北鬥為我們導航，誰為北鬥「導航」？丨中國科學院撐起北鬥導航系統的時空基準

原文《中國科學院為國家GNSS之時空基準提供基礎支撐》即將刊發於《中國科學院院刊》

肖偉剛

中國科學院重大科技任務局

都知道時空變幻、鬥轉星移，一般人未必明白「時空基準」（空間坐標標準和時間確定標準的基本參考）在導航系統中重要性。對於全球衛星導航系統（GNSS，Global Navigation Satellite Systems）的使用，地球上人類已經習以為常，日用而不究其所以然了。導航就需要定位，自然離不開時空基準做參考，所以根植於天文觀測技術的時空基準技術是所有導航定位授時（PNT，Pointing Navigation and Timing）技術的核心基礎。

習總書記在2020年新年賀詞中談到：「北鬥全球導航建設進入了衝刺期」，對國家基礎信息系統中這一至關重要、分秒依賴的國之重器的建設發展成果給予了充分的肯定。我國的GNSS即北鬥導航系統自1994年起經過了一號、二號到如今的北鬥三號工程，系統性能做到了與美國GPS、俄羅斯GLONASS等相當。

中國科學院作為國家戰略科技力量，給予了核心支撐，起到了中流砥柱作用，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，本文主要從GNSS原理以及實現精準定位功能所依賴的最核心關鍵技術-時空基準技術入手來闡述科學院的基礎性支撐貢獻。

1 GNSS與時空基準

GNSS基本原理

GNSS從原理上講，是現代科技手段支撐下面向大空間尺度（地球宇宙空間）的動態的位置解算方法，是高級邏輯即幾何學計算依靠現代通信技術、宇航技術等來實現的。

目前，國際上四大衛星導航系統GPS、GLONASS、Galileo和北鬥衛星導航系統的定位原理都是相同的，均是採用三球交會的幾何原理來實現定位：以衛星為球心，距離為半徑畫球面；三個球面相交得兩個點，根據地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。用戶觀測出自身到三顆衛星的距離；用戶已知此時衛星的精確位置。

立體幾何三球交會定位原理示意圖

GNSS實現定位方法核心概念的著眼點是「到達時間差」（時延），即利用每一顆衛星的精確位置和連續發送的星上原子鐘生成的導航信息獲得從衛星至接收機的到達時間差。

衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號，供用戶接收機接收。接收機接收到信號的時刻要比衛星發送信號的時刻延遲，即時延，衛星到接收機的空間距離就是通過該時延來確定，由於誤差的必然引入所以稱為偽距。衛星和接收機同時產生同樣的偽隨機碼，一旦兩個碼實現時間同步，接收機便能測定時延；將時延乘上光速，便得到距離。

衛星上裝有精度極高的原子時鐘，可確保時延測量的高精度。但用戶接收機的時鐘一般並不是原子時間，所以常常需要第四個衛星的信號作為確定時間的參照，接收機需要使用第四顆衛星來決定時間並用來糾正接收機鐘差，從而修正接收機時鐘造成的距離誤差。

因為確定一個空間點需要三維坐標，所以用戶只要能看見三顆衛星，分別確定用戶到這三顆星的距離就可以求出其位置。

GNSS實現穩定精準定位，時空基準技術是基礎

從GNSS原理上可見，由時間算距離，因為光速很大，一個非常小的衛星信號時間差就會導致測量上的巨大誤差。針對GNSS星座中每一顆衛星的精確的測定軌技術和體系中各節點精確的時間計量技術是確保GNSS實現精準定位功能的關鍵技術之中的核心所在，即必須動態精確地建立衛星的坐標和時間基準。每顆GNSS衛星上的星務管理計算機和導航任務生成器非常精確地了解其軌道位置和系統時間，而地球上監測站網保持連續跟蹤衛星的軌道位置和系統時間。

