時空基準：全球競相布局的重大基礎設施

當前，世界已經(jīng)進入信息時代，在一個國家乃至全球進行建設和時空信息交流時，必須有一個統(tǒng)一的參考保證信息的一致性，這就是時空基準。時空基準是描述宇宙萬事萬物空間狀態(tài)和演化過程的參照系統(tǒng)，包括時間基準、坐標基準和高程（垂直）基準，在國家安全和全球經(jīng)濟社會發(fā)展中起著基礎性作用，已經(jīng)成為全球關注、競相布局的重大基礎設施。

時空基準建設的重大價值

2021年，習近平總書記在給首屆北斗規(guī)模應用國際峰會的賀信中指出，“時空信息、定位導航服務成為重要的新型基礎設施”。在星地網(wǎng)絡融合、導航通信聯(lián)合的大背景下，2024年，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團、中國兵器工業(yè)集團和中國移動通信集團強強聯(lián)合，合資組建中國時空信息集團有限公司。

時空信息和時空基準為什么這么重要？

時空基準推動前沿科學研究。20世紀初，地球科學家觀察到大陸和海洋地殼上的地震分布規(guī)律。這些觀察表明，地球上的大陸和海洋地殼并非靜止不動，而是在漫長的地質(zhì)時間尺度上發(fā)生著巨大的變化。這些發(fā)現(xiàn)成為后來板塊構造理論的基礎。板塊運動的量級一般非常小，那么我們?nèi)绾螌@種運動進行量化呢？這就得益于高精度的大地測量觀測技術。例如全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）可以提供高精度的時空信息，使得科學家們能夠測量和追蹤板塊運動的速度和方向，測得的范圍為每年毫米到厘米級。

時空基準賦能數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。時空信息不僅在科學研究中有重要應用，在現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展中也越來越重要。當前，全球數(shù)字化發(fā)展日益加快，時空信息已經(jīng)與我們的日常生活密切相關。在工程建設中，長距離油氣輸送管網(wǎng)工程、跨境跨國高速鐵路等線路工程，需要統(tǒng)一的高程信息，否則無法確保工程的聯(lián)合施工作業(yè)與對接。電力系統(tǒng)要求發(fā)電站和電網(wǎng)中的各個設備保持同步協(xié)調(diào)來保障電力供應的穩(wěn)定。金融市場交易、自動駕駛、智慧物流、智能設備協(xié)同等，都需要統(tǒng)一精準的時空信息，對時間精度的要求往往是納秒級、對定位的要求是厘米級甚至更高。

時空基準關乎國家安全。目前廣泛應用的衛(wèi)星對地觀測技術，需要全球統(tǒng)一的高精度時空基準，以實現(xiàn)精密的軌道確定和遙感影像定位。與此同時，時空基準也是深空深地探測等國家重大工程的保障。沒有獨立自主、可靠運行的精準時空基準將嚴重影響國家安全。

時空基準助力構建人類命運共同體。時空基準是實現(xiàn)國際互聯(lián)互通的基礎保障。在共建“一帶一路”倡議推進過程中，共建國家的發(fā)展規(guī)劃與基礎設施建設，需要在統(tǒng)一的地理空間信息框架下進行統(tǒng)籌規(guī)劃與管理。全球三維測圖、全球地圖的拼接、跨國大型水利和橋梁工程建設等都需要高精度的全球統(tǒng)一高程基準。目前，全球各地使用的高程基準有100多個，我國在不同的歷史時期，就使用過近10個不同的高程基準。高程基準的不同，影響和制約了全球空間信息的共享與交換。建立統(tǒng)一的高程參考系統(tǒng)已經(jīng)成為全球大地測量觀測系統(tǒng)一體化的基礎任務之一。

時空基準建設面臨的問題

高精度時空基準的建立和維持一直是大地測量學科最核心、最重要的任務。國際上，21世紀初就先后提出：到21世紀中葉，將框架精度從厘米級提高到1毫米，時間基準傳遞精度從20納秒提高到1納秒，并實現(xiàn)全球1厘米高程基準統(tǒng)一。上述目標的實現(xiàn)，面臨諸多方面的挑戰(zhàn)。

時空基準建設依賴多學科支撐。比如，時空基準的建立要依賴地面建立的各種觀測站。這些觀測站是基準建設中的“參考點”，它們看似固連在地球上，實際上會受到地球系統(tǒng)復雜變化的影響。地球系統(tǒng)各圈層的變化和運動，如板塊運動、冰川消融、水文變化、大氣負荷、固體潮、海洋潮汐等，都會引起這些觀測站位置的復雜變化，這就需要多學科協(xié)同，共同厘清地球系統(tǒng)物質(zhì)遷移過程及其對地球時空基準影響的機理。

