都知道时空变幻、斗转星移，一般人未必明白“时空基准”（空间坐标标准和时间确定标准的基本参考）在导航系统中重要性。对于全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite Systems）的使用，地球上人类已经习以为常，日用而不究其所以然了。导航就需要定位，自然离不开时空基准做参考，所以根植于天文观测技术的时空基准技术是所有导航定位授时（PNT，Pointing Navigation and Timing）技术的核心基础。

习总书记在2020年新年贺词中谈到：“北斗全球导航建设进入了冲刺期”，对国家基础信息系统中这一至关重要、分秒依赖的国之重器的建设发展成果给予了充分的肯定。我国的GNSS即北斗导航系统自1994年起经过了一号、二号到如今的北斗三号工程，系统性能做到了与美国GPS、俄罗斯GLONASS等相当。

中国科学院作为国家战略科技力量，给予了核心支撑，起到了中流砥柱作用，与工业部门密切协同，较好地履行了“面向国家重大战略需求”的使命担当，本文主要从GNSS原理以及实现精准定位功能所依赖的最核心关键技术-时空基准技术入手来阐述科学院的基础性支撑贡献。

GNSS与时空基准

GNSS基本原理

GNSS从原理上讲，是现代科技手段支撑下面向大空间尺度（地球宇宙空间）的动态的位置解算方法，是高级逻辑即几何学计算依靠现代通信技术、宇航技术等来实现的。

目前，国际上四大卫星导航系统GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统的定位原理都是相同的，均是采用三球交会的几何原理来实现定位：以卫星为球心，距离为半径画球面；三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。用户观测出自身到三颗卫星的距离；用户已知此时卫星的精确位置。

立体几何三球交会定位原理示意图

GNSS实现定位方法核心概念的着眼点是“到达时间差”（时延），即利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供用户接收机接收。接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，即时延，卫星到接收机的空间距离就是通过该时延来确定，由于误差的必然引入所以称为伪距。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便得到距离。

卫星上装有精度极高的原子时钟，可确保时延测量的高精度。但用户接收机的时钟一般并不是原子时间，所以常常需要第四个卫星的信号作为确定时间的参照，接收机需要使用第四颗卫星来决定时间并用来纠正接收机钟差，从而修正接收机时钟造成的距离误差。

因为确定一个空间点需要三维坐标，所以用户只要能看见三颗卫星，分别确定用户到这三颗星的距离就可以求出其位置。

GNSS实现稳定精准定位，时空基准技术是基础

从GNSS原理上可见，由时间算距离，因为光速很大，一个非常小的卫星信号时间差就会导致测量上的巨大误差。针对GNSS星座中每一颗卫星的精确的测定轨技术和体系中各节点精确的时间计量技术是确保GNSS实现精准定位功能的关键技术之中的核心所在，即必须动态精确地建立卫星的坐标和时间基准。每颗GNSS卫星上的星务管理计算机和导航任务生成器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而地球上监测站网保持连续跟踪卫星的轨道位置和系统时间。

例如，对于美国GPS来说，位于科罗拉多州施里弗（Schriever）空军基地内的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗GPS卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型（坐标变换、参数修正）并结合日常紧密跟踪观测的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。GPS系统时间是由每颗卫星上的铯原子钟和铷原子钟保持的，精确到世界协调时（UTC，Universal Time Coordinated）的几纳秒以内，UTC是由美国海军天文台的守时钟组保持的，由于铷原子钟的长期稳定性好，目前逐步改变为更多地采用铷原子钟。

由此可见，GNSS作为天地一体化运行的全球域基础设施，固然需要现代微波通信电子技术所包含的一切先进技术，小到微波功率器件的工艺水平，大到卫星监测站全球布局，作为一个人造的巨型产品，卫星测定轨技术和原子钟等计时守时技术（时空基准实现）的精准性精确性水平是GNSS实现精准定位的核心技术之核心。