例如，對於美國GPS來說，位於科羅拉多州施裡弗（Schriever）空軍基地內的主控站與其運控段一起，至少每天一次對每顆GPS衛星注入校正數據。注入數據包括：星座中每顆衛星的軌道位置測定和星上時鐘的校正。這些校正數據是在複雜模型（坐標變換、參數修正）並結合日常緊密跟蹤觀測的基礎上算出的，可在幾個星期內保持有效。GPS系統時間是由每顆衛星上的銫原子鐘和銣原子鐘保持的，精確到世界協調時（UTC，Universal Time Coordinated）的幾納秒以內，UTC是由美國海軍天文臺的守時鐘組保持的，由於銣原子鐘的長期穩定性好，目前逐步改變為更多地採用銣原子鐘。

由此可見，GNSS作為天地一體化運行的全球域基礎設施，固然需要現代微波通信電子技術所包含的一切先進技術，小到微波功率器件的工藝水平，大到衛星監測站全球布局，作為一個人造的巨型產品，衛星測定軌技術和原子鐘等計時守時技術（時空基準實現）的精準性精確性水平是GNSS實現精準定位的核心技術之核心。

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URE（User Range Error,用戶測距誤差，導航星座的用戶偽距精度的一個重要指標，用來評判定位性能）性能的提升，核心因素之一就是採用了更加穩定的星鍾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比較高且穩定，在很大程度上得益於其新型星載氫鐘的應用。

由於時空不可分割，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）兩類基礎電文參數中，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，實質上，時空基準問題也正是包含GNSS在內的PNT（Pointing Navigation and Timing，定位導航和定時）技術領域發展的基礎問題。

時空基準技術與天文物理等相關基礎研究的關係

古時人類依靠觀星觀景來為自身定位定向、航海導航和判斷季節時辰等，隨著科技的進步，導航技術、方法、手段均變得日益精巧和便捷。但細心觀察，會發現原始方法仍然在人們的日常生活中應用著。如常將城市中某座高樓大廈、電視塔、立交橋作為定位定向參考物，甚至一塊商店招牌都可成為朋友約會見面的參考點，有些略懂天文的人還會根據時辰利用日月和北鬥星等天體協助定方向。

人類花了很多心血來認識地球及其所在的太陽系乃至整個星空宇宙，特別是近代三百年來牛頓和愛因斯坦等人提出的偉大科學理論（牛頓三大定律尤其是克卜勒定律，相對論效應也需在距離測算中考慮）和無線電測量技術等的飛速發展，使得人類可以參考人造地球衛星為自身和萬物定位導航和授時。

不過，天空中這些人造「北鬥星」--導航衛星，依然離不開「觀星」作為參考基準和手段來確定其自身的空間指向和位置。這其中，具有千年歷史且專注於測量天體位置和運動的天體測量和天體力學，背後默默支撐著全球導航衛星系統（GNSS）的發展，從這點看，古往今來所有時空基準的源頭均植根於天文學。

先說空間基準，當今的力學體系下，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，但測量是在地面上進行的，這就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。

通常人們認為地球像個陀螺在平穩悠然地自轉著，其實並不平穩，而是變化多端、曲折懸疑，大有文章，因為我們需要的是基準，確保精確平穩到細微。日月行星會對地球產生「東拉西扯」的攝動使得地球形變且自轉軸在慣性空間產生「西退和點頭」（天文術語稱其為歲差章動），此外，地球自身的大氣和內部物質存在難以精準預測的複雜運動，使得地球各個板塊相對地心不停的漂移，而地面上測定空中衛星的測控站在地心天球參考系中也在隨地球「飄忽不定」，地球上的「差之毫厘」，衛星那裡有可能「謬以千裡」。

為了解決這個問題，國際地球自轉服務參考組織IERS(International Earth Reference Service,歐美主導，中國是重要成員)協調全球的各類天文望遠鏡觀星測地，準實時地公布地球相對地心天球參考系的各種複雜運動參數結果，為導航衛星定位定軌所需的高精度時空基準坐標變換所用。

此外，作為空間原初參考基準的遙遠恆星和河外天體（天文術語稱其為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也需要不斷更新（目前平均每5-10年更新一次），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是歐洲和美國編制，我國需要填補獨立編制天球參考架的空白，否則一旦後期被歐美斷供「卡脖子」，我國的北鬥導航衛星系統也會受到影響。北鬥坐標系定義按照IERS規範，對準於最新的國際地球參考框架，每年更新一次，中國科學院天文領域專家保持著積極的國際交流，支持北鬥建設。

