當(dāng)前，世界已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代，在一個(gè)國(guó)家乃至全球進(jìn)行建設(shè)和時(shí)空信息交流時(shí)，必須有一個(gè)統(tǒng)一的參考保證信息的一致性，這就是時(shí)空基準(zhǔn)。時(shí)空基準(zhǔn)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(shí)間基準(zhǔn)、坐標(biāo)基準(zhǔn)和高程（垂直）基準(zhǔn)，在國(guó)家安全和全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著基礎(chǔ)性作用，已經(jīng)成為全球關(guān)注、競(jìng)相布局的重大基礎(chǔ)設(shè)施。

時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)的重大價(jià)值

2021年，習(xí)近平總書記在給首屆北斗規(guī)模應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)的賀信中指出，“時(shí)空信息、定位導(dǎo)航服務(wù)成為重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施”。在星地網(wǎng)絡(luò)融合、導(dǎo)航通信聯(lián)合的大背景下，2024年，中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)、中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)和中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，合資組建中國(guó)時(shí)空信息集團(tuán)有限公司。

時(shí)空信息和時(shí)空基準(zhǔn)為什么這么重要？

時(shí)空基準(zhǔn)推動(dòng)前沿科學(xué)研究。20世紀(jì)初，地球科學(xué)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(dòng)，而是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)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(gòu)造理論的基礎(chǔ)。板塊運(yùn)動(dòng)的量級(jí)一般非常小，那么我們?nèi)绾螌?duì)這種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行量化呢？這就得益于高精度的大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)。例如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）可以提供高精度的時(shí)空信息，使得科學(xué)家們能夠測(cè)量和追蹤板塊運(yùn)動(dòng)的速度和方向，測(cè)得的范圍為每年毫米到厘米級(jí)。

時(shí)空基準(zhǔn)賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。時(shí)空信息不僅在科學(xué)研究中有重要應(yīng)用，在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中也越來越重要。當(dāng)前，全球數(shù)字化發(fā)展日益加快，時(shí)空信息已經(jīng)與我們的日常生活密切相關(guān)。在工程建設(shè)中，長(zhǎng)距離油氣輸送管網(wǎng)工程、跨境跨國(guó)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(duì)接。電力系統(tǒng)要求發(fā)電站和電網(wǎng)中的各個(gè)設(shè)備保持同步協(xié)調(diào)來保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定。金融市場(chǎng)交易、自動(dòng)駕駛、智慧物流、智能設(shè)備協(xié)同等，都需要統(tǒng)一精準(zhǔn)的時(shí)空信息，對(duì)時(shí)間精度的要求往往是納秒級(jí)、對(duì)定位的要求是厘米級(jí)甚至更高。

時(shí)空基準(zhǔn)關(guān)乎國(guó)家安全。目前廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，需要全球統(tǒng)一的高精度時(shí)空基準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)精密的軌道確定和遙感影像定位。與此同時(shí)，時(shí)空基準(zhǔn)也是深空深地探測(cè)等國(guó)家重大工程的保障。沒有獨(dú)立自主、可靠運(yùn)行的精準(zhǔn)時(shí)空基準(zhǔn)將嚴(yán)重影響國(guó)家安全。

時(shí)空基準(zhǔn)助力構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。時(shí)空基準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)國(guó)際互聯(lián)互通的基礎(chǔ)保障。在共建“一帶一路”倡議推進(jìn)過程中，共建國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需要在統(tǒng)一的地理空間信息框架下進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與管理。全球三維測(cè)圖、全球地圖的拼接、跨國(guó)大型水利和橋梁工程建設(shè)等都需要高精度的全球統(tǒng)一高程基準(zhǔn)。目前，全球各地使用的高程基準(zhǔn)有100多個(gè)，我國(guó)在不同的歷史時(shí)期，就使用過近10個(gè)不同的高程基準(zhǔn)。高程基準(zhǔn)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(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)一體化的基礎(chǔ)任務(wù)之一。

時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)面臨的問題

高精度時(shí)空基準(zhǔn)的建立和維持一直是大地測(cè)量學(xué)科最核心、最重要的任務(wù)。國(guó)際上，21世紀(jì)初就先后提出：到21世紀(jì)中葉，將框架精度從厘米級(jí)提高到1毫米，時(shí)間基準(zhǔn)傳遞精度從20納秒提高到1納秒，并實(shí)現(xiàn)全球1厘米高程基準(zhǔn)統(tǒng)一。上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，面臨諸多方面的挑戰(zhàn)。

時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)依賴多學(xué)科支撐。比如，時(shí)空基準(zhǔn)的建立要依賴地面建立的各種觀測(cè)站。這些觀測(cè)站是基準(zhǔn)建設(shè)中的“參考點(diǎn)”，它們看似固連在地球上，實(shí)際上會(huì)受到地球系統(tǒng)復(fù)雜變化的影響。地球系統(tǒng)各圈層的變化和運(yùn)動(dòng)，如板塊運(yùn)動(dòng)、冰川消融、水文變化、大氣負(fù)荷、固體潮、海洋潮汐等，都會(huì)引起這些觀測(cè)站位置的復(fù)雜變化，這就需要多學(xué)科協(xié)同，共同厘清地球系統(tǒng)物質(zhì)遷移過程及其對(duì)地球時(shí)空基準(zhǔn)影響的機(jī)理。