高精度的卫星导航定位服务对原子钟、时间基准、时间同步等时频类指标要求越来越高，如GPSⅡR、GPSⅡF等系列卫星URE（User Range Error,用户测距误差，导航星座的用户伪距精度的一个重要指标，用来评判定位性能）性能的提升，核心因素之一就是采用了更加稳定的星钟及相应的高精度时频测量控制技术；Galileo系统试验卫星的伪距测量精度比较高且稳定，在很大程度上得益于其新型星载氢钟的应用。

由于时空不可分割，在GNSS地面段生成轨道（空间基准支持测定轨）和钟差（时间基准支持定时计时）两类基础电文参数中，卫星的钟差获取的精度已成为高精度导航定位服务的主要误差源和发展瓶颈之一，实质上，时空基准问题也正是包含GNSS在内的PNT（Pointing Navigation and Timing，定位导航和定时）技术领域发展的基础问题。

时空基准技术与天文物理等相关基础研究的关系

古时人类依靠观星观景来为自身定位定向、航海导航和判断季节时辰等，随着科技的进步，导航技术、方法、手段均变得日益精巧和便捷。但细心观察，会发现原始方法仍然在人们的日常生活中应用着。如常将城市中某座高楼大厦、电视塔、立交桥作为定位定向参考物，甚至一块商店招牌都可成为朋友约会见面的参考点，有些略懂天文的人还会根据时辰利用日月和北斗星等天体协助定方向。

人类花了很多心血来认识地球及其所在的太阳系乃至整个星空宇宙，特别是近代三百年来牛顿和爱因斯坦等人提出的伟大科学理论（牛顿三大定律尤其是开普勒定律，相对论效应也需在距离测算中考虑）和无线电测量技术等的飞速发展，使得人类可以参考人造地球卫星为自身和万物定位导航和授时。

不过，天空中这些人造“北斗星”--导航卫星，依然离不开“观星”作为参考基准和手段来确定其自身的空间指向和位置。这其中，具有千年历史且专注于测量天体位置和运动的天体测量和天体力学，背后默默支撑着全球导航卫星系统（GNSS）的发展，从这点看，古往今来所有时空基准的源头均植根于天文学。

先说空间基准，当今的力学体系下，导航卫星的轨道参数需在准惯性的地心天球参考系中进行解算，但测量是在地面上进行的，这就需要知道测站所在地球位置点相对地心天球参考系的精准位置和姿态。

通常人们认为地球像个陀螺在平稳悠然地自转着，其实并不平稳，而是变化多端、曲折悬疑，大有文章，因为我们需要的是基准，确保精确平稳到细微。日月行星会对地球产生“东拉西扯”的摄动使得地球形变且自转轴在惯性空间产生“西退和点头”（天文术语称其为岁差章动），此外，地球自身的大气和内部物质存在难以精准预测的复杂运动，使得地球各个板块相对地心不停的漂移，而地面上测定空中卫星的测控站在地心天球参考系中也在随地球“飘忽不定”，地球上的“差之毫厘”，卫星那里有可能“谬以千里”。

为了解决这个问题，国际地球自转服务参考组织IERS(International Earth Reference Service,欧美主导，中国是重要成员)协调全球的各类天文望远镜观星测地，准实时地公布地球相对地心天球参考系的各种复杂运动参数结果，为导航卫星定位定轨所需的高精度时空基准坐标变换所用。

此外，作为空间原初参考基准的遥远恒星和河外天体（天文术语称其为天球参考架的基准源）也有极缓慢且微弱的变化，这些天体的位置和运动参数也需要不断更新（目前平均每5-10年更新一次），而这也必须依靠天文测量观测来实现，目前国际上主要的天球参考架均是欧洲和美国编制，我国需要填补独立编制天球参考架的空白，否则一旦后期被欧美断供“卡脖子”，我国的北斗导航卫星系统也会受到影响。北斗坐标系定义按照IERS规范，对准于最新的国际地球参考框架，每年更新一次，中国科学院天文领域专家保持着积极的国际交流，支持北斗建设。

再说时间基准，由于所有的信号都是以光速传播的电磁波，例如每颗卫星随身携带的时钟都异常精准，普遍要达到1000年只差一秒的水平，并由国家统一提供时间基准实现统一计时，这样才能使得“时空统一，推算准确”。时空不能分割，GNSS系统中各节点（卫星上时间、地面段时间、用户接收机时间）的时间信号同步性是要求极高的，否则无法精确做到由时间推算距离。

