探索 A-GNSS 时间同步的作用

在现代世界中，精确测量时间对许多人类活动至关重要：协调全球通信网络、同步复杂的技术流程、确保金融交易中的数据精度、支持各种科学研究，导航和定位系统精确"。定位接收机主要用于定位与跟踪物体、人或动物，其正确运行依赖于精确的 GNSS 时间同步。

对于这些应用，经常被忽视的时间变量被认为比定位信息更多。精确测量时间是定位接收机正常工作的必要条件，如果没有过去 150 年来三个关键时间概念的发展：时间标准级,标准同步和优化，精确测量时间是不可能实现的。

全球时间的标准级,标准为各部门和各地区的一致同步通信、无缝国际合作以及活动的准确协调奠定了基础。

这一进程始于¹⁹世纪，当时欧美铁路系统需要精确的授时协调。由于火车行驶距离遥远，会产生显著，极大等的时差，例如美国东西海岸之间的时差。

全球时间同步始于 20 世纪 40 年代。从导航和电信到金融和电网系统，它对各种技术和行业都具有巨大的意义。

最后，时间优化的重点是实现精确，这得益于尖端原子钟的发展。这些高精度时钟在精确测量时间方面发挥着至关重要的作用，使卫星导航系统能够以极高的精度定位地球上的物体。

A-GNSS 时间同步之前，标准级,标准

在某种程度上，全球时间标准级,标准起源于地方系统中火车到达和出发的协调。在工业化时代和铁路系统出现之前，地方时间带来的只是一些小麻烦。旅行者，例如乘坐长途汽车从伦敦前往曼彻斯特的旅行者，只需在抵达时调整一下手表即可。

随着火车网络的扩展，这种情况发生了显著变化，极大等提高了组织化程度。在没有时间标准级,标准的情况下，协调城镇与城镇之间的火车交通是一项相当大的后勤挑战。因此，在国际子午线会议（1884 年）之后，法国和英国等国家采用了时间标准级,标准。

这可能是时间概念对包含交通和国际通信的跨国组织至关重要的最早实例之一。不过，在这种情况下，时间仍然与技术进步相分离，因为它在火车的机械装置中没有发挥任何作用。

一个世纪后，全球工业、金融、科学和技术的发展引发了对精确度的需求，这种需求超越了传统时钟所能提供的。为了跟上时代进步的步伐，这些行业需要的不仅仅是标准级,标准时间和石英钟的相对精度。随着工程师们攻克技术难关，一种更复杂的时间测量方法应运而生。

极端精确的时间测量

多年来，时间同步已成为全球技术进步的关键。精确的时间测量应是第一步。1968 年，美国国家标准与技术研究院（NIST）推出了更多......（此项目不用有关......）精确测量秒的方法，原子钟在这一成就中发挥了基础性作用。

基于电磁波频率来授时的概念起源于 19 世纪 70 年代。詹姆斯-克拉克-麦克斯韦（James Clerk Maxwell）首先提出，可以通过特定类型光的周期性振动时间来确定时间的授时，并以其波长作为长度单位。

后来，尼尔斯-玻尔在 1910 年代提出电子具有量子化的能量状态。这两个观点构成了原子钟运作的基础。

原子钟的运行基于原子共振原理，利用原子独特的能级和跃迁。一个被选中的原子，如铯-133，暴露在其共振频率下的微波辐射中。这种辐射会导致电子改变能级。精确的微波频率就成了时钟的滴答机制。通过对这些转换进行计数，就可以定义时间。特定原子中能级之间的转换次数定义了秒。

麦克斯韦和玻尔的理论贡献在多年后的伊西多尔-拉比（Isidor Rabi）首次尝试制造原子钟时得以实现。20 世纪 40 年代，哈罗德-里昂（Harold Lyons）和他的团队在研发这种装置方面取得了进一步进展。但直到下一个十年，路易斯-埃森才制造出第一台原子钟（1955 年）。12 年后，一秒被定义为铯原子 9,192,631,770 次晶振的持续时间。

有了这项技术，地面应用成为首要目标。然而，对定位与授时至关重要的卫星时间同步很快成为一项应用。

第一台卫星原子钟

太空和卫星技术的科技进步共同影响了将精确时间同步用于全球定位与导航的想法。虽然没有一个人可以被确定为这一概念的唯一提出者，但美国海军研究实验室（NRL）在探索利用原子钟在卫星中进行精确计时方面发挥了显著，极大等作用。