再說時間基準，由於所有的信號都是以光速傳播的電磁波，例如每顆衛星隨身攜帶的時鐘都異常精準，普遍要達到1000年只差一秒的水平，並由國家統一提供時間基準實現統一計時，這樣才能使得「時空統一，推算準確」。時空不能分割，GNSS系統中各節點（衛星上時間、地面段時間、用戶接收機時間）的時間信號同步性是要求極高的，否則無法精確做到由時間推算距離。

由於只有原子鐘做到了高精度的計量時間能力，所以，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為表徵基礎上的高精度高穩定性原子鐘技術（星載、地面）成為必需的手段。

2 中國科學院為GNSS時空基準提供基礎性、核心性支持

我國的GNSS即北鬥導航系統是中國航天史上規模最大、系統建設周期最長、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全球衛星導航系統。

從GNSS原理上看，現代衛星導航系統的技術實現基礎是偽距測量，偽距測量的本質是時間測量，用於導航定位的偽距觀測方程實際上就是各類時延關係的綜合表達，可見時間基準在測量關係的鏈條中是最基礎最核心的部分，當然空間基準反應了空間大尺度坐標（地球坐標系、天球坐標系等在觀星定軌中必不可少）的準確度，宇宙萬物置於其中，自不必說。

「千裡之行，始於足下」、「基礎不牢，地動山搖」，中國科學院天文領域研究所一直為國家衛星導航系統事業的建設發展默默耕耘支持，深耕天文積累，轉化基礎研究，國內最早在空間坐標和時間基準測量確定技術方面提供基礎支持並一直引領著同行業相關技術的發展。

導航「大腦」之重要組成部分—信息處理系統

如前所述，GNSS地面段運控系統的時間頻率同步系統和信息處理系統就相當於人體維持正常生理活動功能的交感神經中樞，衛星星曆和鐘差信息都在這裡給出並上注。定位需要有參照系，必須溯源於時空基準，而精確的時空基準測量，歷史來源於觀測宇宙，今天發展到原子計時時代依然離不開天文觀測，因為時空參考架的持續性校核問題。天體力學測量和星座運行觀測等學科研究基礎，形成了時空坐標系變換與衛星測定軌精確計算的優勢基礎，是上海天文台歷史以來的基礎研究的積累。

GNSS作為一種不斷運行的系統，需要提供每周7天每日24小時連續不間斷的服務。信息處理系統是導航系統地面運控系統主控站的重要組成系統之一，提供在統一時間、空間基準中的衛星軌道位置和衛星鐘時間，並通過導航電文播發給北鬥用戶，被喻為GNSS的「大腦」。

各國GNSS基本原理都一致，但技術實現上有些具體差異，我國的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三種不同類型的軌道衛星組成混合星座，此外，北鬥的地面監測站網是區域性的，沒有形成全球分布，衛星觀測弧段受限，對衛星軌道的測量不夠全面，這都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的位置信息？這個問題首要、核心、關鍵、棘手。為了保證導航衛星時空信息的精確性和穩定性，上海天文臺科研人員依託於在天體測量與天體力學、精密時間頻率標準等優勢學科數十年的科研積累，從「零」到「有」，大到方案設計，小到計算公式，都一再反覆推算和檢驗，最終完成了大運算量數據整理、編輯、計算、存儲、發送的計算機軟硬體集成，造就了北鬥地面段運行控制系統信息處理所必需的統一調度穩定運行等信息處理構架。

利用現代天文學發展起來的精密軌道確定和預報技術，當年就為北鬥二號衛星導航系統的高精度導航定位授時服務提供了可靠的保障。進入三期工程，為了實現北鬥三號精密定位服務性能指標，考慮到精密定位服務的高實時性要求，需要提升鐘差高精度估計的效率。尤其是在區域地面布站等不利條件下，上海天文臺信息處理團隊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，並對衛星鐘差短期預報方法進行了論證優化。