由于只有原子钟做到了高精度的计量时间能力，所以，建立在现代原子分子物理学并以激光波谱探测等高精密光电技术为表征基础上的高精度高稳定性原子钟技术（星载、地面）成为必需的手段。

中国科学院为GNSS时空基准提供基础性、核心性支持

我国的GNSS即北斗导航系统是中国航天史上规模最大、系统建设周期最长、技术难度最大、信息交融最复杂、全球覆盖面最广的重大基础设施工程，是我国自主建设、独立运行、与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。

从GNSS原理上看，现代卫星导航系统的技术实现基础是伪距测量，伪距测量的本质是时间测量，用于导航定位的伪距观测方程实际上就是各类时延关系的综合表达，可见时间基准在测量关系的链条中是最基础最核心的部分，当然空间基准反应了空间大尺度坐标（地球坐标系、天球坐标系等在观星定轨中必不可少）的准确度，宇宙万物置于其中，自不必说。

“千里之行，始于足下”、“基础不牢，地动山摇”，中国科学院天文领域研究所一直为国家卫星导航系统事业的建设发展默默耕耘支持，深耕天文积累，转化基础研究，国内最早在空间坐标和时间基准测量确定技术方面提供基础支持并一直引领着同行业相关技术的发展。

导航“大脑”之重要组成部分—信息处理系统

如前所述，GNSS地面段运控系统的时间频率同步系统和信息处理系统就相当于人体维持正常生理活动功能的交感神经中枢，卫星星历和钟差信息都在这里给出并上注。定位需要有参照系，必须溯源于时空基准，而精确的时空基准测量，历史来源于观测宇宙，今天发展到原子计时时代依然离不开天文观测，因为时空参考架的持续性校核问题。天体力学测量和星座运行观测等学科研究基础，形成了时空坐标系变换与卫星测定轨精确计算的优势基础，是上海天文台历史以来的基础研究的积累。

GNSS作为一种不断运行的系统，需要提供每周7天每日24小时连续不间断的服务。信息处理系统是导航系统地面运控系统主控站的重要组成系统之一，提供在统一时间、空间基准中的卫星轨道位置和卫星钟时间，并通过导航电文播发给北斗用户，被喻为GNSS的“大脑”。

各国GNSS基本原理都一致，但技术实现上有些具体差异，我国的北斗系统空间段由同步静止轨道、同步倾斜轨道和中低椭圆轨道三种不同类型的轨道卫星组成混合星座，此外，北斗的地面监测站网是区域性的，没有形成全球分布，卫星观测弧段受限，对卫星轨道的测量不够全面，这都加大了卫星轨道和钟差的确定难度。

如何获取卫星的准确实时的位置信息？这个问题首要、核心、关键、棘手。为了保证导航卫星时空信息的精确性和稳定性，上海天文台科研人员依托于在天体测量与天体力学、精密时间频率标准等优势学科数十年的科研积累，从“零”到“有”，大到方案设计，小到计算公式，都一再反复推算和检验，最终完成了大运算量数据整理、编辑、计算、存储、发送的计算机软硬件集成，造就了北斗地面段运行控制系统信息处理所必需的统一调度稳定运行等信息处理构架。

利用现代天文学发展起来的精密轨道确定和预报技术，当年就为北斗二号卫星导航系统的高精度导航定位授时服务提供了可靠的保障。进入三期工程，为了实现北斗三号精密定位服务性能指标，考虑到精密定位服务的高实时性要求，需要提升钟差高精度估计的效率。尤其是在区域地面布站等不利条件下，上海天文台信息处理团队首次提出并实现了区域监测网+星间链路的星地星间联合精密定轨技术，并特别设计了联合定轨数据处理算法的稳健性和容错性。发展了固定预报卫星轨道和监测站坐标、实时估计卫星钟差的滤波估计方法，并对卫星钟差短期预报方法进行了论证优化。

