年只差 1 秒的水平，並由地面不斷校正，從而實現「時空統一，推算準確」。時空不能分割，GNSS 系統中各節點（如衛星上時間、地面段時間、用戶接收機時間）的時間信號同步性要求極高，否則無法精確做到由時間推算距離。在 GNSS 地面段生成軌道（空間基準支持測定軌）和鐘差（時間基準支持定時計時）2 類基礎電文參數中，衛星的鐘差獲取的精度已成為高精度導航定位服務的主要誤差源和發展瓶頸之一。目前，只有原子鐘具備高精度的計量時間能力。建立在現代原子分子物理學並以雷射波譜探測等高精密光電技術發展為基礎的高精度、高穩定性（星載/地面）原子鐘技術成為精準計時的必需手段。高精度的衛星導航定位服務對原子鐘、時間基準、時間同步等時頻類指標要求越來越高，如 GPSⅡR、GPSⅡF 等系列衛星的用戶測距誤差（URE）性能的提升，核心因素之一就是採用了更加穩定的星載原子鐘及相應的高精度時頻測量控制技術；Galileo 系統試驗衛星的偽距測量精度較高且穩定，在很大程度上也得益於其新型星載氫原子鐘的應用。
中國科學院為 GNSS 時空基準的保持和傳遞提供基礎支撐
北鬥系統是中國航天史上規模最大、建設周期最長、技術難度最大、信息交融最複雜、全球覆蓋面最廣的重大基礎設施工程，是我國自主建設、獨立運行、與世界其他衛星導航系統兼容共用的 GNSS。中國科學院天文領域研究單位默默耕耘，在空間坐標、觀星定軌測距和時間基準測量確定技術方面最早開展研究工作並始終保持行業領先，從基礎研究到成果轉化，全力支持國家衛星導航系統事業的建設發展，在北鬥天地一體化信息流中的時空基準保持和傳遞相關技術中發揮了核心引領作用
衛星測定軌和鐘差預報是傳遞時空基準的第一層技術
北鬥系統空間段由同步靜止軌道、同步傾斜軌道和中低橢圓軌道 3 種軌道衛星組成混合導航星座，而且地面監測站網是區域性的，沒有形成全球分布，因此衛星觀測弧段受限，對衛星軌道的測量不夠全面，這加大了衛星軌道和鐘差的確定難度。如何獲取衛星的準確實時位置信息，是首要、核心、關鍵、棘手的問題。
中國科學院上海天文臺（以下簡稱「上海天文臺」）在天體測量與天體力學和星座運行觀測、精密時間頻率標準等方面積累了時空坐標系變換與衛星測定軌精確計算的學科優勢，自北鬥一號起就支持北鬥系統地面段的部分相關「時空信息」模塊研製。首次提出並實現了「區域監測網+星間鏈路」的星地/星間聯合精密定軌技術，並特別設計了聯合定軌數據處理算法的穩健性和容錯性，發展了固定預報衛星軌道和監測站坐標、實時估計衛星鐘差的濾波估計方法。打造的北鬥系統地面段的信息處理系統部分基礎模塊，能實時修正誤差、多備份，以保持高可靠度，從而確保了北鬥系統空間信號精度堪與 GPS 比肩。
在葉叔華院士的帶領下，上海天文臺從 20 世紀 90 年代就開始承擔北鬥系統地面段時間統一系統的研製任務。持續研發新技術、新方法，克服種種困難，實現了從基礎天文學科研到工程化技術支撐的艱難轉型，突破了時間頻率信號淨化及長距離低損傳輸等關鍵技術，研製了時間頻率系統部分重要單機，包括主動型氫原子鐘、頻率切換器、頻率分配器、頻率淨化器、頻率相位微躍計等，為北鬥系統的長時間可靠運行「保駕護航」。
雷射衛星測距技術是輔助超遠測定軌的直接測量工具
衛星雷射測距技術是天文學研究中常用的一種實時測量技術。上海天文臺衛星雷射測距技術研究（SLR）始於 20 世紀 70 年代，並於 1972 年成功建成我國第一臺完整並投入應用的衛星雷射測距系統。上海天文臺先後研製出我國第一、二、三代衛星雷射測距系統，對帶有雷射反射器衛星的單次測距精度由最初的米級發展到現在步入國際前列的亞釐米級，並在我國衛星精密定軌、天文地球動力學、地殼運動監測等領域中起到了重要作用。通過上述應用，上海天文臺為北鬥三號高精度測量研製了國內首套可移動式全天時衛星雷射測距系統，突破了可移動平臺條件下高軌衛星白天雷射指向與瞄準、信號實時識別與探測等關鍵技術，實現了北鬥導航衛星釐米級精度的星地距離測量，獨立於無線電微波測量系統，應用於北鬥導航衛星軌道誤差、空間信號、導航定位等指標精度的標定。目前，雷射測距技術已作為北鬥系統地面運控系統唯一高精度星地距離直接測量手段，在北鬥系統中發揮著重要作用，並引領了國內可移動式衛星雷射測距技術發展。