這些關鍵技術均已應用於北鬥三號即將開通的全球定位服務。誇張點兒說，上海天文臺研發的信息處理系統部分基礎模塊就像北鬥的「最強大腦」，能實時修正誤差，多備份，以保持高可靠度，從而確保了北鬥空間信號精度與GPS相當。

此外，在葉叔華院士的帶領下，上海天文臺從上世紀九十年代就開始承擔了北鬥一號地面段的時間統一系統的研製任務，持續提煉固化新技術、新方法，克服種種困難，運行穩定可靠，實現了從基礎天文學科研到工程化技術支撐的艱難轉型。科研人員頑強拼搏、勇於創新，在時間頻率系統中，設計出符合我國現有技術和核心設備水平的技術方案，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，頻率微躍計等，為北鬥衛星導航系統的長時間可靠運行「保駕護航」。

導航之重要助手「量天尺」—雷射衛星測距技術

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(Satellite Laser Ranging, SLR)開始於上世紀70年代，在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。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的亞釐米級，步入國際前列，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。

研製的高軌衛星雷射反射器已經型譜化，中軌道MEO（Medium Earth Orbit）衛星雷射反射器在國際同類聯測中，被國際雷射測距組織確認為最佳設計，產品已出口到韓國。國內率先開展了千赫茲重複率雷射技術研究，解決千赫茲重複白天光束指向監視、噪聲濾波、白天恆星監視引導、微弱信號識別等關鍵技術難題，實現了千赫茲重複率衛星雷射測距全天時觀測，最遠測量距離達38800多公裡。

通過上述技術的延伸開發，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，應用於北鬥衛星軌道誤差、空間信號、導航定位等指標精度的標定。雷射測距技術已作為了北鬥地面運控系統唯一高精度星地距離直接測量手段，在北鬥導航系統發揮著重要作用，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，成功應用到我國衛星導航系統，並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，在國外同行領域中引起積極反響。

導航衛星之「心臟」—星載原子鐘

理論上講，只要信息準確，定位就是精確的，但位置信息在傳輸過程中仍然會產生誤差，主要是時差在搗亂。由於採用光速傳輸的電磁波信號進行測距，衛星十億分之一秒（1納秒）的時間誤差則會導致0.3米的距離測量誤差，因此精準的時間尤為重要。

根據量子力學原理，原子具有不連續的能量數值，當原子從一個能級躍遷至另一個能級時，其吸收或釋放的電磁波頻率是固定的，原子鐘就是利用原子躍遷產生固定頻率的電磁波進行計時的工具。原子鐘是利用原子的躍遷頻率非常穩定這樣一個特點進行計時，躍遷頻率大概是1秒有14億次，目前在太空上面能夠做到300萬年才能誤差1秒。

GPS、GLONASS、北鬥和Galileo等四大全球導航系統的衛星均配置了高性能原子鐘，包括銣鍾、銫鐘和氫鍾。星載原子鐘為衛星系統提供高穩定的時間頻率基準信號，因其必須不間斷穩定地如同脈搏的心跳，被稱為導航衛星的「心臟」，其精度決定導航系統的定位、測速和授時精度，是一個國家能否具備獨立發展導航系統能力的核心技術之一。

星載原子鐘精度要求高，技術難度大，曾長期為美國、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衛星導航系統工程的技術瓶頸。衛星導航定位精度是由星座構型和用戶測距精度兩方面構成的，由空間段決定的是幾何定位因子（即PDOP值，由星座構型決定）。至於用戶測距精度會受很多因素影響，其中與衛星有關的因素是衛星時鐘指標和空間段信號質量，除去必需的衛星通信技術，可見星載鐘的精度指標何其重要。

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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（原武漢物理與數學研究所）梅剛華研究員團隊開展了長達20餘年的科技攻關，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，研製出三代星載銣原子鐘，使我國的星載銣鍾技術實現了從無到有、由有到精的跨越，為北鬥系統工程建設做出重大貢獻。

