时空基准：全球竞相布局的重大基础设施

李建成，中国工程院院士，中南大学校长。长期从事地球重力场理论及其工程应用研究，在精密数字高程基准建立与维持、高程测定模式现代化、卫星重力、海洋卫星测高等领域作出了突出贡献。曾获光华科技工程（青年）奖、中国青年科技奖、国家有突出贡献中青年专家、全国优秀科技工作者、何梁何利基金科学与技术进步奖；获国家科学技术进步奖一等奖1项、二等奖4项。

当前，世界已经进入信息时代，在一个国家乃至全球进行建设和时空信息交流时，必须要有一个统一的参考保证信息的一致性，这就是时空基准。时空基准是描述宇宙万事万物空间状态和演化过程的参照系统，包括时间基准、坐标基准和高程（垂直）基准，在国家安全和全球经济社会发展中起着基础性作用，已经成为全球关注、竞相布局的重大基础设施。

时空基准建设的重大价值

2021年，习近平总书记在给首届北斗规模应用国际峰会的贺信中指出，“时空信息、定位导航服务成为重要的新型基础设施”。在星地网络融合、导航通信联合的大背景下，2024年中国卫星网络集团、中国兵器工业集团和中国移动通信集团强强联合，合资组建中国时空信息集团有限公司。时空信息和时空基准为什么这么重要？

时空基准推动前沿科学研究。20世纪初，地球科学家观察到大陆和海洋地壳上的地震分布规律。这些观察表明，地球上的大陆和海洋地壳并非静止不动，而是在漫长的地质时间尺度上发生着巨大的变化。这些发现成为后来板块构造理论的基础。板块运动的量级一般非常小，那么我们如何对这种运动进行量化呢？这就得益于高精度的大地测量观测技术。例如，全球导航卫星系统（GNSS）可以提供高精度的时空信息，使得科学家们能够测量和追踪板块运动的速度和方向，测得的范围为每年毫米到厘米级。

时空基准赋能数字经济高质量发展。时空信息不仅在科学研究中有重要应用，在现代经济社会发展中也越来越重要。当前，全球数字化发展日益加快，时空信息已经与我们的日常生活密切相关。在工程建设中，长距离油气输送管网工程、跨境跨国高速铁路等线路工程，需要统一的高程信息，否则无法确保工程的联合施工作业与对接。电力系统要求发电站和电网中的各个设备保持同步协调来保障电力供应的稳定。金融市场交易、自动驾驶、智慧物流、智能设备协同等等，都需要统一精准的时空信息，对时间精度的要求往往是纳秒级、对定位的要求是厘米级甚至更高。

时空基准关乎国家安全。目前广泛应用的卫星对地观测技术，需要全球统一的高精度时空基准，以实现精密的轨道确定和遥感影像定位。与此同时，时空基准也是深空深地探测等国家重大工程的保障。没有独立自主、可靠运行的精准时空基准将严重影响国家安全。

时空基准助力构建人类命运共同体。时空基准是实现国际互联互通的基础保障。在共建“一带一路”倡议推进过程中，沿线国家的发展规划与基础设施建设，需要在统一的地理空间信息框架下进行统筹规划与管理。全球三维测图、全球地图的拼接、跨国大型水利和桥梁工程建设等都需要高精度的全球统一高程基准。目前，全球各地使用的高程基准有100多个，我国在不同的历史时期，就使用过近10个不同的高程基准。高程基准的不同，影响和制约了全球空间信息的共享与交换。统一的高程参考系统已经成为全球大地测量观测系统一体化的基础任务之一。

时空基准建设面临的问题

高精度时空基准的建立和维持一直是大地测量学科最核心、最重要的任务。国际上，21世纪初就先后提出：到21世纪中叶，将框架精度从厘米级提高到1毫米，时间基准传递精度从20纳秒提高到1纳秒，并实现全球1厘米高程基准统一。上述目标的实现，面临诸多方面的挑战。

