一文看懂 | GNSS時間同步技術(shù)的發(fā)展史

現(xiàn)代社會中，精確的時間測量對人類的許多活動都至關(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)的準確性、支持各類科學(xué)研究，以及實現(xiàn)精準的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。定位接收機主要用于定位和追蹤物體、人或動物，其正確運行有賴于精準的GNSS時間同步。

在這些應(yīng)用中，往往被忽視的時間變量被看得甚至比定位信息還要重要。精確的時間測量對定位接收機的正常工作至關(guān)重要，過去150年來，“時間標準化”、“同步”和“優(yōu)化”這三個關(guān)鍵時間概念取得了顯著發(fā)展。如果沒有這樣的發(fā)展，精確的時間測量根本無從實現(xiàn)。

全球時間標準化為各部門、各地區(qū)的一致同步溝通、無縫國際合作和精準活動協(xié)調(diào)奠定了基礎(chǔ)。

這一發(fā)展歷程始于19世紀，當時歐洲和美國的鐵路系統(tǒng)需要精確協(xié)調(diào)時間。由于列車行駛距離遙遠，可能會出現(xiàn)明顯的時差，例如美國東西海岸之間的時差。

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

最后，時間優(yōu)化的重點是精度的實現(xiàn)，這離不開精密原子鐘的發(fā)展。這類高精度時鐘在精確測量時間方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精準定位地球上的物體的重要支柱。

在GNSS時間同步、標準化問世之前

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從一定程度上來說，全球時間標準化起源于本地系統(tǒng)中列車到達和出發(fā)的協(xié)調(diào)。在工業(yè)化時代和鐵路系統(tǒng)出現(xiàn)之前，本地時間只會帶來一些小麻煩。旅行者（例如乘坐長途車從倫敦前往曼徹斯特的旅行者）只需要在抵達曼徹斯特時調(diào)整一下手表即可。

隨著火車網(wǎng)絡(luò)的擴大，以及對組織性要求提高，這種局面發(fā)生了很大變化。在沒有時間標準化的情況下，在城市之間協(xié)調(diào)火車交通會給后勤帶來重大挑戰(zhàn)。因此，在1884年的國際子午線會議之后，法國和英國等國家采用了時間標準化。

這很可能是時間概念對于涵蓋運輸和國際通信的跨國組織至關(guān)重要的最早實例之一。在這種情況下，時間與技術(shù)進步依然涇渭分明，并且在火車的機制中沒有發(fā)揮任何作用。

一個世紀后，全球工業(yè)、金融、科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了對于精確度的需求，而傳統(tǒng)時鐘無法滿足這樣的需求。為了跟上時代發(fā)展的步伐，這些部門需要的不只有標準化時間和相對精確的石英鐘。隨著工程師攻克技術(shù)難關(guān)，一種更復(fù)雜的時間測量方法應(yīng)運而生。

精確測量時間

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多年來，時間同步已成為全球技術(shù)進步的關(guān)鍵。第一步就是精確的時間測量。1968 年，美國國家標準與技術(shù)研究院 (NIST) 引入了更精確的秒測量方法，在這一成績中，原子鐘發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)電磁波頻率測量時間的概念起源于十九世紀70年代。詹姆斯·克萊克·麥克斯韋最先提出：時間測量可以通過特定類型光的周期性振動時間來確定，波長用作長度單位。

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

原子鐘根據(jù)原子共振原理運行，利用原子獨特的能級和躍遷。選定原子（如銫-133）暴露在其共振頻率的微波輻射中。這種暴露會導(dǎo)致電子的能級發(fā)生改變。于是，精確的微波頻率就成了時鐘的滴答機制。通過計算這些轉(zhuǎn)換，就可以定義時間。特定原子在兩個能級之間的躍遷次數(shù)決定了秒。

多年后，當伊西多·拉比首次嘗試制造原子鐘時，麥克斯韋和玻爾的理論貢獻得以實現(xiàn)。二十世紀40年代，哈羅德·里昂和他的團隊在這種裝置的開發(fā)中取得了進一步進展。但直到下一個十年（1955年），路易斯·伊森才制造出第一臺原子鐘。12年后，一秒被定義為銫原子振蕩9,192,631,770次的持續(xù)時間。

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

第一臺衛(wèi)星原子鐘

空間和衛(wèi)星技術(shù)方面的科技進步共同對利用精確時間同步進行全球定位和導(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人，但美國海軍研究實驗室 (NRL) 在探索利用原子鐘為衛(wèi)星提供精確計時方面發(fā)揮了重要作用。

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

1974 年，NAVSTAR GPS計劃發(fā)射了導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星1號 (NTS-1)。這標志著配備原子鐘的衛(wèi)星首次亮相，通過精確的時間同步測試全球定位。

