〖测天绘地〗五大对GPS定位极为重要的时间系统

上期回顾：坐标系统的那些转换方式，以及国际地球参考框架ITRF的简介。

这期介绍在GPS卫星定位中极为重要的“时间系统”。

本期预览：一、恒星时；二、平太阳时；三、世界时；四、原子时；五、协调世界时；六、上述五大时间系统间的关系；七、GPS时间系统。

在此之前，先明确一些概念。

首先，被作为观测目标的GPS卫星，以每秒几公里的速度在运动，而对观测站而言，卫星的位置（方向、距离、高度）和速度都在不断、迅速地变化。

那么，在卫星定位测量中，跟踪站对卫星进行定轨工作，给出卫星当前位置的同时，也必须给出对应的瞬间时刻。在GPS接收机接收并处理GPS信号的同时，也需要测定接收机至卫星之间的信号传播时间，再乘以光速，换算成距离，进而确定观测站的位置。

因此，要准确地测定观测站到卫星的距离，就必须提供任意观测量对应的时刻，以及精确的测定信号的传播时间。（当要求GPS卫星位置的误差小于1cm时，相应的时刻误差应小于2.6μs，信号传播时间的测定误差应小于0.03ns。）

和坐标系统一样，“时间系统”也有尺度（时间单位）和原点（历元）。只有把尺度与原点结合起来，才能得出“时刻”的概念。

理论上，任何一个周期的运动，只要它的运动是连续的，那么它的周期就是恒定的，并且是可观测和用实验复现的，均可以作为时间单位（又称作时间尺度）。

而实际上，我们所能得到的时间单位能在一定的精度上满足这个理论要求。随着观测技术的发展和更稳定的周期运动的发现而不断趋近于这一理论要求。在实践中，由于所选用的周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。

在介绍GPS时间系统之前，先介绍五个最基本的时间系统，GPS时间系统就是由它们演变而来的。

一、恒星时ST（Sidereal Time）

它是一个以春分点位参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统，称为“恒星时系统”。

它的时间尺度为：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，一恒星日分为24个恒星时。

恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点，所以恒星时在数值上是等于春分点相对于本子子午圈的时角。

恒星时具有地方性，同一瞬间对不同观测站的恒星时是不同的，所以恒星时也被称为“地方恒星时”。

恒星时是以地球自转为基础的。由于岁差、章动的影响，地球自转轴在空间的指向是变化的，春分点在天球上的位置也不固定。对于同一历元所对应的真天极和平天极，有真春分点和平春分点之分。因此，相应的恒星时也有“真恒星时LS”和“平恒星时MS”之分。

恒星时在天文学中有着广泛的应用。

二、平太阳时MT（Mean Solar Time）

由于地球围绕太阳的公转轨道是一个椭圆，那么太阳的视运动速度就不均匀了。

假设一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上做周年视运动，它的周期与真太阳一样，那么以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统称为“平太阳时系统”。

它的时间尺度为：平太阳连续两次经过本子子午圈的时间间隔为一平太阳日，一平太阳日分为24平太阳时。

平太阳时以平太阳通过本地子午圈时刻为起算原点，所以平太阳时在数值上等于平太阳相对于本子子午圈的时角。

同样，平太阳时也具有地方性，所以也被称作“地方平太阳时”或“地方平时”。

三、世界时UT（Universal Time）

世界时UT：是以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。世界时与太阳时的时间尺度是相同的，但起算原点不同。

在1956年以前，秒被定义为一个平太阳日的1/86400。这是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。

由于地球自转的不稳定性，在“世界时”中加入极移改正，得到了UT1。由于高精度石英钟的普遍使用，以及观测精度的提高，人们发现地球的自转周期存在着季节变化、长期变化及其他不规则变化。那么，在UT1加上地球自转速度季节性变化后，变为UT2。

1956年，国际上采用了新的秒长定义，也就是说，历书时秒等于回归年长度的1/31556925.9747。

就时间尺度而言，“世界时”已被“历书时ET”代替了，之后在1976年的时候，又被“原子时”所取代。

但是UT1在卫星测量中仍被广泛应用，只是不再将它作为时间尺度了；而是因为它数值上表征了地球自转相对恒星的角位置，所以被用来辅助天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算。

四、原子时IAT（International Atomic Time）

随着对时间准确度和稳定度的要求不断提高，以地球自转为基础的“世界时系统”难以满足需求了。

20世纪50年代，便开始建立了以物质内部原子运动的特征为基础的“原子时系统”。

“原子时”的秒长被定义为铯原子C???基态的、两个超精细能级间、在零磁场下、跃迁辐射9192631170周、所持续的时间。（这个秒长的概念实在是太拗口了，只能用顿号来断句了）

原子时的起点是按照国际协定，取为1958年1月1日0时0秒，即UT2，但是事后发现，在这一0时0秒的瞬间，IAT与UT2相差了0.0039秒（真是坑~）。

就目前的观测水平来说，这一时间尺度可以看作是均匀的了，因为它所依据的周期运动具有稳定的周期。而这一时间尺度也被广泛地应用为时间单位，特别是卫星动力学。

五、协调世界时UTC（Coodinated Universal Time）

目前，许多应用部门仍然要求时间系统接近于“世界时UT”。那么，“协调世界时UTC”，就是一种折中的方式。

“协调世界时UTC”，采用原子时的秒长，但由于原子时比世界时每年都快了约1s，两者之差又会逐年累积，便采用跳秒（闰秒）的办法来使“协调世界时”与“世界时”的时刻无限接近，两者之差小于1s。

因此，“协调世界时”即保持了时间尺度的均匀性，又能够近似地反映地球自转的变化。

按国际无线电咨询委员会（CCIR）通过的关于UTC的修正案，从1972年1月1日起，UTC与UT1之间的差值最大可以达到±0.9s，超过或接近时，通过跳秒的办法来补偿这一差值，跳秒则一般安排在每年12月末或6月末进行。具体日期由国际时间局安排并通告。

为了让使用UT1的用户能够得到精度较高的UT1时刻，时间服务部门在发播UTC时号的同时，还给出了与UTC差值的信息。这样就可以由UTC解算出UT1。

六、额外的内容：上述五大时间系统之间的关系

（1）真恒星时LS与平恒星时MS的关系

（2）平太阳时MT与世界时UT的关系

根据定义，这两个时间系统之间的关系为：

（3）恒星时ST与平太阳时MT的时间段之间的关系

（4）原子时IAT与世界时UT2的关系

（5）原子时IAT与协调世界时UTC、与GPS时的关系

（6）力学时TDT与原子时IAT的关系

七、GPS时间系统

大家都知道，GPS是一个测时测距的系统，时间在GPS测量中，是一个最基本的观测量。

卫星的信号、卫星的运动、卫星的坐标，都与时间密切相关。整个GPS系统要求时间既要稳定又要连续。为此，GPS系统中的卫星钟和接收机钟均采用了稳定度高、连续性好的GPS时间系统。

GPS时间系统，采用了原子时IAT的秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC0时，简称“GPS时”。在GPS时间系统启用之后，不跳秒，以保持时间的连续性。

之后，随着时间的积累，“GPS时”与UTC时的整秒差以及秒以下的差值，通过时间服务部门来定期公布，到了1995年的时候，两者之间的差值达到了10s。

卫星播发的卫星钟差也是相对“GPS时间系统”的钟差，在利用GPS直接进行时间校对时，应把这个钟差考虑进去。

篇幅有限，本期内容就到这里。不对之处，欢迎指正。

下期预告：GPS卫星的运动受到哪些作用力

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