这些关键技术均已应用于北斗三号即将开通的全球定位服务。夸张点儿说，上海天文台研发的信息处理系统部分基础模块就像北斗的“最强大脑”，能实时修正误差，多备份，以保持高可靠度，从而确保了北斗空间信号精度与GPS相当。

此外，在叶叔华院士的带领下，上海天文台从上世纪九十年代就开始承担了北斗一号地面段的时间统一系统的研制任务，持续提炼固化新技术、新方法，克服种种困难，运行稳定可靠，实现了从基础天文学科研到工程化技术支撑的艰难转型。科研人员顽强拼搏、勇于创新，在时间频率系统中，设计出符合我国现有技术和核心设备水平的技术方案，突破了时间频率信号净化及长距离低损传输等关键技术，研制了时间频率系统部分重要单机，包括主动型氢原子钟，频率切换器，频率分配器，频率净化器，频率微跃计等，为北斗卫星导航系统的长时间可靠运行“保驾护航”。

导航之重要助手“量天尺”—激光卫星测距技术

卫星激光测距技术是天文学研究中常用的一种实时测量技术，上海天文台卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)开始于上世纪70年代，在1972年成功建成我国第一台完整并投入应用的卫星激光测距系统。先后研制出我国第一、二、三代卫星激光测距系统，对带有激光反射器卫星的单次测距精度由最初的米级发展到现在的亚厘米级，步入国际前列，在我国卫星精密定轨、天文地球动力学、地壳运动监测等领域中起到了重要作用。

研制的高轨卫星激光反射器已经型谱化，中轨道MEO（Medium Earth Orbit）卫星激光反射器在国际同类联测中，被国际激光测距组织确认为最佳设计，产品已出口到韩国。国内率先开展了千赫兹重复率激光技术研究，解决千赫兹重复白天光束指向监视、噪声滤波、白天恒星监视引导、微弱信号识别等关键技术难题，实现了千赫兹重复率卫星激光测距全天时观测，最远测量距离达38800多公里。

通过上述技术的延伸开发，研制了国内首套可移动式全天时卫星激光测距系统，突破了可移动平台条件下高轨卫星白天激光指向与瞄准、信号实时识别与探测等关键技术，实现了北斗卫星厘米级精度的星地距离测量，独立于无线电微波测量系统，应用于北斗卫星轨道误差、空间信号、导航定位等指标精度的标定。激光测距技术已作为了北斗地面运控系统唯一高精度星地距离直接测量手段，在北斗导航系统发挥着重要作用，并引领了国内可移动式卫星激光测距技术发展。

此外，上海天文台在国内首先开展激光时间比对技术研究，实现了单光子探测器航天工程化应用，研制出星载激光时间比对测量仪，成功应用到我国卫星导航系统，并在国际上首次实现导航卫星高精度星地激光时间比对测量，在国外同行领域中引起积极反响。

导航卫星之“心脏”

星载原子钟

理论上讲，只要信息准确，定位就是精确的，但位置信息在传输过程中仍然会产生误差，主要是时差在捣乱。由于采用光速传输的电磁波信号进行测距，卫星十亿分之一秒（1纳秒）的时间误差则会导致0.3米的距离测量误差，因此精准的时间尤为重要。

根据量子力学原理，原子具有不连续的能量数值，当原子从一个能级跃迁至另一个能级时，其吸收或释放的电磁波频率是固定的，原子钟就是利用原子跃迁产生固定频率的电磁波进行计时的工具。原子钟是利用原子的跃迁频率非常稳定这样一个特点进行计时，跃迁频率大概是1秒有14亿次，目前在太空上面能够做到300万年才能误差1秒。

GPS、GLONASS、北斗和Galileo等四大全球导航系统的卫星均配置了高性能原子钟，包括铷钟、铯钟和氢钟。星载原子钟为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号，因其必须不间断稳定地如同脉搏的心跳，被称为导航卫星的“心脏”，其精度决定导航系统的定位、测速和授时精度，是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心技术之一。

