第一章定位、导航与定时体系发展总论
第一节科学意义与战略价值
定位、导航与定时是关系国家安全的战略性领域，是国家信息产业和国防科技工业的重要组成部分，是推动国民经济建设、军队现代化建设和武器装备升级换代的重要驱动力。
PNT系统的主要任务是为用户提供精确、连续、可靠的实时位置、速度、时间和姿态等信息。在军用方面，PNT信息已成为精确打击、联合作战指挥、协同作战、机动部署等军事任务中的重要基础信息，是一体化联合作战体系的核心信息之一，是陆、海、空、天各种作战单元协同的基础。在民用方面，PNT在交通运输、测绘地理、地震监测、气象水文、国土资源调查、精细农业等方面得到了广泛应用。目前，以卫星导航为代表的天基导航系统在民用方面占据着主导地位。然而，单一的GNSS的信号非常脆弱，极易受到干扰和欺骗，从而影响到国防、电力、金融等领域的核心用户群。同时，GNSS的PNT服务不能惠及地下、水下和室内，在高楼林立的大城市和森林密集的特殊地区，也无法保证PNT服务的可用性、连续性和可靠性。建立满足国家安全、经济发展、国家基础设施高效稳定运行和民众日常生活需求的国家PNT体系成为当前必须面对的重大课题。国家PNT体系是指在国家层面统一组织协调下，服务于国防和经济社会，承担国家时空基准建立与维持、时空信息播发与获取、PNT服务与应用等任务的国家信息基础设施建设与应用管理，包括建设以卫星导航系统为主、多个协同工作的PNT系统以及各类PNT设备，构建支撑体系运行、服务的其他信息系统，建立组织管理体制和技术创新体系等。
一、PNT体系是国家“新基建”的基础
2020年7月31日，我国北斗全球卫星导航系统正式宣布建成，北斗卫星导航系统无论是在功能方面，还是在PNT服务精度方面都处于全球卫星导航系统的较高水平（Yang et al.，2021，2020，2019，2018）。北斗卫星导航系统及其关联产业已经具备“新基建”的特征要素。为了满足科学发展和智能生活的新需求，统一的时空基准建设和智能化PNT应用将拉动我国电子产业的新发展，推动智能社会、智能交通等的发展，于是PNT体系将是新需求下“新基建”的重要引擎，将强有力地促进国家经济的发展。
首先，国家经济发展不仅需要公路、铁路、航路、水路，而且需要时空基准统一的信息高速公路。但是无论是什么“路”，都属于基础设施。目前，国家利益已经超出传统的领土、领海、领空的范畴，不断向远洋、两极、太空、电磁空间以及虚拟网络延伸（谭述森等，2018）。国家利益到哪里，时空基准保障和PNT保障就必须到哪里。国家经济发展既是时空信息基础设施建设引擎，也是时空基础设施的重要应用。
其次，国家重要基础设施（如电力、交通、互联网、移动通信等）安全稳定运行，不仅需要高精度时空基准作为保障，而且需要安全可信的PNT支持。进一步，要实现这些基础设施的弹性化时空信息维持与应用，需要建设重大基础设施的弹性时空服务体系，这属于“新基建”范畴。
二、国家PNT体系是国防安全的基石
随着现代战争的发展，PNT信息已成为精确打击、联合作战指挥、协同作战、机动部署等军事任务中重要的基础信息。军队信息化中80%以上的信息量与PNT信息相关。
PNT信息是指挥平台的基础信息。统一的时空信息是各兵种联合作战的基础，指挥的有效性必须基于：精确已知各战斗单元、武器平台的位置、运动方向、轨迹；必须确保各战斗单元时间同步；必须精确确定敌方的空间布局。随着时间变化，任何针对指挥平台的时空信息干扰、欺骗或阻断，都会造成指挥失灵或决策失误，要想在指挥决策中占优势，必须从系统体制上全方位提高PNT的稳健性和对抗能力。