雖有紮實的原子分子學等數學物理基礎底蘊，但宇航工程產品研製的工藝質量條件卻是一窮二白，當年航天技術專家們普遍認為「技術機理認識真行，工程實現條件真差」。

1997年，梅剛華團隊承擔了國內第一個星載原子鐘預研項目，開展星載銣原子鐘技術攻關，2007年，星載銣鍾首次飛行試驗成功；2008~2012年，第一代星載銣原子鐘產品批量裝備北鬥二號衛星，精度為每天10億分之3秒；

2015年至今，高精度銣鍾批量裝備北鬥三號衛星，精度為每天10億分之1秒。為儘快比肩世界先進，早在2011年開展高精度銣鍾攻關的同時，梅剛華就大力呼籲同時上馬甚高精度銣鍾攻關，力爭做到天穩定度3.8E-15的性能指標，對標於美國GPS的增強型銣鍾同等性能指標，梅剛華起名為甚高精度銣鍾，再一次引領了國內同行的發展。2018年至今，甚高精度星載銣鍾批量裝備北鬥三號衛星，精度為每天100億分之3秒，達到國際領先水平。

在武漢物數所的引領下，目前國內已經有多家科研機構具備研製星載銣鐘的能力，與靠大批次篩選獲得所需要性能產品不同，武漢物數所做到了由設計保證到了性能。目前全部35顆北鬥三號組網衛星都裝上了梅剛華團隊的星載銣鍾產品，在軌運行的星載銣鍾總數為37臺。第三代星載銣鍾精度優於每天0.5納秒，可滿足分米級導航定位精度需求。

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星載氫原子鐘

作為一種精密的計時器具，氫原子鐘同時具備頻率穩定性好和漂移率小的特點，對導航信號精度的提升非常有益。目前，國外僅歐洲伽利略導航衛星配置了星載氫鍾。

上海天文臺在時間頻率學科方面具有良好的研究基礎，自上世紀60年代起承擔我國世界時的授時工作，70年代研製出我國首臺地面主動型氫原子鐘，在此基礎上，上海天文臺於2002年開始啟動被動型星載氫原子鐘技術研究，聯合中科院上海技物所和上海航天電子技術研究所，經過三代科研工作者的原理探索和工程化改造，終於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、熱學以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。上海臺作為我國氫原子鐘的主要研製單位之一，科研團隊矢志不渝，堅持向小型化和高可靠性攻關，解決了一系列難題：採用國產元器件和原材料，實現了星載氫鍾核心器部件自主可控；首次應用電極式微波腔，有效提高了氫鍾微波腔Q值以及原子躍遷信號強度；首創了氫鍾時分雙頻調製技術，有效降低了氫鍾輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使得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，上海天文臺已提供共16臺星載氫鍾，均在軌運行良好，氫鍾在軌作為主鍾使用並正逐步走向輕小型化，經測試評估，在軌天穩定度和漂移指標達到小係數E-15量級，長期預報精度提升一個量級以上，每天誤差小於1納秒，約600萬年誤差1秒，大幅度提升了北鬥導航衛星系統的時間基準精度。伽利略導航衛星氫鍾與我國星載氫鐘相比，兩者地面測試性能相當，但從在軌綜合表現來看，我國星載氫鍾實現的用戶測距誤差更小，國產星載氫鍾為北鬥系統提供全球高精度導航定位服務和自主運行提供了有力的技術支撐。

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「授時中心」），原名陝西天文臺，成立於1966年，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，自上世紀七十年代初開始擔負著我國標準時間（北京時間）、標準頻率的產生與發播工作。

從二十世紀六十年代開始，國家授時中心先後建成了短波、長波、低頻時碼、電話、網絡以及通信衛星授時系統，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可靠的高精度授時服務，同時採用GNSS共視、衛星雙向、GNSS PPP（精密單點定位）等多種手段為重要用戶提供點對點的超高精度時間頻率服務。

在國家標準時間產生方面，國家授時中心擁有國內第一、世界第四的守時原子鐘組，是國際原子時重要參加單位，雖然今天國內參加國際原子時計算的單位已不止授時中心，但唯有授時中心建有獨立地方原子時TA(NTSC)。2019年最新數據表明，授時中心的國際原子時計算權重國際排名第三，UTC（NTSC）與國際標準時間UTC的偏差在±5nS以內，這些指標國內最高，國際先進。