NRL 的科学家和工程师们认识到精确授时在打造革命性导航系统方面的潜力。虽然 TIMATION 计划下的最初卫星没有采用原子钟，但该计划为开发全球定位系统（GPS）奠定了基础。在 TIMATION 计划与空军 621B 计划合并之后，随后的 NAVSTAR GPS 计划的特色是卫星配备了第一批原子钟。

1974 年，NAVSTAR GPS 计划发射了导航技术卫星 1 号（NTS-1）。这标志着配备原子钟的卫星首次通过精确的时间同步测试全球定位。

这次任务表明，轨道上的原子钟，特别是所使用的铷原子频率标准（原子钟），可以实现高精度计时和精确的地球定位。

NTS-1 的成功发射为全球定位系统网络的建立做出了显著，极大等贡献。NTS-1 是 GPS 的前身，它依靠原子钟提供准确的时间，从而提供定位信息。如今，A-GNSS 卫星使用三种类型的原子钟：铷原子钟小区（在通信模块语境中）、铯原子钟束和氢原子钟。

几乎完美的系统，从原子钟的误差到重力的细微差别

虽然原子钟非常精确，但它们并不是万无一失的计时器。通过卫星原子钟进行的时间测量容易受到时钟缺陷、温度变化、晶振特性、老化、相对论效应和大气延迟的影响。

温度变化会影响原子和原子钟内的晶振，导致时钟频率和稳定度波动，进而影响时钟的准确度。

定位卫星在距地球约 20200 公里的高度运行。在这一高度，重力与地球表面的重力略有不同。

这种引力的变化会影响卫星相对于地球观测者的时间流逝，导致卫星的时间流速加快。卫星经历的相对论时间膨胀对时间测量有实际影响。由于卫星在不断运动，它们会受到来自地球的不同引力，从而增加了计时的复杂性。

大气延迟是精确测量时间的另一个误差来源。在没有大气层的世界里，计算信号从卫星传输到 A-GNSS 接收机所需的时间易如反掌。不幸的是，电离层会改变无线电信号的传播路径，从而影响信号的传播，导致时间估计不准确。

由于这些误差，卫星原子钟的计时需要不断与地球上的参考时钟进行比较。

A-GNSS 时间同步时代：地球上的时间计算基础设施

我们必须牢记，我们所有涉及时间的命题总是关于同时发生的事件的命题。 阿尔伯特-爱因斯坦，《论运动物体的电动力学》， 1905 年。

要利用卫星技术确定一个人或一个物体在地球上的位置，必须至少有四颗卫星将其位置与时间传送给定位接收机。如果时间读数不同，就无法进行精确定位，这种情况是由上一节提到的现象引起的。

卫星间时间信息的同步对于计算精确的定位数据至关重要。这种同步由地面 A-GNSS 监测站持续监测和调整。

除了持续观测和收集卫星传输的信号数据外，基准监测站还测量电离层和对流层延迟等大气层数据，这些数据主要影响全球导航卫星系统信号的准确性。然后对收集到的数据进行处理，以确定 A-GNSS 信号中的误差和变化。

通过向 GNSS 接收机提供 校正数据| GNSS 校正，GNSS 监测站在提高计算定位精度方面发挥着关键作用。这一过程确保同步，并取决于原子钟和全球导航卫星系统时间服务器的精确授时。

GNSS 监测站的发展与卫星导航系统的历史和扩展相平行。第一个卫星监测站于 20 世纪 50 年代在约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）建立。这个监测站在世界上第一个运行卫星导航系统 Transit 系统的开发过程中发挥了至关重要的作用，为开发 GPS 等民用卫星导航系统铺平了道路。

A-GNSS 监测站只是更大的地面段的一部分。该部分对 GNSS 卫星星座至关重要，由控制中心、分段、天线和监测站等各种设施组成。在过去的 70 年中，A-GNSS 地面段不断发展，但其核心任务之一却一直存在：确保授时信号的完整性。

随着时间的推移

要在地球上准确定位一个实体，需要的不仅仅是空间信息，还有更多。在全球范围内分配不同的时区、精确测量基本时间单位以及在卫星上部署原子钟都是当前 GNSS 时间测量发展的重要因素，而这反过来又使定位接收机的精度得以提高。

尽管如此，即使是最精确的原子钟也会出现漂移。卫星钟和大气条件的差异或漂移会带来误差，改变定位计算，影响系统的定位精度。由于经过时间的差异最终会影响定位测量，因此必须通过确保地球上的授时精度来纠正这些差异。

许多定位应用都依赖于时间同步才能正常运行。现在，您对铁路系统的组织、麦克斯韦的发展和原子钟如何影响当前用于精确定位物体和生物的 A-GNSS 系统时间测量有了更清晰的认识。