PNT信息是武器平台的引导信息。武器平台的精确打击必须有时间和空间信息的引导，远程武器、空天武器需要精度更高的的时间和空间信息，必须基于精准时间、距离和弹头运行速度反算精准发射时间；近远程、集中火力同步打击是不同方向、不同地点、不同距离、不同运行速度的武器对同一重要目标实施的高度协同和密集的、立体式的精确打击，要求各战斗单元、各武器平台发射的弹头同时击中规划目标，同时具备突破敌方防卫与导弹拦截功能。
PNT信息是高动态载体运行的控制信息。高动态载体的运行与控制，以及所有无人作战平台的控制运行，都必须基于高精度、统一的时间和位置信息；高速武器拦截更需要精准的时间同步和精确的目标运行轨道测定。精确的时间测量和时间同步是现代导航、轨道测控和目标定位的前提。
三、国家PNT体系是产业及经济模式创新的重要支撑
北斗全球卫星导航系统的建成，以及向全球提供行业应用和大众消费应用，将对人们的生产和生活方式产生巨大且深远的影响。PNT信息与技术融入农业，可以促进精密农业甚至智慧农业的发展；PNT信息与技术融入渔业，可以支撑数字渔业的发展。此外，北斗与移动通信、移动互联网、物联网、大数据等技术的加速融合创新，将促进以电子商务、互联网和位置服务为代表的电子产业的发展，形成“北斗+”的基础创新和“+北斗”的应用创新态势，进而带动电子产业新业态的发展，促进经济社会的发展。
四、国家PNT体系是智能社会发展的基础
随着智能社会发展需求的增长，智慧城市、智慧海洋、移动智能终端、智能网联汽车、智能驾驶、智能交通管理、智能无人飞机、智能无人舰艇、智能水下航行器等无一不需要时间信息和位置信息的支持。可以说，没有PNT信息，城市不会有智慧，海洋不会有智慧，地球不会有智慧，更不会成为适宜人类生存的美好家园。智能社会发展和智能生活，不仅需要GNSS提供的PNT，而且需要在室内、地下、水下、井下等GNSS信号拒止情况下连续可靠的PNT服务。
时空是一切自然和人类活动的载体，时间信息和位置信息也是一切表征事物属性的物理空间状态和演化过程的标识（刘经南等，2019）。PNT技术无论是在平板仪、经纬仪、水准仪时期，还是在电子经纬仪、全站仪阶段，还是在当今卫星导航、全源导航时代，都是国家发展、经济建设、军事应用不可或缺的基础信息，是带动各产业发展的不竭动力。在科学研究领域，PNT是测绘工作、地壳应力变化监测等的主要手段；在交通运输领域，PNT是建设智能运输系统、监控系统的核心；在救灾减灾领域，PNT是构建紧急救援、报警系统的基础。特别是随着卫星导航技术的飞速发展，PNT领域早已成为信息产业具有强劲发展势头的领域之一。
第二节.技术发展历程
人类活动总是在一定的时间和空间范围内进行，人类对事物变化特性的认识也是以时间和空间作为基本参考维度实现的。现代物理学源于伽利略和牛顿构建的基本物理学框架，该框架以时间和空间作为切入点，建立了精确描述低速运动的严密理论体系。爱因斯坦创立的相对论更新了牛顿力学时空观，建立了描述宇宙大尺度和高速运动物体的严密理论，推动了自然科学的深度发展。可以说，时间和空间基本理论的突破与精确度量水平的提高，给社会生产力的发展带来了质的飞跃。
在牛顿力学框架下，空间和时间是相互独立的两个物理量，两者采用的测量方法和经历的技术发展阶段有较大差异。空间位置的测量通常采用距离测量和方位测量方式实现，而时间的测量则采用物体周期性变化的延续性表征。在相对论框架下，时间和空间变成相互依存的物理量，两者不可分离。在无线电测量技术出现之前，时间测量和空间测量在理论上交集不多。无线电测量技术的出现将度量空间关系的距离测量转化为精密时间测量，使得两者的联系更加密切。
