天上，天下，与他们的“痕迹”

编者按

在中国科学院国家授时中心，时间被赋予了远超其本身的意义和功能。从计时到定位，再到观测更遥远的宇宙，人们在绝对的宇宙里，不断寻找自己的相对时空。总有人问，宇宙跟普通人有什么关系？遥远的星空很美，可跟我明天能不能吃上饭又有什么关系？对此，中国科学院国家授时中心高精度时间传递与精密测定轨研究室和时间用户系统研究室的国科大师生，用成果说话，告诉人们：遥远恒星与每个人、每一天都息息相关，时间正是联系宇宙与人类的媒介。

生活中，时间观念很重的人，会说“你迟到了一秒钟”。而一旦进入了专业领域，“1秒”却相当漫长。对证券交易员来说，1毫秒的误差等于千万元的损失；对导弹来说，1微秒的误差就能决定胜负；对导航来说，1纳秒的误差就可能偏移几十厘米，平时开车没什么，但在需要精准描边的驾照考试时却是“致命的”。

如今，中国科学家已经将时间测量精度，提高到“皮秒”量级。所谓皮秒，即便是光，在皮秒的尺度上，也只能前进300微米，变化几乎微不可见。

不过，计时再准确，如果只能在实验室里运用，那对人们的日常生活也影响不大，更谈不上服务于国计民生。因此，为了能将这种精准计时能力，广泛应用在导航、国防、卫星发射、宇宙探索等领域，科学家们需要把时间层层“转运”，把在地上、天上的钟都统一“对表”；当人们能保证彼此手上的时间都准确无误，然后才能考虑，怎么让大家用上这些精确的时间。

举个例子，如果我们想知道，一个轻装上阵的人，从城市A跑到城市B需要用多长时间。由于这个人不能随身携带手表，那就要看，这个人在A城市时，A钟的时间是上午9点，跑到B城市时，B钟是上午9点30分，只有当A钟和B钟的时间都是准的，那之间计算的半个小时的间隔，才有实际意义。知道了准确的时间后，人们才能用这半个小时，去计算这个人的跑步速度，进而在今后的锻炼中，不断根据时间去判断，这个人是不是越跑越快了。

而这些工作，就分别涉及中国科学院国家授时中心的两个研究室：一个是高精度时间传递与精密测定轨研究室，负责把从其他研究室里产生的精确时间，传递给天上、地上的不同设备上；另一个是时间用户系统研究室，负责通过各类终端设备，接收并应用这些精确时间。

这是个无需“坐十年冷板凳”的工作，每一次进步都会直接反映在现实中，一点点地改变着人们现在或未来的生活。正是因为如此，这里的科研工作者们更务实、更接地气，从仰望星空到脚踏实地，天上天下到处遍布他们的“痕迹”。

“普普通通”工作20年

在中国科学院国家授时中心临潼园区的西北角，坐落着一座白色的中空“大碗”，经过20多年的风吹雨淋，这“白碗”也变得灰扑扑的。不过，这个看着老旧的“大碗”，却还“老当益壮”，作为现役“天线”，不时跟踪着卫星信号。

20年前，这里并不是大家心中的好去处。国科大天文与空间科学学院博士生导师、中国科学院国家授时中心高精度时间传递与精密测定轨研究室副主任李伟超介绍，曾经，这里由于偏僻又“神秘”，很少有学生知道这个地方，更别说主动选择来这里深造。对此，他吐槽道：“我还是个西安人，连我都不知道。”

这种“神秘”有历史原因，曾经的中国科学院国家授时中心（当时还叫“陕西天文台”）有太多保密项目，因此不为外人所知；同时，由于地处西部，让很多向往东部大城市的学生，很少关注到这一地处中原腹地的研究所。

李伟超作为本地人最终“误打误撞”地来到这里。2005年，他在硕士毕业后，一边在中国科学院国家授时中心工作，一边攻读博士学位。此时，“中国科学院国家授时中心”离从“陕西天文台”更名才过了4年。

