GPS系统时间及其与其他时间的关系

陈洪卿，王振伟



GPS系统时间及其与其他时间的关系

陈洪卿1，王振伟2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 清华大学 电子工程系，北京 100039）

指出不同授时规范对“GPS系统时间”定义、解释的差异，给出比较清楚和综合的“GPS系统时间”理解，这会有益于北斗系统和GPS系统组合PNT（定位、导航、授时）应用标准化。

GPS系统时间；系统时间；周内时间；星期（周）数；协调世界时

0 引言

在认识、了解、应用以GPS为代表的GNSS导航卫星系统定位、导航、授时（PNT）过程中，一个绕不过去的术语是“GPS系统时间”，简称为“GPS时”（GPS system time，GPST），有些场合又称之为“GPS时间系统”。与口语俗称GPS接收机输出的“1PPS、TOD时间信号/信息”为“GPS时间”不同，在GB/T 19391—2003《全球定位系统（GPS）术语及定义》中，规定“GPS时间（GPS time），俗称GPS系统时间，根据地面监控站和卫星上的原子钟的时间加权而得到的，作为GPS信号的时间基准（第5.17款）[1]”。

事实上，名词“GPS系统时间”于2001年就出现在通信行业标准YD/T 1108—2001《CDMA数字蜂窝移动通信网无线同步双模（GPS/GLONASS）接收机性能要求及其基站间接口技术标准》之中，有关条款内容是“为了与原CDMA无线同步系统中的单GPS接收机输出的时间格式相同，GPS时间采用USNO的时间格式。该时间作为位置/状态/数据消息中输出的时间类型，以及接收机输出1PPS定时脉冲时的同步点[2]”。

2011年中国电信股份有限公司颁布的企业标准《中国电信CDMA无线同步双模（北斗/GPS）接收机设备接口技术要求》中有“授时设备输出时间格式应为GPS系统时间（用周计数和周内秒数表征的）格式，如果当前授时源为北斗，应将北斗系统时间（或UTC时间）转换为（用GPS周计数和周内秒数表征的）GPS系统时间格式输出”。

凡此种种，在多种标准的文本和实际应用场合，对“GPS系统时间”这一术语，究竟应该如何认识、界定、解释和使用，不得不引起思考。目前，世界四大卫星导航系统，均有各自的“导航系统时间”。鉴于北斗卫星导航系统正加速建设，四大卫星导航系统相互兼容形成GNSS系统增强应用，也是世界大势所趋，本文从讨论、认识术语“GPS系统时间”入手，抛砖引玉，希望在涉及卫星导航授时与应用的各种场合，能全面认知与规范使用“导航系统时间”这一概念，推进北斗授时应用技术标准化，与国际原子时TAI、协调世界时UTC等时间标准接轨，推进授时（术语）标准化，促进GNSS授时应用产业化。

1 “GPS系统时间”表述与界定

由引言中几种“GPS系统时间”的中文定义、描述和使用情况可以看出，从不同角度所认识和描述的“GPS系统时间”不尽相同。为推进卫星定位导航授时与应用，再三考据美国GPS联队（GPSW）SYSTEMS ENGINEERING & INTEGRATION的技术文件《Interface Specification IS-GPS-200（Revision D&E） Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces》中关于GPS系统时间和GPS周（星期）数的英文陈述[3-4]，笔者认为，作为“控制GPS卫星和地面系统整体运行”作参考的“系统时间”，同时也作为时间业务、卫星授时业务的专门“术语”，“GPS系统时间”——“GPST”的完整表述，应包括以下几个方面：

1）GPST的“历元”：GPS时间起始历元为1980年1月6日00︰00︰00（UTC），该时刻为GPST的原点；此刻，国际规定DTAI＝TAI－UTC＝19 s；GPST是（地方）原子时，不作闰秒调整，任何时候（在整数秒上）都与TAI相差19 s，即GPST－TAI≡-19 s。

2）GPST的“秒长”：GPS时间是一种原子时，它由主控站、监控站和卫星上所有的原子钟，通过主控站内部的时间比对和远程时间比对得到这些钟的比对数据，用适当的原子时算法得到一个纸面时间尺度，并以UTC（USNO）作为参考基准，对该纸面时间尺度作频率驾驭，得到GPST的“秒长”；累积GPST的86 400 s为1 d，累积604 800 s为1个GPST的星期（周）。

3）GPST的“星期（周）”和“星期（周）数”（GPS week number，WN）：GPS的“星期（周）”是GPST使用频繁的最大时间计量单位，其长度规定为604 800 s（GPST）。1980年1月6日的00︰00︰00（UTC）所在的“星期”为起始周（星期），不间断累加计数，累千进万，在时间坐标长轴上不再返转“置零”。

但是，需要特别指出的是，在GPS卫星发播的各种导航电文消息中，对不同用途的“消息”，所设计的存置“GPS星期（周）数”消息的二进制“比特”位数各不相同，并且是有限的，如WN消息是10 bit，对应的“星期（数）”就只能为0~1023周（约20 a），WNa消息、WNLSF消息是8 bit，对应的“星期（数）”为0~255周，而WNn消息、WNGGTO消息是13 bit，对应的“星期（数）”则为0~8191周（约158 a）。

