1.4.3 面临的挑战
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。
1.4.3.1 时间统一技术和设备趋于泛在化
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。
1.4.3.2 时间同步精度需求更高
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。
1.4.3.3 时间同步的安全问题
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]。