此外，上海天文臺在國內首先開展雷射時間比對技術研究，實現了單光子探測器航天工程化應用，研製出星載雷射時間比對測量儀，並成功應用到北鬥系統；還在國際上首次實現導航衛星高精度星地雷射時間比對測量，在國外同領域中引起積極反響。
GNSS衛星的「心臟」——星載原子鐘
由於採用光速傳輸的電磁波信號進行測距，衛星 1 納秒的時間誤差可導致 0.3 米的距離測量誤差，因此精準的時間保障尤為重要。原子鐘是利用原子躍遷頻率非常穩定的特點進行計時的工具。目前，原子鐘在太空環境下能夠做到 300 萬年誤差 1 秒。全球四大 GNSS 的衛星均裝載了高性能原子鐘，包括銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘。
星載原子鐘為衛星系統提供極為穩定的時間頻率基準信號，因其必須穩定且不間斷地運行，而被稱為 GNSS 衛星的「心臟」。星載原子鐘的精度決定了 GNSS 的定位、測速和授時精度，是一個國家是否具備獨立發展 GNSS 能力的核心技術之一。星載原子鐘精度要求高，製造技術難度大，曾長期被美國、俄羅斯、瑞士等少數國家所壟斷。由於國外技術封鎖，星載原子鐘一度成為北鬥系統工程的技術瓶頸。
星載銣原子鐘
為了滿足北鬥系統工程建設需求，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院（其前身之一為中國科學院武漢物理與數學研究所，以下簡稱「武漢物數所」）梅剛華團隊開展了長達 20 餘年的科技攻關。該團隊利用具有完整自主智慧財產權的技術，突破了星載銣原子鐘精度、小型化、壽命、可靠性和衛星環境適應性等關鍵技術，研製出達到世界先進水平的星載銣原子鐘，使我國的星載銣原子鐘技術實現了從無到有、由有到精的跨越，實現了在北鬥導航衛星上的批量應用，為北鬥系統工程建設作出重要貢獻。
研製初期，武漢物數所雖有紮實的原子分子學等數學物理基礎，但對於宇航工程產品研製的工藝質量條件卻是「一窮二白」。1997 年，梅剛華團隊承擔了國內第一個星載原子鐘預研項目，從此開展星載銣原子鐘技術攻關。2007 年，星載銣原子鐘首次搭載試驗成功；2008 年開始，第一代星載銣原子鐘產品批量裝備北鬥二號衛星，精度為 3 納秒/天。為儘快達到世界先進水平，早在2011 年開展高精度銣原子鐘攻關的同時，梅剛華就大力呼籲同時上馬甚高精度銣原子鐘攻關，以對標美國 GPS 的增強型銣原子鐘同等性能指標，力爭做到天穩定度 3.8×10-15的性能指標，這再一次引領了國內同行的發展。如今，該團隊研究成果已實現了預期目標，達到國際領先水平。
在中國科學院精密測量科學與技術創新研究院的引領下，國內已經有多家科研機構具備研製星載銣原子鐘的能力。與靠大批次篩選獲得所需要性能產品不同，梅剛華團隊研發的星載銣原子鐘依靠設計合理保證了產品性能，第三代星載銣原子鐘的精度可滿足分米級導航定位精度需求。目前，北鬥三號全部 35 顆組網衛星都裝上了梅剛華團隊的星載銣原子鐘，在軌運行的星載銣原子鐘總數為 37 臺。
星載氫原子鐘
作為精密計時器具，氫原子鐘同時具備頻率穩定性好和漂移率小的特點，這對導航信號精度的提升非常有益。目前，國外僅 Galileo 系統的導航衛星搭載了星載氫原子鐘。上海天文臺自 20 世紀 60 年代起承擔我國 UTC（NTSC）的授時工作，20 世紀 70 年代研製出我國首臺地面主動型氫原子鐘。在此基礎上，上海天文臺聯合中國科學院上海技術物理研究所和上海航天電子技術研究所，於 2002 年開始啟動被動型星載氫原子鐘技術研究。經過三代科研工作者的原理探索和工程化改造，研製出了中國首代星載氫原子鐘產品，並於 2015 年 9 月搭載新一代北鬥導航試驗衛星升空，成為我國星載頻標領域新的裡程碑。
氫原子鐘需要做很多力學、熱學及抗輻射方面的特殊設計，才能滿足在軌工作 10 年以上的壽命要求。上海天文臺作為我國氫原子鐘的主要研製單位之一，堅持向小型化和高可靠性攻關，攻克了一系列難題：採用國產元器件和原材料，實現了星載氫原子鐘核心器部件自主可控；首次應用電極式微波腔，有效提高了星載氫原子鐘微波腔 Q 值及原子躍遷信號強度；首創了星載氫原子鐘時分雙頻調製技術，有效降低了星載氫原子鐘輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使得其溫度係數指標達到國際先進水平。