李伟超

这段时间也是我国卫星导航系统发展的关键时期。此时，美国的GPS已然领先，欧洲的“伽利略”略胜一筹。相比之下，中国的原子钟还不能上天，天上也没几颗卫星。

在缺钱、缺技术的背景下，中国科学家提出了CAPS导航模式，即把原子钟放在地面站，导航信号在地面生成，通过通信卫星转发导航信号，实现导航定位。这种做法，虽然导航精确度会低些，但能立刻上手做，还能省钱。

由于时间是目前人类能测量得最为精确的基本物理单位，因此，人们会以时间为中介，测量其他想精确测量的东西。也就是说，卫星导航所需要的精确定位，离不开中国科学院国家授时中心的精准计时。这让中国科学院国家授时中心在授时之外，也承担起卫星导航系统研制建设的重任。

对中国科学院国家授时中心来说，这意味着研究方向较大的调整。不仅工作内容变了，学生的专业名称也从曾经的“天体力学和天体测量”改为“通信”“电子”等。这也影响了刚加入中国科学院国家授时中心的李伟超——他直接参与到CAPS导航系统的建设工作中。

西北角的“老天线”也应运而生，负责在不同时间段，观测不同的卫星。此时的李伟超也时常坐在“老天线”附近的控制台，在不同时间段，通过天线观测CAPS导航系统的卫星，采集并分析接收到的卫星信号。

李伟超与“老天线”

与此同时，北斗导航系统也在同步建设。随着技术发展，最终“北斗”于2008年正式立项，成为我国卫星导航系统的“主力军”，而“CAPS”也从曾经的“预备队员”转为“北斗”的“陪练员”，辅助测试并随时“替补”。

因此，李伟超作为CAPS导航系统的研究人员，在博士毕业后，很快成为“北斗”卫星测试任务的一个项目负责人，此后，他也不时收到来自北斗导航系统的“求救信”。他回忆，有一次“北斗”的科研人员发现，北斗卫星传回来的信号出现系统误差，但大家都不知道问题出在哪里。

当时科研人员们都很紧张。毕竟，一旦问题出在卫星上，工程师们也无法飞上天去维修，而替换一颗卫星又是上亿元的代价。为了找出“病因”，中国科学院国家授时中心测定轨团队用CAPS系统卫星发信号，又用同样的地面站接收信号，发现有同款信号问题，这才得知问题出在地面站上。

在中国科学院国家授时中心的20年，在李伟超看来，自己本人并没有太多值得分享的经历。他总是嘴上说着“我”，转头却说起了别人的故事。

他清晰地记得，十几年前，中国科学院国家授时中心的两名老科研人“N过家门而不入”，明明住所就在100米内，还总在机房凑合睡；还有他在参与北斗测试实验时，目睹航天单位的工程师们，连续通宵工作，凌晨一点下班还自觉“走早了”……这些10多年前关于别人的回忆，却成为他“印象深刻的事情”。

同行的工作热情感动了年轻的他，也影响着时至中年的李伟超。即便不敢再像年轻时猛熬夜，他也习惯于时时刻刻工作，成为“没有周末的人”。毕竟，工作日人杂事多，反而是别人休息时，才是他沉浸科研的好时候。

除了实验室的数据，他的一天还实时处理些琐碎事。比如，天线坏了找谁修？设备要找哪个厂家生产？地面站的技术问题要“飞”过去解决……即便是看着陪他风雨20年的“老天线”，他也很淡然：“（老天线）没有给我留下特别深刻的东西，对我来说，它就是一项工作。”

如果“老天线”会说话，也许它也和李伟超一样，觉得“我就是普通地在工作”。可是，普普通通地把事情做好，又何尝不是一种“深刻”的姿态？

与“北斗”共度科研生涯

从天线接收下来的信号，终究还是要回到人们手上的设备里，才能让普通人用上最前沿的科研成果。

国科大天文与空间科学学院博士生导师，同时也作为时间用户系统研究室副主任的武建锋，平日里，也多跟设备和产品打交道。在他看来，“我们做的是最常规的事情”。

武建锋

不过，任何“如今只道是寻常”的事情，往往离不开曾经的突破。如今，人们已经习惯了北斗导航的便捷，却不知，从卫星发射，到人手一台导航设备，离不开无数科研工作者的一次次试验。武建锋清晰地记得，9年前，北斗第一颗试验卫星进入测试阶段，需要与西安地面站实现互联互通，“星地联通的那一刻，激动人心，至今难以忘怀”。