時空基準的建立與維持需要規(guī)模龐大的基礎設施支持。時空基準的建立與維持除了太空里的導航衛(wèi)星星座，還需要有全球分布的地面跟蹤網(wǎng)。這項工作實施難度很大，對我國而言影響尤其明顯。當前的測量技術手段以衛(wèi)星跟蹤為主。為了確保對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，就必須在全球設置地面跟蹤站。某些國家或地區(qū)因多方面原因可能限制外國部署跟蹤站。此外，建設和連續(xù)運營地面跟蹤站需要大量資金和人員投入。我國雖然擁有完全自主的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，但是在全球布站方面，還有很多工作要做。

部分關鍵數(shù)據(jù)和基礎模型存在“斷供”風險。因衛(wèi)星跟蹤站全球布站的難度大，目前國際上一般采用共享數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)資源共享，這就存在“斷供”的風險。另外，現(xiàn)代大地測量技術是在學科交叉的基礎上產(chǎn)生的，其服務能力也依賴于相關學科所提供的關鍵數(shù)據(jù)和基礎模型。比如，衛(wèi)星精密定軌就涉及海潮、固體潮、極潮模型等，其中海潮模型是隨著觀測數(shù)據(jù)的豐富在不斷更新的，目前國內(nèi)幾乎全部采用國外科研機構發(fā)布的模型。如果這些模型停止更新或者不再發(fā)布，國內(nèi)就無法采用該領域的最新研究成果。簡言之，我們在基礎研究領域還需要加強有深度的研究，提高核心產(chǎn)品的供給能力。

時空基準建設的未來方向

隨著基礎科學迅猛發(fā)展，距離、時間、重力等物理量的測量取得了革命性進步。比如，目前實驗室的時鐘穩(wěn)定度已經(jīng)達到10～19，比當前使用的星載原子鐘要高3～5個量級，為建立新一代時頻基準奠定了基礎。重力衛(wèi)星以前采用微波技術測量星間距離，精度為微米級。現(xiàn)在采用激光干涉技術，精度提高到納米級。這些進步對時空基準的建設帶來了深遠影響。

基礎創(chuàng)新帶來顛覆性技術突破的可能。比如，基于廣義相對論原理使用最新的時鐘，理論上可感應出1厘米的高程變化。這項技術如果實現(xiàn)會完全顛覆傳統(tǒng)的高程基準建設和維持方法。由于高程基準與重力位之間具有確定的關系，如果兩地之間的重力位差確定了，高程差也就確定了，這樣的方法不受空間限制，可以跨越高山或者大洋，因此這一方法非常適合于統(tǒng)一兩個跨洋地區(qū)之間的高程基準。相關的相對論時頻測位已成為國際研究的熱點。

航空航天科技發(fā)展為時空基準建設提供了新思路。國內(nèi)外已經(jīng)提出了一系列的大型低軌星座計劃和專用計劃，每顆衛(wèi)星集成通信、導航等功能，或是集成多種大地測量觀測手段，起到的效果相當于把地面跟蹤站搬到了衛(wèi)星上，可以為時空信息的獲取、處理與服務帶來革命性變化，成為當前全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的重要補充，甚至有可能直接發(fā)展成為下一代低軌衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

深空探測為時空基準建設提供了新場域。深空探測是世界各國競爭的新高地。美國實施了重返月球、火星探測等一系列深空探測計劃，歐盟及俄羅斯、日本、印度等國都在這個領域提出了各自的發(fā)展規(guī)劃。我國也開展了規(guī)模宏大的深空探測計劃，以嫦娥工程、天問工程為代表的重大工程都取得了令世人矚目的成就。近期我國宣布要在2030年以前實施載人登月任務。隨著高可靠、低成本、航班化的航天運輸系統(tǒng)逐步走入現(xiàn)實，地月經(jīng)濟必將成為下一個新的增長點和制高點。地球時空基準如何升級為地月時空基準，需要提前進行布局，取得發(fā)展的先機。

（文章轉載自《學習時報》2024-08-21 A6版）

專家簡介

李建成，1964年12月出生于內(nèi)蒙古集寧市。中國工程院院士，現(xiàn)任中南大學校長、黨委副書記。長期從事地球重力場理論及其工程應用研究，在精密數(shù)字高程基準建立與維持、高程測定模式現(xiàn)代化、衛(wèi)星重力、海洋衛(wèi)星測高等領域作出了突出貢獻。曾獲光華科技工程（青年）獎，中國青年科技獎，國家有突出貢獻中青年專家，全國優(yōu)秀科技工作者，何梁何利基金科學與技術進步獎，獲國家科學技術進步獎一等獎1項、二等獎4項。