現代社會中，精確的時間測量對人類的許多活動都至關重要：協調全球通信網絡、同步復雜的技術流程、確保金融交易中數據的準確性、支持各類科學研究，以及實現精準的導航和定位系統。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重要，過去150年來，“時間標準化”、“同步”和“優化”這三個關鍵時間概念取得了顯著發展。如果沒有這樣的發展，精確的時間測量根本無從實現。

全球時間標準化為各部門、各地區的一致同步溝通、無縫國際合作和精準活動協調奠定了基礎。

這一發展歷程始于19世紀，當時歐洲和美國的鐵路系統需要精確協調時間。由于列車行駛距離遙遠，可能會出現明顯的時差，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。從導航、電信一直到金融和電網系統，全球時間同步對廣泛的技術和行業都有著極大的現實意義。

最后，時間優化的重點是精度的實現，這離不開精密原子鐘的發展。這類高精度時鐘在精確測量時間方面發揮著至關重要的作用，是衛星導航系統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中列車到達和出發的協調。在工業化時代和鐵路系統出現之前，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整一下手表即可。

隨著火車網絡的擴大，以及對組織性要求提高，這種局面發生了很大變化。在沒有時間標準化的情況下，在城市之間協調火車交通會給后勤帶來重大挑戰。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重要的最早實例之一。在這種情況下，時間與技術進步依然涇渭分明，并且在火車的機制中沒有發揮任何作用。

一個世紀后，全球工業、金融、科學和技術的發展引發了對于精確度的需求，而傳統時鐘無法滿足這樣的需求。為了跟上時代發展的步伐，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難關，一種更復雜的時間測量方法應運而生。

精確測量時間

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

根據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。這兩個理念構成了原子鐘的運作基礎。

原子鐘根據原子共振原理運行，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。這種暴露會導致電子的能級發生改變。于是，精確的微波頻率就成了時鐘的滴答機制。通過計算這些轉換，就可以定義時間。特定原子在兩個能級之間的躍遷次數決定了秒。

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。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次的持續時間。

有了這項技術，地面應用就成了首要目標。然而，對定位應用至關重要的衛星時間同步很快成為該技術的應用。

第一臺衛星原子鐘

空間和衛星技術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航的想法產生了影響。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星提供精確計時方面發揮了重要作用。

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

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

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

NTS-1的成功發射為GPS網絡的建立做出了巨大貢獻。NTS-1是GPS的前身，該衛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、相對論效應和大氣延遲的影響。

溫度變化會影響原子和原子鐘內的振蕩器，導致時鐘頻率和穩定性波動，進而影響時鐘精度。

定位衛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星相對于地球觀測者的時間流逝快慢，導致衛星的時間流速略微加快。衛星經歷的相對論時間膨脹對時間測量有切實的影響。衛星是不斷運動的，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，計算信號從衛星傳輸到 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，導致時間估計不準確。

由于這些誤差，衛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：地球時間計算基礎設施

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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于同時發生的事件的命題。"

—《論動體的電動力學》1905 年

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

衛星之間的時間信息同步對于計算精確定位數據至關重要。地面GNSS監測站不斷監測和調整這種同步。

除了持續觀測和收集衛星發射的信號數據外，地面監測站還會測量大氣數據，如電離層和對流層延遲，這些數據主要影響GNSS信號的準確性。所收集到的數據隨后會得到處理，以識別GNSS信號中的誤差和變化。

GNSS監測站通過向GNSS接收機提供校正數據，在提高位置計算的準確性方面發揮著關鍵作用。這一過程可確保同步，并且有賴于原子鐘和GNSS時間服務器的精確計時。

GNSS監測站的發展與衛星導航系統的發展史和拓展并駕齊驅。第一個衛星監測站于二十世紀50年代在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室 (APL) 建立。在全球首個實際投入運轉的衛星導航系統Transit系統的開發過程中，該監測站發揮了至關重要的作用，為GPS等民用衛星導航系統的開發鋪平了道路。

GNSS監測站只是更龐大的地面段的一部分。地面段對 GNSS衛星星座至關重要，包括控制中心、分段、天線和監測站等各種設施。在過去70年中，GNSS地面段不斷發展，但其核心任務之一始終未變：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。在全球范圍內指定不同的時區、精確測量基本時間單位，以及在衛星上部署原子鐘，這些都是當前 GNSS 時間測量技術發展的重要因素，而后者的發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漂移。衛星時鐘和大氣條件的差異或漂移會帶來誤差，改變定位計算的結果，影響系統的準確性。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。

許多定位應用都依賴時間同步來保證正常工作。現在，您更清楚地了解了鐵路系統的組織工作、麥克斯韋的開發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品以及全面的物聯網服務，賦能客戶以實現精準定位與萬物互聯。因此，u-blox擁有豐富的GNSS授時模塊，不僅具備高精度的優勢，還能滿足包括安全性、低能耗等各類需求。

其中，這兩款產品備受市場關注：

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，實現高精度的局部授時

內置安全功能，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

通過完整性監控和警報實現高可靠性