因存置消息的“比特位数受限制”所导致“翻转”重新置零，使得电文消息中的GPST“星期（周）数”多次出现最小值（“0周”）和最大值问题，类似所谓“千年虫”问题。这只是表明该“消息”表征“GPST星期（周）数”的能力（容量）不足，并不意味GPS时间轴上的GPS周（星期）数也受这些最小值、最大值的限制。

对UTC时间1980年1月6日（星期日）所在的“星期（周）”，GPS卫星发播的导航电文“WN消息”中，给出GPST的“星期（周）数”值是二进制的“0000000000”，也是十进制的“0”。对1999年8月21日（星期六）所在的“星期（周）”，GPS卫星“WN消息”给出GPST的“星期（周）数”值是二进制的“1111111111”，即十进制的“1023”。对1999年8月22日（星期日）所在的“星期（周）”，GPS卫星“WN消息”给出值又“翻转”重置为二进制的“0000000000”，又是0周。实际上，这时在GPS“系统时间”的长轴上，应该是“0+1024”周。这时，若按“0”周去处理各种导航数据信息或计算涉及时间过程的各种修正，就会出错，至少要影响精度。这就是1999年给人们带来麻烦的GPS时间“千年虫”问题。在GPS现代化进程中，吸取上述教训，作为系统设计的“补丁”，在更新设计的导航电文中增加了13 bit的“WNn消息”和“WNGGTO消息”，给出的GPST星期（周）数最大值是8191个星期（周），时间长达158a，可以用于检测、监视、消除“WN消息”最大值为1023（周）、约20a就要出现1次的“千年虫”麻烦。这就大大降低引发“千年虫”麻烦的频次。有鉴于此，北斗系统设计卫星导航电文中“星期（周）数消息”取13 bit。

4）GPST的“周内时间（time of week，TOW）”：这也是GPS系统频繁出现和使用的时间。在GPS卫星导航电文每一子帧的第2个交接字（HOW）中都用17 bit给出GPST的“周内时间”，其“计数值”最小为0，最大值不超过604 800 s，与GPST的秒一一对应；它在每星期六午夜/星期日00︰00︰00（GPST）开始该周的TOW计时，累加递增，递增的步进单位长度是4×1.5 s（这一点与北斗系统的SOW周内秒计数略有不同），经过1周（604 800 s）后又返回为0；同时GPST的“星期（周）数”也递增1[5]。GPS系统有时也将星期日的00︰00︰00称为该星期TOW计时的“参考原点”——周内时间的“历元”。

5）用GPST记事计时：可以用以“秒”为（计时）单位的GPST（秒计数）来记录某一事件发生的确切时刻，即GPST＝（TOW+WN×604 800）s；也可以用GPST的“星期（周）数WN”（这是GPST时间轴上大于1 024的周数，不是导航电文消息的WN）和“周内时间TOW（s）”组合表达某事件发生的确切时刻，如同人们用日期（年月日）和时间（时分秒——TOD）组合计时记事一样。必要时，必须同时指出该时刻的GPST周内时间（TOW→周内的秒/分/时/星期几（day number，DN））和GPST的星期（周）数。

GPST仅仅是表征、控制GPS系统运行的“系统时间”，由该“系统时间”可以转换获得UTC等其他各种标准时间、系统时间。控制我国北斗卫星导航系统运行的北斗时（BeiDou time，BDT）也是如此。因为这些“导航系统时间”非常稳恒，可以通过这些“导航系统时间”比较精确而方便地换算出通用的标准时间UTC。UTC作为国际上共同参考的法定时间，是标准时间频率信号协调联播的基础，也是ISO国际标准8601—2004和中国国家标准GB/T 7408—2005规定“信息交换”（国际）通用“日期和时间的表示”的参考（源）标准[6-7]。

6）GPST与UTC之差：GPST与UTC之间的时间差值包括2部分：“整数秒部分”和“小数秒部分”。差值的“整数秒部分”可表示为

GPST≈UTC＋DTAI－19 s （1）

式（1）中，DTAI＝TAI－UTC（整秒），是由国际文件定义的，是随UTC发生闰秒事件而不同的变量，由国际授时组织适时公布和预报。GPST与UTC差值的“小数秒部分”（也称“秒内偏差”），被GPS系统控制在1μs之内，故式（1）用约等号；过去几年，该偏差被控制在几百纳秒之内，通常小于40 ns[5]。

2011年10月，DTAI＝34s，GPST≈UTC＋15s，即用GPST计量标示的某一事件发生时刻，要比用UTC计量的日期、时刻提前15s，GPST的“星期”历元也比日常用UTC的“星期”历元要早15s，其他如岁首、月初、闰秒发生时刻等等，都是如此。不同卫星导航系统时间之间及其与TAI，UTC的整秒数时间差换算，可参考表1。