這次任務(wù)表明，軌道上的原子鐘，特別是這次任務(wù)所用的銣頻率標準原子鐘，可以實現(xiàn)高度精確的計時和精準的地球定位。

NTS-1的成功發(fā)射為GPS網(wǎng)絡(luò)的建立做出了巨大貢獻。NTS-1是GPS的前身，該衛(wèi)星依靠原子鐘提供準確的時間，從而提供位置信息。如今，GNSS衛(wèi)星使用三種類型的原子鐘：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，但也并非萬無一失的計時器。通過衛(wèi)星原子鐘進行時間測量時，容易受到時鐘缺陷、溫度變化、振蕩器特性、老化、相對論效應(yīng)和大氣延遲的影響。

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

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

這種重力變化會影響衛(wèi)星相對于地球觀測者的時間流逝快慢，導(dǎo)致衛(wèi)星的時間流速略微加快。衛(wèi)星經(jīng)歷的相對論時間膨脹對時間測量有切實的影響。衛(wèi)星是不斷運動的，因此會受到來自地球的不同引力的影響，這進一步增加了計時的復(fù)雜性。

大氣延遲是精確測量時間的另一個誤差來源。在沒有大氣層的世界里，計算信號從衛(wèi)星傳輸?shù)?GNSS 接收機所需的時間如同閑庭信步。遺憾的是，電離層會改變無線電信號的傳播路徑，從而影響信號的傳播，導(dǎo)致時間估計不準確。

由于這些誤差，衛(wèi)星原子鐘的計時需要不斷與地球上的參考時鐘進行比較。

GNSS時間同步：地球時間計算基礎(chǔ)設(shè)施

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阿爾伯特·愛因斯坦

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

—《論動體的電動力學(xué)》1905 年

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

衛(wèi)星之間的時間信息同步對于計算精確定位數(shù)據(jù)至關(guān)重要。地面GNSS監(jiān)測站不斷監(jiān)測和調(diào)整這種同步。

除了持續(xù)觀測和收集衛(wèi)星發(fā)射的信號數(shù)據(jù)外，地面監(jiān)測站還會測量大氣數(shù)據(jù)，如電離層和對流層延遲，這些數(shù)據(jù)主要影響GNSS信號的準確性。所收集到的數(shù)據(jù)隨后會得到處理，以識別GNSS信號中的誤差和變化。

GNSS監(jiān)測站通過向GNSS接收機提供校正數(shù)據(jù)，在提高位置計算的準確性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這一過程可確保同步，并且有賴于原子鐘和GNSS時間服務(wù)器的精確計時。

GNSS監(jiān)測站的發(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)。第一個衛(wèi)星監(jiān)測站于二十世紀50年代在約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室 (APL) 建立。在全球首個實際投入運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit系統(tǒng)的開發(fā)過程中，該監(jiān)測站發(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)的開發(fā)鋪平了道路。

GNSS監(jiān)測站只是更龐大的地面段的一部分。地面段對 GNSS衛(wèi)星星座至關(guān)重要，包括控制中心、分段、天線和監(jiān)測站等各種設(shè)施。在過去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：確保授時信號的完整性。

時間的力量

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要在地球上準確定位一個實體，需要的不只有空間信息。在全球范圍內(nèi)指定不同的時區(qū)、精確測量基本時間單位，以及在衛(wèi)星上部署原子鐘，這些都是當前 GNSS 時間測量技術(shù)發(fā)展的重要因素，而后者的發(fā)展又反過來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出現(xiàn)漂移。衛(wèi)星時鐘和大氣條件的差異或漂移會帶來誤差，改變定位計算的結(jié)果，影響系統(tǒng)的準確性。實耗時間的差異最終會影響定位測量，因此必須通過確保地球上的計時精確度來糾正這種差異。

許多定位應(yīng)用都依賴時間同步來保證正常工作。現(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 時間測量。

u-blox擁有豐富的GNSS授時模塊

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一直以來，u-blox專注于為客戶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)，賦能客戶以實現(xiàn)精準定位與萬物互聯(lián)。因此，u-blox擁有豐富的GNSS授時模塊，不僅具備高精度的優(yōu)勢，還能滿足包括安全性、低能耗等各類需求。

其中，這兩款產(chǎn)品備受市場關(guān)注：

ZED-F9T

具有納秒級授時精度的多頻GNSS接收機

滿足嚴苛的5G授時要求

支持GPS、北斗、Galileo和GLONASS信號接收，適合全球部署

差分授時模式，實現(xiàn)高精度的局部授時

內(nèi)置安全功能，可抵御惡意攻擊

LEA-M8T

同時接收GPS/QZSS、GLONASS、北斗和 Galileo信號

市場領(lǐng)先的捕獲和跟蹤靈敏度

低占空比運行最大限度地降低功耗

通過完整性監(jiān)控和警報實現(xiàn)高可靠性