星载原子钟精度要求高，技术难度大，曾长期为美国、俄罗斯、瑞士等少数国家所垄断。由于国外技术封锁，星载原子钟一度成为北斗卫星导航系统工程的技术瓶颈。卫星导航定位精度是由星座构型和用户测距精度两方面构成的，由空间段决定的是几何定位因子（即PDOP值，由星座构型决定）。至于用户测距精度会受很多因素影响，其中与卫星有关的因素是卫星时钟指标和空间段信号质量，除去必需的卫星通信技术，可见星载钟的精度指标何其重要。

星载铷原子钟

为了满足北斗系统工程建设需求，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（原武汉物理与数学研究所）梅刚华研究员团队开展了长达20余年的科技攻关，突破了星载铷原子钟精度、小型化、寿命、可靠性和卫星环境适应性等关键技术，研制出三代星载铷原子钟，使我国的星载铷钟技术实现了从无到有、由有到精的跨越，为北斗系统工程建设做出重大贡献。

虽有扎实的原子分子学等数学物理基础底蕴，但宇航工程产品研制的工艺质量条件却是一穷二白，当年航天技术专家们普遍认为“技术机理认识真行，工程实现条件真差”。

1997年，梅刚华团队承担了国内第一个星载原子钟预研项目，开展星载铷原子钟技术攻关，2007年，星载铷钟首次飞行试验成功；2008~2012年，第一代星载铷原子钟产品批量装备北斗二号卫星，精度为每天10亿分之3秒；

2015年至今，高精度铷钟批量装备北斗三号卫星，精度为每天10亿分之1秒。为尽快比肩世界先进，早在2011年开展高精度铷钟攻关的同时，梅刚华就大力呼吁同时上马甚高精度铷钟攻关，力争做到天稳定度3.8E-15的性能指标，对标于美国GPS的增强型铷钟同等性能指标，梅刚华起名为甚高精度铷钟，再一次引领了国内同行的发展。2018年至今，甚高精度星载铷钟批量装备北斗三号卫星，精度为每天100亿分之3秒，达到国际领先水平。

在武汉物数所的引领下，目前国内已经有多家科研机构具备研制星载铷钟的能力，与靠大批次筛选获得所需要性能产品不同，武汉物数所做到了由设计保证到了性能。目前全部35颗北斗三号组网卫星都装上了梅刚华团队的星载铷钟产品，在轨运行的星载铷钟总数为37台。第三代星载铷钟精度优于每天0.5纳秒，可满足分米级导航定位精度需求。

星载氢原子钟

作为一种精密的计时器具，氢原子钟同时具备频率稳定性好和漂移率小的特点，对导航信号精度的提升非常有益。目前，国外仅欧洲伽利略导航卫星配置了星载氢钟。

上海天文台在时间频率学科方面具有良好的研究基础，自上世纪60年代起承担我国世界时的授时工作，70年代研制出我国首台地面主动型氢原子钟，在此基础上，上海天文台于2002年开始启动被动型星载氢原子钟技术研究，联合中科院上海技物所和上海航天电子技术研究所，经过三代科研工作者的原理探索和工程化改造，终于研制出了中国首代星载氢原子钟产品，并于2015年9月搭载新一代北斗导航试验卫星升空，成为我国星载频标领域新的里程碑。

氢原子钟需要做很多力学、热学以及抗辐射方面的特殊设计，才能满足在轨工作10年以上的寿命要求。上海台作为我国氢原子钟的主要研制单位之一，科研团队矢志不渝，坚持向小型化和高可靠性攻关，解决了一系列难题：采用国产元器件和原材料，实现了星载氢钟核心器部件自主可控；首次应用电极式微波腔，有效提高了氢钟微波腔Q值以及原子跃迁信号强度；首创了氢钟时分双频调制技术，有效降低了氢钟输出频率对纠偏信号幅相变化的敏感性，使得温度系数指标达到国际先进水平。

在北斗三号全球系统建设中，上海天文台已提供共16台星载氢钟，均在轨运行良好，氢钟在轨作为主钟使用并正逐步走向轻小型化，经测试评估，在轨天稳定度和漂移指标达到小系数E-15量级，长期预报精度提升一个量级以上，每天误差小于1纳秒，约600万年误差1秒，大幅度提升了北斗导航卫星系统的时间基准精度。伽利略导航卫星氢钟与我国星载氢钟相比，两者地面测试性能相当，但从在轨综合表现来看，我国星载氢钟实现的用户测距误差更小，国产星载氢钟为北斗系统提供全球高精度导航定位服务和自主运行提供了有力的技术支撑。

