2.3　时间系统

2.3.1　时间的基本概念

空间和时间是物质存在的基本形式，空间表示物质运动的广泛性，时间表示物质运动的连续性。描述卫星的运动时，除了要建立空间坐标系，还要引入时间的概念。时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是人们利用卫星进行导航和定位的重要基准。在卫星导航定位中，给出卫星位置的同时必须给出相应的观测时刻，而且为了保证观测量的精度，对观测时刻还要有一定的精度要求。

时间实际上包含“时刻”和“时段”两个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间，是时间坐标系统中的一个绝对时间值，在卫星导航定位中，与所获数据对应的时刻也称为历元。时段是指某一现象持续的时间，是现象结束时刻相对于现象开始时刻的时间相对值。

测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。其中时间的尺度是关键，而原点可根据实际应用加以选定。一般来说，符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准。

（1）运动是连续的、周期性的。

（2）运动的周期应具有充分的稳定性。

（3）运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。

实际中，选用不同的周期运动现象，便产生了不同的时间系统。利用导航卫星进行精密定位与导航，有必要了解时间系统的基本概念，下面简要介绍几种常用的时间系统。

2.3.2　世界时系统

地球的自转运动是连续且比较均匀的，因此，最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统。根据观察地球自转运动时所选取的空间参考点的不同，世界时系统可分为恒星时、平太阳时和世界时。

1. 恒星时

恒星时是以地球自转为基础，并与地球自转角度相对应的时间系统，在天文学中有着广泛的应用。

以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，均分为24个恒星小时。所以，恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。因为恒星时是以春分点相对于本地子午圈时为原点计算的，同一瞬间不同观测站的恒星时各异，所以恒星时具有地方性，有时也称为地方恒星时。

2. 平太阳时

由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开普勒定律可知，太阳的视运动速度是不均匀的，如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，则不符合建立时间系统的基本要求。假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的参考点在天文学中称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个平太阳日，一个平太阳日可以等分为24个平太阳时（Mean Solar Time，MT）。与恒星时类似，平太阳时也具有地方性，故常称为地方平太阳时或地方平时。

3. 世界时

以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时（Universal Time，UT）。世界时与平太阳时的时间尺度相同，但起算点不同。在平太阳时和世界时系统中，秒定义为一个平太阳日的1/86 400，是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。

实际上，地球自转的不稳定性不满足建立上述时间系统的基本条件，因此人们在世界时中引入了极移改正和地球自转速度的季节性改正。各天文台通过观测恒星得到的世界时初始值记为UT0，在UT0中引起由极移造成的经度变化改正Δλ，就得到全球统一的世界时UT1（UT1=UT0+Δλ）。显然在UT1中仍含有地球自转速度变化的影响。在UT1中加入地球自转速度季节性变化改正ΔTs，可以得到一年内平滑的世界时UT2（UT2=UT1+ΔTs=UT0+Δλ+ΔTs）。Δλ和ΔTs的数值由国际时间局（BIH）计算并通报各国。UT2虽经地球自转季节性改正，但仍含有地球自转速度长期变化和不规则变化的影响，所以UT2仍不是一个严格均匀的时间系统。

2.3.3　原子时系统

随着科学技术的发展对时间系统准确度和稳定度要求的不断提高，人们发现世界时系统并不是一个严格均匀的时间系统，有时难以满足人们对时间准确度和稳定度的要求。而物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率具有很高的稳定性和复现性，所以，人们在20世纪50年代建立了以物质内部原子运动特征为基础的原子时系统，原子时系统成为当代最理想的时间系统。

1967年10月，第十三届国际度量衡大会将秒长定义为：位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9 192 631 770周所持续的时间为一原子时秒，该原子时秒作为国际制秒（SI）的时间单位。原子钟外形如图2-15所示。

原子时系统包括国际原子时、协调世界时和北斗时。

1. 国际原子时

原子时出现后，许多国家建立了自己的原子时系统，而不同地方的原子时之间必然存在差异。为了创建一个统一的原子时系统，国际上对位于50多个国家的约200座原子钟产生的原子时进行相互比对，并经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时（International Atomic Time，IAT）。

