时间，万物的尺度
在飞速发展的现代科技中，对时间测量的精度要求已进入纳秒（ns）甚至亚纳秒级别。1纳秒有多小？光在真空中也仅能传播约30厘米！这种极致精度是众多尖端领域的基石。
1 ns
约等于0.3米光程差
如此微小的差异，在宏观世界中可能微不足道，但在精密科学和工程中却至关重要。
关键应用领域：
- 📡 5G/6G 通信: 基站精确同步，保障网络高效与低延迟。
- 💹 金融交易: 确保交易顺序与公平，防范高频风险。
- 🔬 基础科学: 例如广义相对论检验，探索宇宙奥秘。
- 💡 智能电网: 电网稳定运行，故障精准定位。
- 🛰️ 精密导航定位: 实现厘米级甚至毫米级定位的基础。
实现优于2纳秒的授时精度，是下一代科技发展的迫切需求，直接推动定位、导航与授时（PNT）服务能力的飞跃。
全球导航卫星系统：时间的守护者
全球导航卫星系统（GNSS）是PNT服务的主要提供者。各大系统不仅提供定位导航，其核心功能之一便是高精度授时。
主要GNSS星座及其典型UTC精度
不同GNSS系统通过其地面控制段和星载原子钟维持各自的系统时间，并与协调世界时（UTC）保持溯源。以下是主要全球系统的典型授时精度（相对于各自参考的UTC(k)或UTC）：
- 🛰️ GPS (美国): 优于 20 ns (vs UTC(USNO))
- 🛰️ GLONASS (俄罗斯): 优于 50 ns (vs UTC(SU)), "数十纳秒"级
- 🛰️ Galileo (欧盟): 优于 50 ns (vs UTC)
- 🛰️ BeiDou (中国): 优于 20 ns (vs UTC)
注：此处数据主要依据报告中表1及相关描述，GLONASS的“数十纳秒”在图表中以50ns为例。
虽然标准服务已达纳秒级，但要实现 <2ns 的超高精度，则需依赖更先进的技术和精密产品。
图1: 主要GNSS系统典型UTC精度对比
卫星授时的奥秘
GNSS授时的核心在于精确测量信号从卫星到接收机的传播时间。这依赖于星载高精度原子钟、信号的稳定产生与传播，以及接收机的精密处理。
简化的授时流程
(如铷钟, 氢钟)
(载波, PRN码, 导航电文)
(经大气层)
(伪距/载波相位测量)
(用户时间同步)
图2: GNSS授时基本流程示意
原子钟：时间的心脏
所有GNSS卫星均搭载高稳定性原子钟，作为时间和频率的基准。其性能直接影响授时精度。
- 铷原子钟 (Rb): 广泛应用，BDS-3铷钟日稳定度优于 $5 \times 10^{-14}$。
- 铯原子钟 (Cs): 传统高精度钟，GLONASS曾主要采用。
- 被动型氢原子钟 (PHM): 性能更优，Galileo和BDS-3均采用，BDS-3氢钟日稳定度优于 $1 \times 10^{-14}$，部分达 $10^{-15}$ 量级。
更高稳定性的星载钟意味着更小的自身钟差漂移和噪声，是精密授时的基石。
伪距测量的局限
基于PRN码的伪距测量是GNSS定位和授时的基础，但其精度有限：
固有噪声较大: GPS C/A码伪距噪声通常在米级。
分辨率较低: C/A码码片长度约300米，限制了直接测量的时间分辨率。
仅靠码伪距，授时精度通常在几至几十纳秒，无法满足 <2ns 的目标。因此，更高精度的载波相位测量技术至关重要。
挑战极限精度：无形的“敌人”
多种误差源会影响卫星信号的传播和测量，限制了授时精度。精确识别和修正是实现高精度授时的关键。
主要误差源（初始误差预算）
在采用高级改正技术前，利用广播星历和标准模型的单频C/A码接收机，其主要误差来源及其典型量级（时间等效）大致如下：
- 卫星钟差 (广播改正后): 5 - 20 ns
- 卫星轨道误差 (广播星历): 3 - 10 ns
- 电离层延迟 (单频模型改正): 10 - 100+ ns (主要误差源)
- 对流层延迟 (标准模型改正): 1 - 5 ns (天顶方向)
- 多路径效应 (码伪距): 5 - 30+ ns
- 接收机噪声与偏差: 1 - 10 ns
