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随着科学技术的进步，时间统一技术已经发展成为信息领域重要的支撑技术之一，在国防科技、国民经济建设和社会生活中具有举足轻重的作用。如今，与日常生活紧密联系的全球导航卫星系统、航空航天、通信领域、电力以及高速交通等诸多行业能够取得辉煌的成就，无一不依赖于高精度的时间统一技术 [30-32] ，而一些重要领域的革新对时间统一提出更高要求。
（1）时间基准的统一需求
一般而言，将所有与时空相关的活动紧密联系的前提是建立统一的时空基准，如我国的CGCS2000坐标系、世界各地时间实验室维持的地方协调时UTC（ k ）等。随着万物互联时代的到来，智慧城市、智能物流、智能驾驶、无人机等应用场景越来越丰富，传统的时空基准在服务覆盖范围或精度上已逐渐不能满足应用需求。如今，天地一体化信息网络作为科技创新2030的重大工程项目，正致力于促成天基信息网、未来互联网、移动通信网的全面融合，以全面覆盖空、天、地以及地下空间中众多场景的高精度时空应用需求。因此，必须建立精准、统一的时间、空间基准，以保障天地一体化信息网络提供统一、可靠的时空服务。
（2）时间传递的需求
天地一体化信息网络需要建立和维持统一的时间基准，另一方面还需要把统一的时间频率信号通过授时手段传递至用户，即面临时间传递（授时）需求。而且，信息在现今数字化通信的传输过程中需要进行严格的时间同步，以保证信息传输的畅通、减少错码及乱码，提高信息的正确性和有效性。天地一体化信息网络涉及与人类活动息息相关的网络与通信系统、航空航天、定位导航授时及其增强服务、遥感与地理信息服务、云计算与存储、电力系统、金融系统等，各行业应用的有效运行都依赖于高精度时间同步，因此“准确而稳定的时间基准和高精度授时系统”对于现代社会的正常运转，以及新兴技术的发展有着极其重要的作用。为满足天地一体化信息网络日益高涨的时间传递需求，各国、各界的研究人员一直在为授时技术的革新以及精度的提高而努力。
（3）时间服务的多样化
用户钟与时间基准之间进行时间比对，即可实现时间同步。随着科学技术的发展，现代授时方法日益丰富，如声音传递、电话传递、电视传递、无线电传递、卫星双向传递、卫星共视、光纤传递等。目前，卫星双向传递、卫星共视和光纤传递是长距离高精度授时的主要手段。卫星双向传递是目前国际计量局（BIPM）组织的远距离时间比对精度最高的方法，其精度可达几百皮秒；GPS卫星共视技术在国际原子时的国际合作中起了主要作用；光纤传递借助光纤高带宽、抗干扰和低损耗等优点，已成为超高精度时间频率信号传递的主要手段。
近年来，我国航天器入轨数量在世界范围内名列前茅，卫星通信、卫星导航、对地观测、中继卫星通信以及空间站系统、低轨互联网卫星系统等多种不同功能种类的空间信息系统都处于快速建设和发展中 [4，24] 。“十四五”规划纲要中提出，我国将围绕强化数字转型、智能升级、融合创新支撑，布局建设信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等新型基础设施。天地一体化信息网络作为维护和拓展国家核心安全利益，实现全球互联互通的重大信息基础设施，也在向着天基信息网、未来互联网、移动通信网全面融合的方向发展。因此，打造融合通信、导航、遥感的空间信息基础设施体系，构建天地一体化信息网络是我国空间系统发展的重要战略。天地一体化信息网络的融合方式主要包括信息通信网络融合、通信与导航网络的融合，以及通信、导航和遥感网络的融合。
（1）多网融合构成空天地一体化的信息通信网络
天地一体化信息网络源于通信网。多年来，通信的定义在不断扩展，从电报、手机到网络流量，再到万物互联，通信业已成为推动我国各行各业转型升级的赋能者。2020年4月，国家发展和改革委员会在新型基础设施建设（新基建）的定义中明确指出，基于新一代信息技术演化生成的5G、物联网、工业互联网、卫星互联网等通信网络基础设施，属于信息基础设施的范畴，进一步强调了通信网络的重要性。当前，我国通信网络正向着高低轨卫星混合组网、星地融合以及规模大、应用广、成本低的方向发展，目的是构成空天地一体化的信息通信网络，覆盖陆海空天及日常生活。而且，随着我国“互联网+”战略的深入推进，通信网络也将与经济社会各领域实现跨界融合和深度应用，并催生一系列“互联网+”经济新业态，为国民经济增长注入新动能。