时空基准建设依赖多学科支撑。比如，时空基准的建立要依赖地面建立的各种观测站。这些观测站是基准建设中的“参考点”，它们看似固连在地球上，实际上会受到地球系统复杂变化的影响。地球系统各圈层的变化和运动，如板块运动、冰川消融、水文变化、大气负荷、固体潮、海洋潮汐等，都会引起这些观测站位置的复杂变化，这就需要多学科协同，共同厘清地球系统物质迁移过程及其对地球时空基准影响的机理。

时空基准的建立与维持需要规模庞大的基础设施支持。时空基准的建立与维持除了太空里的导航卫星星座，还需要有全球分布的地面跟踪网。这项工作实施难度很大，对我国而言影响尤其明显。当前的测量技术手段以卫星跟踪为主。为了确保对卫星的连续跟踪，就必须在全球设置地面跟踪站。某些国家或地区因多方面原因可能限制外国部署跟踪站。此外，建设和连续运营地面跟踪站需要大量资金和人员投入。我国虽然拥有完全自主的北斗卫星导航系统，但是在全球布站方面，还有很多工作要做。

部分关键数据和基础模型存在“断供”风险。因卫星跟踪站全球布站的难度大，目前国际上一般采用共享数据的方式实现资源共享，这就存在“断供”的风险。另外，现代大地测量技术是在学科交叉的基础上产生的，其服务能力也依赖于相关学科所提供的关键数据和基础模型。比如，卫星精密定轨就涉及海潮、固体潮、极潮模型等，其中海潮模型是随着观测数据的丰富在不断更新的，目前国内几乎全部采用国外科研机构发布的模型。如果这些模型停止更新或者不再发布，国内就无法采用该领域的最新研究成果。简言之，我们在基础研究领域还需要加强有深度的研究，提高核心产品的供给能力。

时空基准建设的未来方向

随着基础科学迅猛发展，距离、时间、重力等物理量的测量取得了革命性进步。比如，目前实验室的时钟稳定度已经达到10—19，比当前使用的星载原子钟要高3—5个量级，为建立新一代时频基准奠定了基础。重力卫星以前采用微波技术测量星间距离，精度为微米级。现在采用激光干涉技术，精度提高到纳米级。这些进步对时空基准的建设带来了深远影响。

基础创新带来颠覆性技术突破的可能。比如，基于广义相对论原理，使用最新的时钟，理论上可感应出1厘米的高程变化。这项技术如果实现会完全颠覆传统的高程基准建设和维持方法。由于高程基准与重力位之间具有确定的关系，如果两地之间的重力位差确定了，高程差也就确定了，这样的方法不受空间限制，可以跨越高山或者大洋，因此该方法非常适合于统一两个跨洋地区之间的高程基准。相关的相对论时频测位已成为国际研究的热点。

航空航天科技发展为时空基准建设提供了新思路。国内外已经提出了一系列的大型低轨星座计划和专用计划，每颗卫星集成通信、导航等功能，或是集成多种大地测量观测手段，起到的效果相当于把地面跟踪站搬到了卫星上，可以为时空信息的获取、处理与服务带来革命性变化，成为当前全球导航卫星系统的重要补充，甚至有可能直接发展成为下一代低轨卫星导航系统。

深空探测为时空基准建设提供了新场域。深空探测是世界各国竞争的新高地。美国实施了重返月球、火星探测等一系列深空探测计划，欧盟以及俄罗斯、日本、印度等国都在这个领域提出了各自的发展规划。我国也开展了规模宏大的深空探测计划，以嫦娥工程、天问工程为代表的重大工程都取得了令世人瞩目的成就。近期我国宣布要在2030年以前实施载人登月任务。随着高可靠、低成本、航班化的航天运输系统逐步走入现实，地月经济必将成为下一个新的增长点和制高点。地球时空基准如何升级为地月时空基准，需要提前进行布局，取得发展的先机。

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