现在，他要做新的突破了，“导航通信系统一体化”正是他现在的研究方向，如果用最简单的话来说，就是“北斗＋5G”，即在现有北斗导航的基础上，加入5G信号，让人们在室内外都能实现精准导航。

是的，北斗导航虽然好用，但毕竟距离人们太远，一进到室内，就容易信号不好。不少人也有在大商场里迷路的经历，明明打开了手机导航，但提供的位置却一会儿一跳，让人不仅疑惑：“我从哪里来？”“要往哪里走？”

而导航通信一体化，就是用在室内依旧好使的5G信号，提供位置信息。

说起来简单，但过程却很复杂，首先，5G信号本来是给通信准备的，怎么利用通信信号完成测距，实现导航功能，还需要5G基站不断演进；同时，为了让大家使用感更流畅，从室外的卫星导航，进入到室内的5G导航，也需要进行功能切换的“无缝衔接”。而这些，正是武建锋攻破的技术难点。

武建锋介绍，目前课题组已经实现了用5G信号进行室内导航，定位精度优于1米。也就是说，未来人们哪怕置身复杂的大型商圈，也可以精准找到每个商铺的位置，再也不用担心在商场里迷路了。

5G室内导航的“实战能力”，也得到了专家们的认可。

武建锋回忆，在项目验收时，专家拉着一个小推车就进了地下室，还故意“刁难”，绕着柱子走斜线，让墙体干扰位置信号传递，但即便如此，5G导航仍能实时、准确反映小推车的行走路线。

目前，为了更好地发挥5G的导航作用，5G基站也在不断演进发展。武建锋指出，现在“北斗＋5G”的导航模式，在技术上已经能够实现，下一步需要运营商的大力推广和市场牵引，在自动驾驶、行人室内导航、地下大空间等场景前景广阔。

回过头看，武建锋的科研生涯，正切合了我国导航事业发展的历程，与“北斗”导航同行共进。

2003年，我国卫星导航事业刚起步，他身为一名硕士生，跟着学习、模仿国外的GPS系统；2015年，他作为现场负责人，亲眼见证了北斗试验卫星与地面互联互通的瞬间；此后数年，北斗导航迅速发展，他陆续组织推进了高精度定位试验、Ka频段星间链路试验、PVT（定位、测速和定时）测试等；2021年，意识到北斗导航在室内和城市峡谷存在一定的局限性，他带领时间用户系统研究室的团队开始研究“北斗＋5G”的定位模式，进行导航通信一体化的“先行先试”。

武建锋

北斗不断进步，他也从未停下脚步。

在2024年3月底的一天，他一如往常地指导学生、浏览文献，在看到欧洲伽利略导航系统的开放服务导航消息认证（OS-NMA）时，他忍不住想，也许可以试着给北斗导航信号加个“安全验证”机制，用以提高定位、授时的安全性。

天天关注、时时琢磨，让北斗导航更好用、更亲民，这就是武建锋作为一名科研工作者的日常。

星星在哪里？

在高精度时间传递与精密测定轨研究室里，有人用导航帮助人们脚踏实地，也有一群人用同样的技术仰望星空。

李伟超介绍，其团队的研究内容，除了“高精度时间传递”，即在地面站之间，对齐彼此的时间，还有“精密测定轨”，即通过地面站，接收来自卫星的信号，并以时间为中介，计算出卫星位置，进而服务于人们的导航。

能给星星精准定位，也意味着能给星星做导航。

李伟超回忆，有一次我国在赤道轨道上的一颗卫星突发故障，需要赶紧让新的卫星“补位”，以防被其他国家的卫星“占坑”。为此，我国科学家决定，让已经在附近轨道上的另一颗卫星，绕过其他卫星，“飞”到这个“空位”上。