（2）通信与导航网络的融合，是建设综合PNT的关键
导航与通信的融合是通导遥融合的先行军。为实现泛在、高精度的综合PNT服务，关键在于将GNSS与通信系统进行深度融合 [33-34] 。2021年，北斗导航产业逐步进入发展、创新的快车道。对于北斗产业而言，导航与通信的融合创新发展一直以来都是极为重要的大课题。北斗系统在设计之初，就将短报文功能纳入系统服务，开启了导航与通信结合的先例。特别是对空间基础设施而言，近年来声势迅猛的低轨星座和地面蜂窝网络为导航与通信的创新融合提供了更广阔的发展前景与舞台。
值得一提的是，低轨星座和蜂窝网络在建立之初主要为解决通信问题，并非针对PNT应用。在将低轨星信号和蜂窝信号用于综合PNT服务时，除需要解决信号调制、导航框架等问题外，还需要解决高精度的时间同步问题。GNSS卫星配备有原子钟，能够实现网络化高度同步。但低轨卫星、蜂窝电话塔配备的时钟稳定性和同步性较差，与GNSS融合实现分米乃至厘米级精度的综合PNT应用，对天地一体化信息网络中的通导融合提出不小的挑战。
（3）遥感技术走向空天地传感网络，促使天地一体化信息网络向通导遥一体化方向发展
近年来，我国的遥感技术与事业在不断发展和壮大，遥感手段早已从单一的航空遥感发展为陆地、气象和海洋等各类对地观测卫星系统。将通信网络、卫星导航网络和遥感网络融合为一体，构建定位、导航、授时、遥感和通信（PNTRC）服务，能够实现卫星遥感、卫星导航、卫星通信与地面互联网的集成服务，支持军民用户在任何地方、任何时间的信息获取，提供高精度定位导航授时和多媒体通信等服务，并且在推动我国卫星遥感、通信、导航的集成创新方面具有非常重要的意义。
当前，世界各国已将通导遥卫星的大众服务明确为一个竞争热点，但现今的遥感卫星、GNSS卫星和通信卫星各成体系、彼此分离，存在系统孤立、信息分离以及服务滞后等问题。以美国为代表的世界强国近年来在大力开展低轨通信卫星和遥感卫星等相关项目，并开始着手建立能够实时提供地球任意位置卫星图像和视频的星座。相较而言，我国提出的PNTRC这一通导遥一体化天基信息实时服务系统更具有前瞻性和引领性，这对于我国形成互联网与天基信息大众化实时服务的新型产业方面，以及在发展智能的天地一体化信息网络方面是一个重大机遇。
天地一体化信息网络的目标是建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。时间基准作为国家安全的保障，在天地一体化信息网络中扮演至关重要的角色，如卫星运行、航空航天、高铁、电网、金融、网络通信等，都需要时间基准的支撑。
当前，人类科技的发展已经逐步进入第四次工业革命——工业4.0阶段，诸多行业正逐渐向更加智能、更加泛在、更加融合的方向发展。未来，融合海量信息的天地一体化信息网络势必在众多新兴领域加大布局。时间统一作为建设天地一体化信息网络的关键环节，在发挥至关重要作用的同时也将面临更多的挑战。
信息技术的发展，如设备计算能力增强、功耗降低、体积小型化、通信技术标准化等，使得大众对信息的获取方式从传统的固定节点逐渐延伸至无处不在的终端上。时间统一技术和设备也向着支撑物与物、人与物、虚拟世界与现实世界之间进行信息无缝交互和传递的方向发展，并促进天地一体化信息网络逐渐转变为真正意义上无处不在、可随时访问的泛在信息网络。
构建泛在信息网络，统一时间技术手段和协议，提升设备通用性，对于促进社会经济向高效、优质的方向发展具有深远意义。现今，广泛应用在各行业中的授时设备，多采用GNSS授时原理，以及车载、船载等机架式的形式，服务对象通常有空间站、各种装备，并向多功能、高精度、高集成等方向发展。国内市场上基于导航卫星的常用授时设备主要有北斗定时型用户机、北斗数显时钟等。随着信息网络的逐步发展，这些授时设备对时间同步的泛在化提出新的挑战。
（1）授时设备的小型化、集成化。传统的授时类设备体积较大，采取分体式设计，天线与主机之间通过射频线缆连接，在使用、安装过程中需要利用专门的场所、载体（如固定机柜等）和工具进行，无法满足突发现场或快速机动环境下的授时需求。
（2）授时设备接口和协议的统一。与外部设备互联互通方式上，现有设备须采用串口通信形式，因此要求对端设备必须具备串口。这种设计降低了授时设备与其他设备进行对接交互的便利性，进而导致使用条件存在一定的局限性，不能满足在快速机动等环境中设备与卫星时间同步工作的需求。