表1 各卫星导航系统时间之间及其与UTC的整数秒时差换算 s

表1中，UTC为协调世界时，TAI为国际原子时，GPST为GPS系统时间，GLOT为GLONASS（系统）时间，GST是GALILEO（系统）时间，BDT是BeiDou/Compass（系统）时间，DTAI＝TAI－UTC。对于任何日期，只要将相应的DTAI值代入表1，即可得到各种时间之间的差值，例如对于2011年10月，DTAI＝34 s，将此代入表1，即可得到GPST－UTC＝15 s等。

在各个卫星系统的导航电文中的“星期（周）数”非“翻转置零”时刻的之前或之后的相当长的时段中，GPST，BDT，GST这3者的“周数差”也是不变的。

严格地表述GPST与UTC的时间差，不但要同时考虑差值的“小数秒部分”和“整数秒部分”，有些特殊情况（在岁首、月初、周末、日时分的起算点）下，还要注意，在用大于“整秒”的“时间计量单位（日、星期、月、年）”表征“某事件发生时间（时刻）”时，会遇到表述上的差别。

7）GPST与卫星（钟）时间：每颗GPS卫星按照本卫星时钟的时间驱动卫星信号发射，GPS的地面监控保证维持各卫星（钟）时间与GPST的差异小于1μs；但在卫星播发的导航电文中，除遥测字（TLW）和交接字（HOW）的时间数据基于卫星（钟）时间以外，其余数据均以“系统时间”GPST为准。

2 结语

控制北斗卫星导航系统运行的北斗系统时间，简称北斗时。作为运行控制的时间尺度，它同样也有BDT的历元、秒长、周内秒（second of week，SOW）、星期（周）数（week number，WNBDT)；也要明确“BDT（系统）时间”与卫星（钟）时间的关系、BDT与UTC的关系、BDT与GPST等其他“导航系统时间”的关系（换算）问题。同一事件发生的某一“瞬间”，在不同的“时间系统”（UTC，TAI，GPST，BDT，GST）会有不同的日期和时刻表征。为避免日期时刻标记（记录）相互混淆，国际标准化组织ISO曾颁布《数据元和交换格式，信息交换，日期和时间的表示》（ISO 8601—2004）国际标准[6]，规定了信息交换涉及的时间、日期表示方法，并可溯源到国际UTC（法定）标准时间。我国GB/T 7408—2005国家标准规定采用ISO 8601。需要指明的是，ISO 8601已被“ISO 80000—32006量值和单位—第3部分：空间和时间”、“ISO/IEC 19785—12006信息技术—公共生物统计交换格式—第1部分：数据元（素）”、“DIN EN ISO 19128—2008地理信息网络地图服务器接口”、“DIN IEC 62455—2010国际互联网协议（IP）和基于服务访问的传输流（TS）”、“ISO/IEC 15944—2008信息技术—商业运作综览—第5部分：作为外部强制源的司法领域要求的识别与参照”等众多国际标准文件所引用，UTC和ISO 8601是在世界范围内被广泛接受、采用的通用标准。为清楚陈述和规范使用四大卫星导航系统时间及其相互转换应用，国家发改委和国家标准化管理委员会已专项支持研究制定“卫星导航定位系统的时间系统”技术标准。在涉及北斗授时与GNSS 组合PNT 应用相关技术标准编制、修订过程中，有必要借鉴近20 多年对“GPS系统时间”尺度设计、界定不断充实、完善的经验与教训，洋为中用，提升卫星授时应用效率，与国际接轨。

[1] GB/T 19391—2003, 全球定位系统(GPS)术语及定义[S]. 2003.

[2] YD/T 1108—2001, CDMA数字蜂窝移动通信网无线同步双模(GPS/GLONASS)接收机性能要求及其基站间接口技术标准[S]. 2009.

[3] IS-GPS-200D, Interface Specification IS-GPS-200(Revision D) Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces[S]. 2004.

[4] IS-GPS-200E, Interface Specification IS-GPS-200(Revision E) Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces[S]. 2010.

[5] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009: 35-52.

[6] ISO 8601—2004, Data Elements and Interchange Formats-Information Interchange-Representation of Dates and Times[S]. 2004.

[7] GB/T 7408—2005, 数据元和交换格式—信息交换—时间和日期表示法[S]. 2005.

GPS system time and its relation with other time

CHEN Hong-qing1, WANG Zhen-wei2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Tsinghua University, Department of Electronic Engineering, Beijing 100039, China)

It is revealed that there are quite a few different definitions and explanations for GPS system time among various time-service specifications in China. The clearer and more comprehensive interpretation on the GPS system time is given, which may be useful to standardization and application of the combined PNT(positioning, navigation, time-service) for BeiDou and GPS.

GPS system time; system time; time of week(TOW); week number(WN); coordinated universal time(UTC)

P127.1

A

1674-0637(2012)04-0201-05

2011-11-04

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2009AA12Z328）

陈洪卿，男，副研究员，主要从事无线电授时技术及其应用标准化研究。