人类对PNT技术的认识伴随着人类社会发展的全过程，经历了从粗略到精细、从被动发现到主动利用、从小范围应用到大尺度遥测等阶段。考虑到现阶段绝大多数物理现象可以用牛顿力学时空观进行描述，时间和空间测量技术在人类社会发展的绝大多数时期独立演进，因此本书对时间测量技术和空间测量技术的发展历程分别进行梳理。
一、时间频率技术发展
时间是人类*早认识的物理概念。远古时代，人类在日常生活和生产活动中，为了适应昼夜更替和季节变化，形成了以基本天文观测尤其是日月观测为基础的时间概念。公元前3000年，在中国、古埃及、古巴比伦、古印度等文明古国已经有了太阳、月球、行星等天象的记录，并基于肉眼观测形成了早期的天文年历。在《尚书 尧典》中，古人已经提出了依据天文现象进行授时的方法：“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授民时。”丁緜孙先生所著《中国古代天文历法基础知识》对这段话进行了解读（丁緜孙，1987）：“历法是计量日、月、年的时间长度和它们之间的关系，制定时间序列的法则；主要是根据日月星辰的运行规律，制定年、月、日、时的法则，以预测天象的回复，节候的来临，使人类社会活动，如狩猎、渔牧、耕种、航行等民生的作息，都可纳入一定周期之中，凡事都可按计划进行，有所准备，世界历法的本意，莫不如此，而中国历法对此更为典范。”可以说，在人类历史上，天文计时一直是主要的测时手段之一。公元前4世纪，中国天文学家石申编制了星表《石氏星经》，其中载有121颗恒星的位置，为利用星象确定时间提供了依据。为了更加准确地描述一天内的时间，中国古人发明了日冕、圭表、漏壶等测时手段，能够利用日影变化准确测量白天时刻，利用漏刻、星象观测确定夜晚时刻。
然而，天文定时手段需要考虑天气、场地和观测等因素的影响，地球自转的不均匀性也制约着天文测时的精度，人们开始探索利用机械运动的周期性进行时间测量。其中，主要的计时工具包括漏刻、五轮沙漏、水运仪象台以及钟摆。以钟摆为代表的机械结构计时工具的出现，使时间计量技术取得了突破性的进展，计时的精度、稳定性和便捷性均得到了很大的发展。航海时代，荷兰科学家惠更斯于1656年发明了钟摆钟。钟摆钟的出现给钟族带来了前所未有的繁荣，但钟的精度仍然不高。
1927年，新一代的石英钟在美国贝尔实验室问世。石英钟的出现，消除了过于复杂的齿轮系统给钟摆钟带来的磨损和阻尼，其精度很快就超过了钟摆钟。石英钟的振动周期为几万秒甚至几千万秒，可以测量很小的时间间隔。1932年，科学家利用石英钟研究了地球自转，发现地球自转周期有非常小的短期变化。然而石英钟的精度仍然不高，即使是*好的石英钟，误差也有千年一秒。同时，石英钟的精度会随着石英晶体的老化而下降，使用时间越长，误差越大。20世纪，量子物理的发展进一步改变了计时科学与技术，利用原子在不同能级之间跃迁所发射或吸收的电磁波频率作为标准频率建立的量子频标准确度已达到10–16数量级（王义遒，2012；韩春好，2017）。原子钟依赖微观世界中的周期现象计时，不损耗，不老化，振动周期比石英晶体短，因此原子钟的精度远高于以往任何一种钟，而且可以测量更精细的时间间隔。当前，传统的原子钟，如氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟广泛应用于军事和经济社会的多个领域，但其品种不全，高端产品匮乏，成为时间频率系统建设的“卡脖子”难题。
近年来，新的物理技术和光学技术不断进步，其中激光冷却囚禁原子技术、激光半导体技术和超稳激光技术的发展极大地促进了原子钟技术的进步，形成了以冷原子喷泉钟、光钟等为代表的新型原子钟。相较于传统原子钟，
展开