最稳定准确“定时”--时间溯源和评估校对

中国科学院国家授时中心（以下简称“授时中心”），原名陕西天文台，成立于1966年，是我国唯一、专门、全面从事时间频率基础研究和应用研究的科研机构，自上世纪七十年代初开始担负着我国标准时间（北京时间）、标准频率的产生与发播工作。

从二十世纪六十年代开始，国家授时中心先后建成了短波、长波、低频时码、电话、网络以及通信卫星授时系统，为我国通信、电力、交通、测绘、航空航天、国防等诸多行业和部门提供了可靠的高精度授时服务，同时采用GNSS共视、卫星双向、GNSS PPP（精密单点定位）等多种手段为重要用户提供点对点的超高精度时间频率服务。

在国家标准时间产生方面，国家授时中心拥有国内第一、世界第四的守时原子钟组，是国际原子时重要参加单位，虽然今天国内参加国际原子时计算的单位已不止授时中心，但唯有授时中心建有独立地方原子时TA(NTSC)。2019年最新数据表明，授时中心的国际原子时计算权重国际排名第三，UTC（NTSC）与国际标准时间UTC的偏差在±5nS以内，这些指标国内最高，国际先进。

时间、轨道和信号是卫星导航系统三要素，国家授时中心依托保持国家标准时间技术的优势，围绕北斗系统的工程建设和稳定运行，在提高北斗时间的准确度、可靠性和自主性方面，发挥了重要的作用。

为北斗系统时间提供溯源参考

导航系统基本功能是定位、导航和定时（PNT），而作为授时系统，其播发的时间必须与国际协调世界时（UTC）建立溯源关系。

国家授时中心保持的我国标准时间（UTC(NTSC)）为北斗系统时间（BDT）向国际协调时（UTC）溯源提供了高精度的参考，北斗卫星导航系统时间溯源到国家授时中心保持的UTC(NTSC)。授时中心基于稳定可靠的时频技术积累，研制建成了北斗系统时间溯源系统，确立了与北斗的常规比对关系，从溯源上高标准确保了服务信号的连续性。

中国卫星导航系统管理办公室在2019年12月发布的北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（ICD, Interface Control Document）中针对时间系统做了如下描述：“BDT通过UTC（NTSC）与国际UTC建立联系，BDT与国际UTC 的偏差保持在50 纳秒以内（模1秒）”。

负责北斗系统时间性能的监测评估

参与了北斗系统时间建设，积极承担北斗区域系统、试验卫星工程、基本系统和北斗全球系统四个阶段的北斗系统时间性能评估工作，将监测和评估的结果按照规定周期提交给北斗建设和管理部门，促进北斗系统的建设与完善。

负责北斗授时性能的监测评估工作

2015年，建成了我国第一套全面的、实时连续运行的GNSS时差监测和授时性能评估系统，全面开展GNSS时间监测和服务性能评估工作，参与支持了北斗的全球连续监测评估系统部分工作。对北斗卫星的授时性能评估数据，并运行维护40米天线的空间信号质量监测评估工作，是卫星入网服务的重要依据，有利支撑了北斗系统的建设和运行。

确保信号连续, 支持国际协调

夯实基础，构筑时代新星

若要信号连续好用，空间段必须精稳构筑。卫星作为GNSS时空基准生成链条中的重要环节，中国科学院微小卫星创新研究院北斗导航卫星研制团队秉承“勤于学习、勇于创新、敢于挑战、善于合作、甘于奉献”的工作作风，经历超常规的工作强度和工作压力，克服重重困难先后完成了12颗北斗导航卫星的研制和发射，尤其是2018年连续高密度组批研制发射做到了保质按时，为北斗导航系统全球组网星座部署提供了有力支撑，实现了众多关键技术的突破与创新：

