全球定位系统（GPS）网络 或许堪称地球上最重要的基础设施。它实际上是一组位于太空中的时钟，全天候24小时免费提供时间信息，供地球上任何愿意接收的人使用。
这些授时信号有各种重要用途，但大多数人使用它们的目的，是借助全球定位导航工具从A点前往B点。不过，实际上其精度只能精确到距离B点约10米以内。以人和汽车的尺度来看，这是相当可观的误差范围，错过一个左转弯的人都能证明这一点。
自动驾驶汽车等新兴技术很可能依赖本地传感与全球定位信号相结合的方式，实现无事故的独立导航。因此，全球定位系统精度的任何提升，都将极大有利于加快自动驾驶汽车时代的到来与推广。
全球定位接收器会接收并比较来自全球定位卫星的不同授时信号，然后利用这些信息精确计算出您在地球上的具体位置。
多种因素都会影响全球定位导航的精度。目前，对大多数民用用户而言，主要的干扰因素是地球电离层，它会在授时信号从卫星传送到您所选用的全球定位接收器的过程中对其造成干扰。
但造成误差的第二大因素，来自全球定位卫星所搭载时钟的稳定性。
时间至关重要
每一颗全球定位卫星上都搭载着一组原子钟（通常为四台），这些原子钟的计时依据分别是铯（Cs）或铷（Rb）原子。
这些原子钟实际测量的，是原子两个特定状态之间的能量差。当原子从高能态跃迁至低能态时，该能量差会以光的形式释放出来。这种光的频率，即其振荡速率，正是我们计数并借以定义时间的依据。关键在于，从根本上说，这一能量差始终保持不变。
所有时钟——无论是腕表、座钟、原子钟还是其他类型——都存在一定程度的固有误差，会导致它们损失秒数或逐渐偏离准确时间。如果任其自然运行，全球定位卫星上的原子钟每天会漂移、偏离或滞后约10纳秒。
这一数字听起来或许不大，但若乘以光速，便会得出约3米的全球定位位置误差。
所幸，全球定位系统网络受到严密监测，并会实施校正以使时钟保持同步，因此时钟所造成的位置误差仅为约1至2米。
目前有大量工作正在推进，以提升全球定位导航的精度，其中包括可有效消除电离层影响的多种广播方式。
但归根结底，时钟性能是全球定位系统的根本。时钟技术始终在不断进步，随之而来的是大量新的发现与应用机遇。
提升精度
在西澳大利亚大学，我们的 研究小组 正在研制一台基于镱（Yb）原子的光晶格钟。
除镱原子外，我们还配备了超稳激光器和光频梳：这些都是制造极高精度光学原子钟所必需的组件。
这类时钟目前是可制造的最佳时钟之一，其他地方的类似设计已实现比全球定位卫星上的时钟精确10万倍的精度。
据称，这类时钟的精度可达10-18秒的量级。若两台此类时钟在138亿年前宇宙诞生时同时开始运行，那么直至今日，它们之间的差异仍将控制在1秒以内。
建成后，该光晶格钟将是南半球唯一的此类时钟。该时钟连同我们其他尖端的时间与频率技术，将在西澳大利亚大学构成一个地面站，用于参与太空时钟比对实验。
事实上，我们需要这台出色的澳大利亚时钟，在欧洲航天局即将开展的一项实验中发挥关键作用。
太空任务
太空原子钟组（ACES）任务将把一种不同类型的 冷原子钟 搭载于国际空间站（ISS）上，其稳定性约比普通的全球定位卫星原子钟高出1000倍。
ACES任务的发射计划定于2017年进行。成功将这一装置送入太空，并使其在国际空间站上无事故地运行，本身就将是一项相当重大的成就。这也是通向未来建立太空时钟网络的重要一步。
在未来数年间，ACES时钟所产生的授时信号，将与全球各地的不同类型时钟进行比对，其中包括西澳大利亚大学正在研制的镱原子钟。
这将使我们能够开展一些重要的基础物理检验，例如检验引力红移，以及探寻自然基本常数中的细微变化。
除太空任务之外，利用极其稳定和精确的光晶格钟，仍可开展大量其他工作。例如，由于这类时钟的振荡速率在很大程度上取决于当地引力场的强度，因此仅相隔30厘米高度的两台时钟，运行速率便已明显不同。
这最终可能催生由此类时钟组成的网络，用于精确测绘地球引力场，而这对矿产勘探可能大有助益。
尽管科学进展有时似乎略显缓慢，但先进时钟被纳入升级版全球定位卫星、并协助您（大概是自动驾驶的）汽车精准抵达四面八方，只是时间问题。
本文与 The Conversation合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Stephen Parker，现任 西澳大利亚大学研究员。
图片：一台TomTom导航设备出现在这张摄于2012年2月28日阿姆斯特丹的照片插图中。REUTERS/Robin van Lonkhuysen/United Photos.