時(shí)空基準(zhǔn)的建立與維持需要規(guī)模龐大的基礎(chǔ)設(shè)施支持。時(shí)空基準(zhǔn)的建立與維持除了太空里的導(dǎo)航衛(wèi)星星座，還需要有全球分布的地面跟蹤網(wǎng)。這項(xiàng)工作實(shí)施難度很大，對(duì)我國(guó)而言影響尤其明顯。當(dāng)前的測(cè)量技術(shù)手段以衛(wèi)星跟蹤為主。為了確保對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，就必須在全球設(shè)置地面跟蹤站。某些國(guó)家或地區(qū)因多方面原因可能限制外國(guó)部署跟蹤站。此外，建設(shè)和連續(xù)運(yùn)營(yíng)地面跟蹤站需要大量資金和人員投入。我國(guó)雖然擁有完全自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但是在全球布站方面，還有很多工作要做。

部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)模型存在“斷供”風(fēng)險(xiǎn)。因衛(wèi)星跟蹤站全球布站的難度大，目前國(guó)際上一般采用共享數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)資源共享，這就存在“斷供”的風(fēng)險(xiǎn)。另外，現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)是在學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其服務(wù)能力也依賴于相關(guān)學(xué)科所提供的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)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(cè)數(shù)據(jù)的豐富在不斷更新的，目前國(guó)內(nèi)幾乎全部采用國(guó)外科研機(jī)構(gòu)發(fā)布的模型。如果這些模型停止更新或者不再發(fā)布，國(guó)內(nèi)就無法采用該領(lǐng)域的最新研究成果。簡(jiǎn)言之，我們?cè)诨A(chǔ)研究領(lǐng)域還需要加強(qiáng)有深度的研究，提高核心產(chǎn)品的供給能力。

時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)的未來方向

隨著基礎(chǔ)科學(xué)迅猛發(fā)展，距離、時(shí)間、重力等物理量的測(cè)量取得了革命性進(jìn)步。比如，目前實(shí)驗(yàn)室的時(shí)鐘穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到10～19，比當(dāng)前使用的星載原子鐘要高3～5個(gè)量級(jí)，為建立新一代時(shí)頻基準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。重力衛(wèi)星以前采用微波技術(shù)測(cè)量星間距離，精度為微米級(jí)?，F(xiàn)在采用激光干涉技術(shù)，精度提高到納米級(jí)。這些進(jìn)步對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)的建設(shè)帶來了深遠(yuǎn)影響。

基礎(chǔ)創(chuàng)新帶來顛覆性技術(shù)突破的可能。比如，基于廣義相對(duì)論原理使用最新的時(shí)鐘，理論上可感應(yīng)出1厘米的高程變化。這項(xiàng)技術(shù)如果實(shí)現(xiàn)會(huì)完全顛覆傳統(tǒng)的高程基準(zhǔn)建設(shè)和維持方法。由于高程基準(zhǔn)與重力位之間具有確定的關(guān)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(gè)跨洋地區(qū)之間的高程基準(zhǔn)。相關(guān)的相對(duì)論時(shí)頻測(cè)位已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。

航空航天科技發(fā)展為時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)提供了新思路。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了一系列的大型低軌星座計(jì)劃和專用計(jì)劃，每顆衛(wèi)星集成通信、導(dǎo)航等功能，或是集成多種大地測(cè)量觀測(cè)手段，起到的效果相當(dāng)于把地面跟蹤站搬到了衛(wèi)星上，可以為時(shí)空信息的獲取、處理與服務(wù)帶來革命性變化，成為當(dāng)前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，甚至有可能直接發(fā)展成為下一代低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

深空探測(cè)為時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)提供了新場(chǎng)域。深空探測(cè)是世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新高地。美國(guó)實(shí)施了重返月球、火星探測(cè)等一系列深空探測(cè)計(jì)劃，歐盟及俄羅斯、日本、印度等國(guó)都在這個(gè)領(lǐng)域提出了各自的發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)也開展了規(guī)模宏大的深空探測(cè)計(jì)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(guó)宣布要在2030年以前實(shí)施載人登月任務(wù)。隨著高可靠、低成本、航班化的航天運(yùn)輸系統(tǒng)逐步走入現(xiàn)實(shí)，地月經(jīng)濟(jì)必將成為下一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)和制高點(diǎn)。地球時(shí)空基準(zhǔn)如何升級(jí)為地月時(shí)空基準(zhǔn)，需要提前進(jìn)行布局，取得發(fā)展的先機(jī)。

（文章轉(zhuǎn)載自《學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)》2024-08-21 A6版）

專家簡(jiǎn)介

李建成，1964年12月出生于內(nèi)蒙古集寧市。中國(guó)工程院院士，現(xiàn)任中南大學(xué)校長(zhǎng)、黨委副書記。長(zhǎng)期從事地球重力場(chǎng)理論及其工程應(yīng)用研究，在精密數(shù)字高程基準(zhǔn)建立與維持、高程測(cè)定模式現(xiàn)代化、衛(wèi)星重力、海洋衛(wèi)星測(cè)高等領(lǐng)域作出了突出貢獻(xiàn)。曾獲光華科技工程（青年）獎(jiǎng)，中國(guó)青年科技獎(jiǎng)，國(guó)家有突出貢獻(xiàn)中青年專家，全國(guó)優(yōu)秀科技工作者，何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)。