1. 采用框架面板结构、单独星敏感器定姿、高功能密度综合电子架构等技术，打造了“中国科学院导航卫星专用平台”，重要软件具有在轨重构升级能力，有效增强了卫星的适应能力和可扩展能力。

2. 突破了基于相控阵的Ka星间链路技术，实现了“一星通、星星通”，解决了制约北斗全球组网的瓶颈问题。

3. 突破了高精度时频无缝切换技术，解决了北斗区域系统的连续性的短板，为实现全球系统信号的高连续性奠定了基础。

4. 首次在导航卫星上采用大功率氮化镓固态放大器，有效提高了信号质量；率先采用国产龙芯CPU+FLASH架构，有力推动了卫星核心器件从根本上的自主可控。

5. 突破了卫星自主诊断恢复技术，在完全没有地面干预的情况下，卫星可以进行自主健康诊断、故障隔离和恢复，大大提高了卫星的可用性。

精准授时，比肩世界标准

卫星导航系统所有信号的生成、观测、处理等设备都必须在统一的时频信号的驱动下进行工作，时频信号质量直接影响各类设备的工作水平，而时频基准的高精度和高稳定性是信息层统一精确时标信息码的基本保障。如系统时间跳变，将导致全系统服务的不连续，可谓“牵一发而动全身”。

2019年7月，欧洲Galileo系统服务一度中断117小时的服务中断，虽然精度未超出承诺的URE 7米的指标，但服务连续性、可用性超出指标要求，使得Gallileo国际形象大受影响，就是由于地面段运控系统时间频率同步系统出现了故障。

授时中心2017年与欧洲守时实验室的合作，初步实现了基于北斗7000公里的长基线国际时间比对，该次比对试验使用了北斗共视的方法，精度达到了2-3ns，其性能指标与GPS相当，对北斗实现国际化应用具有重要里程碑意义。除此之外，还与俄罗斯国家技术物理及无线电工程研究院(VNIIFTRI)和我国台湾地区中华电信股份有限公司(TL)等世界主要时频研究机构达成了北斗时间比对合作意向。确保GNSS服务连续好用以及拥有深厚优势的时间基准技术是开展GNSS国际协调的基础。

四大全球系统通过加强兼容互操作，可有效改善观测几何，提高全球任何地区的定位精度，提升全球导航服务可用性。各GNSS之间开放信号的互操作可以在有各自独特设计的基础上，实现频谱的相似性，同时实现星座互补、时间互操作、坐标相互转换，为用户提供更好的服务。

联合国外空司于2005年12月成立了全球卫星导航系统国际委员会（ICG，International Committee on GNSS）的主要宗旨，就是为了增强兼容与互操作，推动全球联合应用。在ICG大会机制中，国家授时中心科研人员担任互操作与服务标准子工作组联合主席，上海天文台科研人员担任互操作工作组下设的国际卫星导航监测评估任务组联合主席，在时间互操作、导航信号兼容、系统间时差监测与播发方案等方面的国际协调中发挥了重要的作用，有力支持了中美、中欧等导航领域多边国际合作交流工作。

例如在2019年12月ICG-14会议上，国家授时中心专家不懈努力下，力主的基于统一平等标准的系统对系统的直接时差监测技术得到了大会采纳；在中俄卫星导航系统双边合作中，国家授时中心作为北斗和GLONASS系统时间互操作的中方责任单位，上海天文台作为专家组成员积极推动了时间、坐标参数等方面的交流，有力推动了双边合作。

随着2020年6月23日最后一颗北斗全球组网卫星发射成功，新一代北斗全球系统已经全面建成，正进入集成测试评估并稳定精准运行时期。中国的国之重器--北斗将圆梦全球，持续提升性能并完善时空定位信息服务。但梦想不止于此，追梦永不止步。面向新时代，走向北斗+，特别是按照习近平总书记在ICG-13大会贺信指明的“2035年前将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系”的目标，中科院将继续协同全国北斗同仁持续砥砺前行。千磨百击还坚劲，为有源头活水来。

编辑：王星
责任编辑：许琦敏

图文来源：中科院之声、中国科学院院刊