在北鬥三號全球系統建設中，上海天文臺已提供16 臺星載氫原子鐘，均在軌運行良好。星載氫原子鐘在軌作為主鍾使用並正逐步走向輕小型化。經測試評估，上海天文臺研製的星載氫原子鐘在軌天穩定度和漂移指標達到小係數 10-15 量級，長期預報精度提升 1 個數量級以上，誤差小於 1 納秒/天（約 600 萬年誤差 1 秒），從而大幅度提升了北鬥系統的時間基準精度。Galileo 星載氫原子鐘與我國星載氫原子鐘相比，兩者地面測試性能相當；但從在軌綜合表現來看，我國星載氫原子鐘實現的用戶測距誤差更小。國產星載氫原子鐘為北鬥系統提供全球高精度導航定位服務和自主運行做出了有力的技術支撐。
最穩定準確「定時」——時間溯源和評估校對
中國科學院國家授時中心（以下簡稱「國家授時中心」），前身為 1966 年成立的陝西天文臺，是我國唯一、專門、全面從事時間頻率基礎研究和應用研究的科研機構。自 20 世紀 70 年代初開始，國家授時中心承擔我國標準時間（北京時間）、標準頻率的產生與發播工作，同時採用 GNSS 共視、衛星雙向、GNSS PPP（精密單點定位）等多種手段，為我國通信、電力、交通、測繪、航空航天、國防等諸多行業和部門提供了點對點的超高精度時間頻率可靠服務。在國家標準時間產生方面，國家授時中心擁有在規模上國內第一、世界第四的守時原子鐘組，是國際原子時重要參與單位。雖然如今國家授時中心並非國內參加國際原子時計算的唯一單位，但只有國家授時中心建有獨立地方原子時。2019 年最新數據表明，國家授時中心的國際原子時計算權重國際排名第三，UTC（NTSC）與國際 UTC 的偏差在 ±5 納秒以內。該指標為國內最高、國際先進。
時間、軌道和信號是衛星導航系統的「三要素」。國家授時中心依託保持國家標準時間技術的優勢，圍繞北鬥系統的工程建設和穩定運行，在提高北鬥系統時間的準確度、可靠性和自主性方面，發揮了重要的作用。
為北鬥系統時間提供溯源參考。作為授時系統，其播發的時間必須與國際 UTC 建立溯源關係。國家授時中心基於穩定可靠的時頻技術積累，利用其保持的 UTC（NTSC），研製建成了北鬥系統時間溯源系統；並確立了與北鬥系統的常規比對關係，從溯源上高標準確保了服務信號的連續性，為北鬥系統時間（BDT）向國際 UTC 溯源提供了高精度的參考。中國衛星導航系統管理辦公室在 2019 年 12 月發布的《北鬥衛星導航系統空間信號接口控制文件精密單點定位服務信號 PPP-B2b（測試版）》中針對時間系統做了如下描述：「BDT 通過 UTC（NTSC）與國際 UTC 建立聯繫，BDT 與國際 UTC 的偏差保持在 50 納秒以內（模 1 秒）」。
負責北鬥系統時間性能的監測評估。參與了北鬥系統時間建設，積極承擔北鬥區域系統、試驗衛星工程、基本系統和北鬥全球系統 4 個階段的北鬥系統時間性能評估工作，促進北鬥系統的建設與完善。
負責北鬥授時性能的監測評估工作。建成我國第一套全面、實時連續運行的 GNSS 時差監測和授時性能評估系統，全面開展 GNSS 時間監測和服務性能評估工作，參與支持了北鬥系統的全球連續監測評估系統部分工作。對北鬥系統的授時性能進行數據評估，並運行維護 40 米天線的空間信號質量監測評估工作，為衛星入網服務的重要依據提供有效保障。
中國科學院在北鬥系統全球組網和國際協調中發揮重要作用
確保空間段時空基準和導航信息的高效融合，為北鬥系統全球組網提供保障
衛星是 GNSS 時空基準生成傳遞鏈條中的重要環節。中國科學院微小衛星創新研究院北鬥導航衛星研製團隊克服重重困難，先後完成了 12 顆北鬥導航衛星的研製和發射，尤其是 2018 年連續、高密度組批研製發射做到了保質按時，為北鬥系統全球組網星座部署提供了有力支撐，實現了眾多關鍵技術的突破與創新。2015 年首發衛星成功驗證了 Ka 星間鏈路體制、新型導航信號體制等關鍵體制類技術，為北鬥三號全球組網衛星技術狀態確定爭取了寶貴時間，奠定了堅實的技術基礎。