卫星在宇宙中“绕路”可不容易。绕得远了，卫星燃料有限，影响使用寿命；绕得近了，又怕撞到其他卫星，发生“交通事故”。

因此，精密计算卫星的位置，让“补位”卫星和其他卫星能刚好“擦星而过”，就需要中国科学院国家授时中心的精准测定轨技术。

于是，在36000米左右的高空上，李伟超和同事们成功做到了精密“遥控”卫星。

同样的技术，也能应用在更遥远的宇宙中，对天体进行定位、探索，因此，尽管研究所早在20年前便改名为“中国科学院国家授时中心”，但“天文台”的老本行也还能做，通过时间信息，科学家们从中解出恒星位置、黑洞大小等宇宙秘密。

15年前，国科大天文与空间科学学院博士生导师、中国科学院国家授时中心研究员吴元伟还在中国科学院紫金山天文台攻读博士学位。当时的他，就通过射电望远镜，即用无线电波的方式“看”太阳系乃至银河之外的天体。

如今，在中国科学院国家授时中心的他，不仅能“看”宇宙深处的星星，还能从中算出属于地球的“世界时”，并相应做出了国产世界时产品，服务于我国的卫星导航、深空探测、天体测量等方向。

吴元伟

地球的时间来自宇宙深空，其原理也很简单。大家高中时就学过，运动是绝对的，而静止是相对的。因此，在所有天体，包括地球自身都在不断运动的情况下，只有找到一个相对稳定的“参考系”，才能得知地球自转一周究竟用了多长时间。相比之下，越是遥远的恒星，越有参考价值。科学家要做的，就是不断观测遥远的星星，精确测量地球自转角度，并换算成时间。

说是“看”星星，其实本质上是“算”星星。

早在上世纪80年代，国际上就已经逐渐放弃了“光学望远镜”，而是用射电望远镜，观测天体时也并非直接“看”见，而是在接收信号后“分析”出来的。还记得曾经轰动一时的“黑洞照片”吗？与其说是“拍”到的，不如说，这是科学家们通过天线接收到黑洞辐射信号后，从一堆“010101”中分析出来的“黑洞想象照”。

不过，40年来，我国由于在时间精度上的技术条件不足，无法自行观测，常年用国外的观测数据。这就导致，一旦国际形势有变，研究人员们就会因不明原因，被延迟乃至禁止使用其服务器，难以把握准确时间。

为此，吴元伟和团队成员们，必须从零开始建立起我国自己的“算”星星的数据系统。

吴元伟记得，在早期做项目时，由于没钱、没人，为了省下一年几十万元的海量数据传输的网络资费，从研究生到教授，都要“人肉带数据”，跑到分布在全国西南北三个角落处的地面站，爬十几米的梯子到天线的控制台获取数据，还得人手提两箱磁盘，把数据搬运回中国科学院国家授时中心的机房。

好在，随着数据系统的建立，如今的研究人员们不必再像吴元伟当年那样“人肉”搬运天体数据。同时，观测的精度也从过去的毫秒级提升至10微秒，用吴元伟的话说，就是“比以往提高了100倍”。

远的能看，近的更能看。国科大天文与空间科学学院研究生导师、中国科学院国家授时中心研究员王侃所观测的“低轨卫星”，就是离人们比较近的卫星。

王侃

王侃的求学之路遍布中国、德国、瑞士、澳大利亚。不同于国内相对严格的“社会时钟”，17年海外学习工作的经历，让她对科研有种天然的松弛感。她觉得，科研要做出好东西“快乐是很大的动力”。

长期待在海外，让她对国际研究方向的转变更敏感，因此，在回国之前，她便投身“低轨卫星”这一研究领域中。

毕竟，从卫星传来的时间信号，从宇宙“走”到地面要经历“九九八十一难”。因此，她的工作，就是考虑到各种会导致信号产生误差的因素，然后把这些因素都纳入到算法中，之后再计算卫星在空间的位置，以及人在地面的位置时，就能更精准。

比起北斗导航系统，低轨卫星组成的导航系统，由于距离地面更近，信号会更强，使用起来也更灵敏。随着我国经济实力、技术能力不断上升，如今，我国发射了越来越多的低轨卫星，而这一切，都是为了未来人们能用上更快、更准的导航系统。