这些误差累积，使得初始授时精度远超 <2ns 的目标。
图3: GNSS初始授时误差来源近似占比
迈向亚纳秒：尖端技术巡礼
为达到亚纳秒级精度，必须综合运用一系列先进技术，从精密产品到复杂算法，全方位削弱误差。
① 精密产品 (IGS)
国际GNSS服务组织(IGS)提供高精度卫星轨道和钟差产品，是精密授时的基石。
IGS最终轨道精度: < 2.5 厘米
IGS最终钟差精度: ~20 皮秒 (SDev)
将轨道和钟差误差从纳秒级降至几十皮秒级。
② 先进大气延迟改正
针对电离层和对流层延迟进行精密修正。
电离层: 多频观测消除一阶效应 (>99.9%)，辅以GIM产品。
对流层: 精密模型(如VMF3)和参数估计，ZTD残差可达1-2厘米。
显著降低大气引入的延迟误差。
③ GNSS载波相位测量
利用精度远高于码伪距的载波相位（毫米级）。
核心技术: 整周模糊度解算(AR)，如LAMBDA方法。
挑战: 周跳探测与修复。
实现皮秒级时间传递的潜力。
④ 精密单点定位 (PPP/PPP-AR)
利用单台接收机非差观测数据和精密产品进行解算。
PPP时间传递精度: 可达0.3纳秒 (GPS)。
PPP-AR: 固定模糊度，缩短收敛，提高精度。
亚纳秒级时间传递的核心手段。
⑤ 多路径抑制与接收机标定
削弱局部环境和硬件引入的误差。
多路径抑制: 恒星日滤波、多路径半球图等。
接收机标定: 精密标定内部/天线/电缆延迟 (CCTF建议硬件延迟变化 <100ps )。
确保绝对授时精度和溯源性。
<2纳秒之路：可行性与挑战
通过综合运用上述先进技术，GNSS授时精度已能从几十纳秒提升到亚纳秒级。优于2纳秒的目标在技术上是可行的。
图4: GNSS授时误差改进效果示意
已实现的亚纳秒级时间传递
多项研究表明：
- GPS、Galileo、BDS的PPP/PPP-AR时间传递精度可达 ~0.3 ns RMS。
- IGS实时流PPP授时精度可达 ~0.5 ns。
- 特定实验条件下，差分精密时间传递（DPT）日内精度优于 20 ps。
主要挑战
- 大气延迟改正的残余不确定性。
- 硬件延迟的精确标定与长期稳定性。
- 复杂环境下多路径效应的彻底抑制。
- 精密产品自身的精度极限。
- 实时性与最高精度的平衡。
稳定实现优于2纳秒的授时精度，仍需在各环节持续攻关。
未来展望：时间技术的下一站
为满足更高精度需求，GNSS技术仍在不断演进，新一代原子钟、信号体制和数据处理算法是未来发展重点。
下一代星载原子钟：光钟
光钟利用原子在光学频率下的跃迁，其工作频率远高于现有微波原子钟，理论上可带来2-3个数量级的稳定度提升。
$10^{-18}$
实验室光钟已实现的稳定度与不确定度
潜在影响: 大幅提高卫星自主导航能力，可能将GNSS授时定位精度提升至毫米级/皮秒级。
挑战: 小型化、加固型、低功耗的空间光钟（SWaP限制）。多个在轨验证项目（如ACES, COMPASSO, 中国空间站）正在进行中。
新技术方向
- 新型GNSS信号与多频组合:
现代化信号（如GPS L1C/L5, Galileo E5/E6, BDS B1C/B2a）具有更优抗多径、抗干扰性能。多频（三频及以上）组合能更精细消除电离层延迟、加速模糊度解算。
- 星间链路 (ISL):
卫星间直接测距与通信，减少对地面站依赖，提高星座自主运行能力和整体时间同步精度。BDS-3已全面采用。
- AI与机器学习:
在误差建模（如大气延迟、钟差预测）、周跳探测、多路径抑制等方面展现应用潜力。
结论：追求极致，永无止境
从几十纳秒到亚纳秒，再到对皮秒级精度的不懈追求，卫星授时技术的发展深刻体现了人类对精确时间计量的执着。通过不断创新的原子钟技术、信号体制、数据处理算法以及国际合作，GNSS正以前所未有的精度服务于科学探索和国计民生。
优于2纳秒的授时精度，不仅是当前技术努力实现的目标，更是通往未来更高精度PNT服务的关键一步。随着新技术的不断涌现和应用，我们有理由相信，GNSS将在时间的长河中镌刻下更为精准的刻度。