時間、軌道和信號是衛星導航系統三要素，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，在提高北鬥時間的準確度、可靠性和自主性方面，發揮了重要的作用。

1 為北鬥系統時間提供溯源參考

導航系統基本功能是定位、導航和定時（PNT），而作為授時系統，其播發的時間必須與國際協調世界時（UTC）建立溯源關係。

國家授時中心保持的我國標準時間（UTC(NTSC)）為北鬥系統時間（BDT）向國際協調時（UTC）溯源提供了高精度的參考，北鬥衛星導航系統時間溯源到國家授時中心保持的UTC(NTSC)。授時中心基於穩定可靠的時頻技術積累，研製建成了北鬥系統時間溯源系統，確立了與北鬥的常規比對關係，從溯源上高標準確保了服務信號的連續性。

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（ICD, Interface Control Document）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）」。

2 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四個階段的北鬥系統時間性能評估工作，將監測和評估的結果按照規定周期提交給北鬥建設和管理部門，促進北鬥系統的建設與完善。

3 負責北鬥授時性能的監測評估工作

2015年，建成了我國第一套全面的、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，參與支持了北鬥的全球連續監測評估系統部分工作。對北鬥衛星的授時性能評估數據，並運行維護40米天線的空間信號質量監測評估工作，是衛星入網服務的重要依據，有利支撐了北鬥系統的建設和運行。

3 確保信號連續, 支持國際協調

夯實基礎，構築時代新星

若要信號連續好用，空間段必須精穩構築。衛星作為GNSS時空基準生成鏈條中的重要環節，中國科學院微小衛星創新研究院北鬥導航衛星研製團隊秉承「勤於學習、勇於創新、敢於挑戰、善於合作、甘於奉獻」的工作作風，經歷超常規的工作強度和工作壓力，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，為北鬥導航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：

1. 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」，重要軟體具有在軌重構升級能力，有效增強了衛星的適應能力和可擴展能力。

2. 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」，解決了制約北鬥全球組網的瓶頸問題。

3. 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的短板，為實現全球系統信號的高連續性奠定了基礎。

4. 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+FLASH架構，有力推動了衛星核心器件從根本上的自主可控。

5. 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，大大提高了衛星的可用性。

精準授時，比肩世界標準

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，歐洲Galileo系統服務一度中斷117小時的服務中斷，雖然精度未超出承諾的URE 7米的指標，但服務連續性、可用性超出指標要求，使得Gallileo國際形象大受影響，就是由於地面段運控系統時間頻率同步系統出現了故障。

授時中心2017年與歐洲守時實驗室的合作，初步實現了基於北鬥7000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2-3ns，其性能指標與GPS相當，對北鬥實現國際化應用具有重要裡程碑意義。除此之外，還與俄羅斯國家技術物理及無線電工程研究院(VNIIFTRI)和我國臺灣地區中華電信股份有限公司(TL)等世界主要時頻研究機構達成了北鬥時間比對合作意向。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。

四大全球系統通過加強兼容互操作，可有效改善觀測幾何，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有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，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，International Committee on GNSS）的主要宗旨，就是為了增強兼容與互操作，推動全球聯合應用。在ICG大會機制中，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，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，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，國家授時中心專家不懈努力下，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時間、坐標參數等方面的交流，有力推動了雙邊合作。

隨著2020年6月23日最後一顆北鬥全球組網衛星發射成功，新一代北鬥全球系統已經全面建成，正進入集成測試評估並穩定精準運行時期。中國的國之重器--北鬥將圓夢全球，持續提升性能並完善時空定位信息服務。但夢想不止於此，追夢永不止步。面向新時代，走向北鬥+，特別是按照習近平總書記在ICG-13大會賀信指明的「2035年前將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系」的目標，中科院將繼續協同全國北鬥同仁持續砥礪前行。千磨百擊還堅勁，為有源頭活水來。