国际原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号的传播时间。然而，因为国际原子时与地球自转无关，所以它与UT1的差距逐年增大，这使得国际原子时不适于在地球上对太阳、月亮和星际等准时地进行观测。因此，我们需要一种以原子时秒长为基准的，在时刻上尽量接近世界时的折中的时间系统。

2. 协调世界时

由于世界时的不可替代性，同时为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，1972年，在国际原子时的基础上建立了协调世界时（CoordinateUniversal Time，UTC）。协调世界时简称协调时，是世界时和国际原子时之间的一种折中方案：一方面，协调时严格地以精确的国际原子时秒长为基础；另一方面，当协调时与世界时UT1的差距超过0.9s时，协调时采用跳秒（或称闰秒）的方法加插1秒，使协调时在时刻上尽量接近世界时。

协调时与国际原子时的关系为IAT=UTC+1s×n，其中，n为调整参数，其值由国际地球自转服务组织（IERS）发布。目前，几乎所有国家实行的标准时间均采用协调时。这样，对于处于不同时区的国家和地区而言，它们的当地时间与协调时之间只存在一个整数小时的差异。

3. 北斗时

北斗系统的时间基准为北斗时（BDT）。BDT采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC） 00时00分00秒，采用周和周内秒计数。BDT通过UTC（NTSC）与国际UTC建立联系，BDT与UTC的偏差保持在100ns以内（模1秒）。BDT与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报。通过表2-5所示的参数可以实现BDT与UTC之间的转换。

由BDT推算UTC的方法如下。

系统向用户广播UTC参数及新的闰秒生效的周计数WNLSF和新的闰秒生效的周内日计数DN，使用户可以获得误差不大于1μs的UTC时间。

考虑到闰秒生效时间和用户当前系统时间之间的关系，如果是当前，BDT与UTC之间存在下面3种转换关系。

当指示闰秒生效的周计数WNLSF和周内天计数DN还没到来时，而且用户当前时刻tE处在DN+2/3之前，则UTC与BDT之间的变换关系为

tUTC=（tE-△tUTC） [modulo 86400]　（2-23）

tUTC和△tUTC的单位为s。其中，

△tUTC=△tLS+A0UTC+A1UTC×tE　（2-24）

式中，tE指用户计算的BDT，取周内秒计数部分。

（1）若用户当前的系统时刻tE处在指示闰秒生效的周计数WNLSF和周内天计数DN+2/3到DN+5/4之间，则UTC与BDT之间的变换关系为

tUTC=W[modulo（86400+△tLSF-△tLS）]　（2-25）

式中，

W=（tE-△tUTC-43200）W[modulo 86400]+43200　（2-26）

（2）当指示闰秒生效的周计数WNLSF和周内天计数DN已经过去，且用户当前的系统时刻tE指处在DN+5/4之后，则UTC与BDT之间的变换关系为

tUTC=（tE-△tUTC） [modulo 86400]　（2-27）

式中各参数的定义与（1）的情况相同。

4. 北斗时与其他卫星导航系统时间之间的转换关系

在设计北斗系统的导航电文时，已经考虑了BDT与GPS、Galileo、GLONASS时间之间的转换问题。通过导航电文中的同步参数可以将DBT换算成GPS、Galileo、GLONASS时间，时间同步参数说明见表2-6。

BDT与GPS时间、Galileo时间、GLONASS时间之间的换算公式分别为

tGPS=tE-△tGPS　（2-28）

tGal=tE-△tGal　（2-29）

tGLO=tE-△tGLO　（2-30）

其中，

△tGPS=A0GPS+A1GPS×tE　（2-31）

△tGal=A0Gal+A1Gal×tE　（2-32）

△tGLO=A0GLO+A1GLO×tE　（2-33）

tE是BDS用户计算的BDT，取周内秒计数部分。