问题描述

时间是全人类共同的语言。守时、授时和历法只为统一时间。对于未来的月球、火星基地，以及深空探索来说，“动钟变慢，弱引力势的钟快”的相对论效应对原子钟的影响不可忽略。当前人类使用的时间规则只能适用于地球引力势范围内，不能适用于更广阔的宇宙空间，在地球引力势外的广域时空中如何统一时间的问题，仍是计量学、空间科学和天文学共同的科学问题。空间守时系统针对现有地球上的标准时间不能用在地球以外的其他坐标系的问题，提出了一种新的统一时间的方法。

问题背景

守时是维持时间系统稳定并且统一时间的理论和技术。已经开展的深空探测活动，都依靠天地时间同步系统，如火星、木星和月球的探测活动都是自成体系，航天器除了与地面站通信外，不需要与其他系统开展联系。如果一个孤立系统不需要与外界比较时间的话，就没有统一时间的需要。地球卫星导航GNSS建立了4维时空统一的系统，实现了导航、定位和授时，然而它只能应用在地球附近。基于脉冲星的导航技术为远离地球的航天器提供了更好的时空统一方案，而脉冲星导航必不可少的基础就是空间守时系统。未来人类空间活动需要航天器相互协作，月球基地、火星基地之间建立互联网络，就应该在不同局域坐标系之间建立统一时间的规则，这就是空间守时系统要解决的问题。空间守时系统坚守人类对时间的两个约定，即时间单位和时间起始点的约定，在基于广义相对论的空间计量理论的基础上，用铯原子钟测量原时，用脉冲星测量坐标时，用太阳系质心坐标系原点上的坐标时来统一时间。空间守时系统用相对时间观点颠覆了传统的绝对时间观点。相对时间观点认为标准时间不是唯一的，在不同局域坐标系之间，相互观测对方的时间都不可能是均匀流逝的，相互认为对方的时间坐标轴是不均匀的；而绝对时间观点则认为标准时间是唯一的，能够用授时技术来统一所有用时设备。

最新进展（截止问题发布年度）

地球或附近轨道上采用的时间统一的模式是“中心守时，局域授时”的模式。在大地水准面附近有80多个守时实验室，按照国际单位制的定义复现SI秒，测量本地时间AT，国际计量局BIPM对各地的时间进行加权平均产生国际原子时TAI，再结合地球自转服务组织IERS提供的世界时UT1，加入闰秒后，发布标准时间UTC，这称为中心守时。因相对论效应影响，不同局域之间，相对速度和引力势不同，原子钟的走速也不同。其他不参与守时的用时设备或原子钟，都不再按SI秒的定义进行走时，而是修正了秒长（或称时间单位、时间尺度）保持与标准时间同步。当前统一时间的方法就是利用授时手段，守时工作站不断发出标准时间，让其它时钟放弃自己局域的原时，而保持与标准时间同步。这样除了大地水准面上的时钟能按SI秒定义测量时间外，其他时钟都不能按SI秒测量时间，这称为局域授时。对于同一个时钟来说时间单位的统一和时间测量的统一两者不可兼得，是直接用SI秒做单位测量原时？还是驯服于授时信号？原子钟只能选择其一。

为了解决地球上标准时间无法跨越不同坐标系，授时技术在遥远的星际之间受相对论效应和多普勒效应影响的问题，中国人首先提出了空间守时系统概念，不否定当前守时-授时规则，而是包含现有规则，且在地球范围之外，建立更为适用的、去中心化的时间统一理论和方法，与现有地球上守时系统有以下不同特点：

1）对时间的观念不同。空间守时系统认为不同局域坐标系上有各自独立的时间系统，并不要求各局域之间的原时统一，但要求对时间单位的约定是一致的，坚持SI秒定义的广义相对性。现有守时系统认为标准时间是唯一的，除大地水准面外，其他地方的时间为了保持与标准时间同步，必须放弃自己本地的SI秒单位，坚持以守时原子钟为中心，通过授时信号获得同步。

2） 坐标系不同。空间守时系统以太阳系质心为坐标原点，在广义相对论基础上把坐标时作为时间传递、比对和守时的通用语言，不限定守时基准所处的空间位置，既可以在地球表面，也可以在地球同步轨道以及拉格朗日L2、L4、L5点，未来还可以在月球、火星基地建立守时基准，只要守时基准所在的位置、引力势和相对速度可以精确计算或查表获知，就可行；现有守时系统是以地球质心为坐标原点，为便于地面原子钟的测量，把地心坐标时（TCG）外推到大地水准面上，称为TT时，与TCG有固有的走速偏差。两者使用范围不同，是包含而不是排斥的关系。

3）基准原理不同。空间守时系统同时利用原子钟和脉冲星。原子钟在量子层面表现出来的微观稳定性可复现原时，脉冲星在惯性层面表现出来的宏观稳定性可复现坐标时，微观和宏观物理现象都适用于整个宇宙，都可成为自然基准。现有守时系统仅仅倚赖多台原子钟的加权平均，维持局域稳定性。

4）去中心化。空间守时系统是开放系统，它把地面守时系统作为权值最大的子系统，随着人类向外太空发展，还可以不断加入更多行星子系统，甚至所有位置、引力势和相对速度确定的任何航天器，也能成为独立守时系统，各系统之间没有授时关系。现有守时系统以大地水准面上的守时原子钟为中心，尤其是权值大的几台原子钟为主，再由BIPM综合各地数据计算出标准时间，这是由中心控制的时间测量系统。

5）闭环反馈机理不同。脉冲星发出的电磁波进入太阳系内可视为平面波，是可观测的物理信号，太阳系内各处都能观测到脉冲星的信号，空间守时系统把脉冲星作为共视法远程自然基准，在约定了脉冲周期、方位角、脉冲轮廓和初始历元的基础上，各子系统之间相互广播各自的测量结果，通过比较修正，可实现整个系统的反馈，这种反馈能够使空间守时系统更加稳定。现有的守时系统把各地守时原子钟的测量结果进行加权平均，发布统一的标准时间，各地用平均值作为稳定性的反馈，这样的反馈机制受到大地水准面不稳定的影响，长期来看存在整体性飘移。

重要意义

通信、导航、遥感、侦查预警，以及全球金融、贸易、电力、交通和电信运营都需要精准且统一的时间。地球上的守时和授时手段，面对越来越远的航天器和基地已经鞭长莫及，如何统一太阳系内的时间，成为新的问题。统一时间问题是构建人类命运共同体的技术基础，它既有理论技术内容，又有管理和文化的色彩。现有的时间管理理论和方法仅仅适用于地球及其附近空间，不适用于更广域的宇宙空间。由此出现了“空间守时系统”新概念，这不仅仅是概念创新，更重要的是颠覆了传统时空观念。爱因斯坦的相对论把时间的测量、管理和应用推到了新的高度。在新的历史时期，由中国人提出并引领空间守时系统，将产生重大的历史意义和现实价值。二十一世纪，以信息和航天产业为引领展开了新的产业革命，深空探测和地外基地的布局是未来20年发展的热点，重新制定时间管理规则成为大势所趋。脉冲星的发现，和广义相对论的普及应用，给了我们难得的机遇，中国学者抓住了机遇，首先提出了空间守时系统，定义时间起始原点，引领全人类开发地球以外的时间规则，将在人类计量历史上翻开新的篇章。