（3）授时设备的能耗优化。现有设备的功耗较大，用户机功耗为几十瓦，需要大功率蓄电池或直流电供电，不适合为户外用户提供野外授时服务。
时间是科学研究、实验和工程技术等诸多应用的基本物理量，为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。精密时间不仅在基础研究领域有重要的作用，如地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫星动力学测地等；而且在应用研究、国防和国民经济建设中也有普遍的应用，如航空航天、深空通信、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等。
随着现代社会的高速发展，特别是现代数字通信网的发展、信息高速公路建设、大型科技项目合作、人工智能领域发展的壮大，各种政治、文化、科技和社会信息的协调等这类建立在严格时间同步基础上的现代化应用，尤其对时间同步的精度提出更高要求，具有代表性的应用场景如下。
（1）现代无线通信的关键技术 [35] 。4G时代无线网主要采用基站安装卫星接收机的方式通过GNSS获取同步信号，地面同步网主要用于满足传送网、核心网、数据网等网络的同步需求。相对于4G时代，5G乃至6G网络对同步网在空天地一体、复杂同步场景、同步网的稳定性和可靠性方面均有更高的要求。
（2）“平方公里射电望远镜阵列（SKA）”国际大型合作项目 [36] 。实施SKA有助于人类了解宇宙和人类起源的奥秘，并有望推动一些直接影响人们日常生活的新技术的诞生。超高精度时间同步是其中一项十分关键的新技术，为保证组成阵列的数千面天线之间的相位相干，短期时间同步精度需要达到1ps量级，同时长期稳定度要达到10年内时间误差不超过10ns。
（3）汽车行业的热点方向——自动驾驶。汽车实现自动驾驶需要内部多种传感器之间进行准确、稳定的协作运行，他们的协作程度会对车辆的运行状态产生影响。这些传感器之间的准确协同运行，必须依靠准确的网络信号源同步发布指令，而时间同步作为标准网络信号源的一项核心技术，势必需要在高精度、高可靠性上满足相关要求。
精确、统一的时间几乎对当前人类活动所及的所有行业而言至关重要，例如，导航、取证、区块链，以及火车、飞机和汽车的准点运输等。恶意篡改时间会对社会的许多领域，如金融交易、工业设备运行、物联网生态系统等，造成不良影响。“黑帽欧洲2021”会议中提到，时间同步功能的后台系统非常脆弱，很容易被黑客攻击，并造成巨大的破坏 [37] 。早在2017年英国曾发表过有关时间同步错误可能造成的危害的报告，当时估计每天的损失是10亿英镑。
在信息网络益加普及的当今世界，随着无线网络和传感网络的高速发展，海量多类数据的交换越发频繁，各种安全漏洞逐渐暴露，数字世界的安全问题不得不引起重视。时间同步过程作为其中的重要支撑环节，存在的各种安全隐患和不足更需着重对待，举例如下。
（1）GNSS授时需解决干扰问题。基于GNSS系统的星载原子钟虽然可以轻松实现亚微秒乃至亚纳秒级的授时精度，但事实证明，这类授时手段的实现要求较为苛刻。如：单向授时、PPP授时需要接收至少4颗卫星的信号才能通过三角测量完成接收机的定位和授时；GNSS信号需避免障碍遮挡，所以当卫星信号不可访问（如室内）或被干扰（如在太阳耀斑期间）时，基于GNSS的授时技术可能无法使用 [38] ；此外，人为干扰GNSS信号仅需一些廉价的干扰器就能轻松实现，甚至还可以通过替换自身的时间和位置数据来伪造GPS信号。
（2）NTP易受攻击，保障授时安全需加密算法。入侵者可以窃听和存储NTP的数据包，如果其生成欺骗数据包的速度快于服务器，将直接导致客户端处理这些欺骗数据包后，引发系统的崩溃或者操作的失败等。为解决利用NTP的传统网络和无线传感网络的时钟同步面临的安全威胁，需要引入加密算法，对服务器的身份进行认证，从而使得数字传输更加安全 [39-40] 。
（3）PTP需重视时延攻击。IEEE 1588精确时间协议（PTP）通过交换带时间戳的消息定期计算主时钟和从时钟之间的相对偏移量，其准确度从几十到几百纳秒不等 [41] 。然而，PTP授时信号同样面临安全问题：报文攻击和时延攻击。对于报文攻击问题，可采用报文加密或身份验证的方式进行防控。对于时延攻击，使用一般的加密或身份验证等手段无法预防，必须研究和发掘新的安全技术或解决方案，如引入量子密钥分发技术，并利用单光子脉冲测量时间等 [42] 。