此外，国科大天文与空间科学学院博士生导师、中国科学院国家授时中心研究员孙保琪为北斗卫星做了精密产品科学数据库，国科大天文与空间科学学院研究生导师、中国科学院国家授时中心研究员钦伟瑾不断改进算法，让北斗卫星导航在传递时间信号时，能更准、更快，比如将终端的“开机”时间，从原本的半个小时加速到5分钟等。

孙保琪

钦伟瑾指着水杯上的“时间”物理量图案

可以说，在高精度时间传递与精密测定轨研究室里，每个人都在“看”不同的“星星”。以“时间”为媒，在天空和地面之间、在恒星与人类之间，建立起实实在在的关联，真正做到了“无穷的远方，无尽的人们，都与我有关”。

“工位”大小2cm²

《中庸》里有句话，叫“致广大而尽精微”，本意是在说，一个人的修养应既达到宽广博大的境界，又能深入到细微之处。此后，人们也常用这句话提醒自己，做事既要开阔视野，从大处着眼，又要脚踏实地，从小处着手。

其实，科学研究也是如此，既要看得远，也要看得近。高精度时间传递与精密测定轨研究室把目光投向星空，而时间用户系统研究室所服务的“时间用户”，则贴近现实生活，从手表、手机、电脑到航天、军用设备，无所不包。武建锋介绍，他时不时就能收到来自不同企业、高校、研究所的外部“订单”，要求给其他部门安装时间信号的“接收机”。

这是最贴近国计民生的工作之一。

从不怕断网、经得起摔打，只要有卫星就能精准计时的“北斗手表”，到实时定位、精准控制的“农业喷洒无人机”，都是他们的工作。

国科大天文与空间科学学院博士生导师、中国科学院国家授时中心研究员吴华兵的工作对象更小，即在巴掌大的电路板上的一块2cm²的白色芯片。他的日常就是每天打代码，把定位相关的核心算法，放进处理器的芯片里，然后不断调试芯片，判断其性能是否达到预期。而这小小的一块芯片，能借卫星定位万里之外。

吴华兵

从初中开始，吴华兵就对卫星导航感兴趣。当时，身在90年代农村的他，通过电视，第一次得知美国GPS导航系统的存在，而遥远的卫星能在地面上定位，在他看来“非常神奇”。

因此，他的目的性很强，在考大学、选专业时都“奔着导航去的”。

30年过去，因向往GPS而“入行”的吴华兵，不断完善“北斗”功能，跟GPS打起了“擂台”。2018年，吴华兵通过“北斗＋5G”融合算法的改进，在既有的5G信号协议下，可以实现室内、室外、室内外无缝切换的精确定位和定时。不过，现实中很多东西都会影响信号，进而导致定位不够准确。即便如此，他也能保证导航误差在米级范围。

吴华兵指着终端设备所用的电路板上的芯片

吴华兵热爱跑步。在他的办公室里，有个跑步机赫然占据门边一角。他几乎每天都要跑步，还曾多次参加马拉松比赛。在他飒飒奔跑的10多年里，我国的北斗导航也从“跟跑”逐渐变为“并排跑”，乃至略显“超跑”的状态。

随着我国北斗卫星越来越多、5G应用范围越来越广，两个国之重器的结合，让中国人成为这一研究方向的绝对主力军。吴华兵介绍，如今每100篇“北斗+5G”相关的文章，有90篇左右都是中国科研工作者贡献的。

有意思的是，中国科学院国家授时中心位于骊山脚下，而骊山在历史上可谓“大名鼎鼎”。从先秦时代周幽王“烽火戏诸侯”时的烽火台，到盛唐时期的华清池......如今，国科大师生也在中国科学院国家授时中心，不断突破人类控制时空的极限。随着现代科技竞争以及生产、生活，对精准定时、定位的需求越来越高，一段新的历史也将从这里开始。

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观微之光，可明远方

出品/国科大记者团

文字/土豆

图片/甘涵臣 曹雅莹

制图/国晓薇

美编/徐慧中 何邦彦

责编/李文毅 王千予

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