中國科學院的衛星研製在確保時空信號傳遞的高效性方面具備如下創新特色： 採用框架面板結構、單獨星敏感器定姿、高功能密度綜合電子架構等技術，打造了「中國科學院導航衛星專用平臺」，其重要軟體具有在軌重構升級能力，從而有效增強了衛星的適應能力和可擴展能力。突破了基於相控陣的 Ka 星間鏈路技術，實現了「一星通、星星通」，從而解決了制約北鬥全球組網的瓶頸問題。突破了高精度時頻無縫切換技術，解決了北鬥區域系統的連續性方面的短板，為實現全球系統信號的高連續性奠定了基礎。首次在導航衛星上採用大功率氮化鎵固態放大器，有效提高了信號質量；率先採用國產龍芯 CPU 晶片，有力推動了衛星核心器件從根本上的自主可控。突破了衛星自主診斷恢復技術，在完全沒有地面幹預的情況下，衛星可以進行自主健康診斷、故障隔離和恢復，極大提高了衛星的可用性。
時間基準的服務穩定連續，有效促進國際交流合作
衛星導航系統所有信號的生成、觀測、處理等設備都必須在統一的時頻信號的驅動下進行工作，時頻信號質量直接影響各類設備的工作水平，而時頻基準的高精度和高穩定性是信息層統一精確時標信息碼的基本保障。如果系統時間跳變，將導致全系統服務的不連續，可謂「牽一髮而動全身」。2019年7月，Galileo 由於地面段運控系統時間頻率同步系統出現了故障，服務一度中斷達 117 小時。雖然精度未超出承諾的 URE 7 米的指標，但由於服務連續性、可用性未達到指標要求，使得 Gallileo 國際形象大受影響。
確保GNSS服務連續好用，以及擁有深厚優勢的時間基準技術，是開展 GNSS 國際協調的基礎。 2017 年國家授時中心與歐洲守時實驗室的合作，初步實現了基於北鬥系統 7 000 公裡的長基線國際時間比對。該次比對試驗使用了北鬥共視的方法，精度達到了 2—3 納秒，其性能指標與 GPS 相當，這對北鬥系統實現國際化應用具有重要裡程碑意義。除此之外，國家授時中心還與多家世界主要時頻研究機構達成了北鬥系統時間比對合作意向。
全球四大 GNSS 通過加強兼容互操作，可有效改善觀測幾何條件，提高全球任何地區的定位精度，提升全球導航服務可用性。各 GNSS 之間開放信號的互操作可以在各自獨特設計的基礎上，實現頻譜的相似性，同時實現星座互補、時間互操作、坐標相互轉換，從而為用戶提供更好的服務。聯合國外空司於 2005 年 12 月成立了全球衛星導航系統國際委員會（ICG），其主要宗旨就是為了增強不同衛星導航系統之間的兼容與互操作，推動全球聯合應用。中國科學院天文領域研究人員是 ICG 大會的重要參與者：國家授時中心科研人員擔任互操作與服務標準子工作組聯合主席，上海天文臺科研人員擔任互操作工作組下設的國際衛星導航監測評估任務組聯合主席；並在時間互操作、導航信號兼容、系統間時差監測與播發方案等方面的國際協調中發揮了重要的作用，從而有力支持了中美、中歐等導航領域多邊國際合作交流工作。例如，在 2019 年 12 月 ICG-14 會議上，國家授時中心力主的基於統一、平等標準的系統對系統的直接時差監測技術得到了大會採納；在中俄衛星導航系統雙邊合作中，國家授時中心作為北鬥系統和 GLONASS 系統時間互操作的中方責任單位、上海天文臺作為專家組成員，積極推動了中俄雙方在時間、坐標參數等方面的交流，從而有力推動了雙邊合作。
習近平總書記在向聯合國全球衛星導航系統國際委員會第十三屆大會所致賀信中指出，「2035 年前還將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。中國願同各國共享北鬥系統建設發展成果，共促全球衛星導航事業蓬勃發展」。我國北鬥系統已經全面建成，正進入集成測試評估並穩定精準運行時期。面向新時代，走向「北鬥+」，中國科學院將繼續協同全國北鬥同仁持續砥礪前行，繼續夯實基礎，打牢基準，為全球衛星導航系統更好服務全球、造福人類貢獻智慧和力量。（作者：肖偉剛，中國科學院重大科技任務局高級工程師。《中國科學院院刊》供稿）
致謝本文撰寫過程中得到了上海天文臺齊朝祥研究員的悉心指導，特此感謝！