时间与全球卫星导航

董伊雯

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

基于时间测量的全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），除具有导航定位能力外，通常都有精密授时功能，及PNT（Position,Navigation,Timing）。因此，各 GNSS系统都建有独立的内部时间参考系统，称为系统时间或系统时GNSST。如美国GPS时间GPST，俄罗斯GLONASS系统时间GLONASST，欧洲Galileo系统时间GST以及我国北斗系统时间BDT。GNSST是整个系统运行协调一致、各卫星发射的导航信号精确同步的基础。目前，多数GNSS系统时间是连续运行的均匀的原子时间尺度，以国际原子时TAI（International Atomic Time Scale）为参考，不闰秒；只有俄罗斯 GLONASS系统以协调世界时 UTC（Coordinated Universal Time）为参考，与 UTC 协调一致进行插入闰秒的操作。卫星导航系统时间GNSST必须首先溯源至其国家标准时间UTC(k)，其中k为国家守时实验室在国际原子时系统中的代号，通过UTC(k)与国际标准时间的常规比对实现其与国际标准时间的同步（溯源），以实现全球时间的同步和统一[1]。国际电联ITU规定各国守时实验室保持的标准时间UTC(k)与国际标准时间UTC的差必须控制在±100 ns以内，就是说，UTC与各UTC(k)以及各 UTC(k)间具有微小的偏差。同时，各 GNSS系统建立时间不同，GNSST的起始时间及历元不同，这些都导致各GNSST间存在微小的时间差异从而使得各导航系统发播的时间不尽相同。因此，GNSS系统时间的兼容和互操作问题，也是当前涉及GNSS的研究热点之一。

卫星授时具有比陆基无线电授时覆盖广、精度高的优点，这是因为卫星在高轨运行，一颗卫星就能覆盖地面很大一块区域，同时，卫星信号经过的路径比起陆基无线电相对单一，其时间延迟的变化相对较小。同时，地面上相距遥远的两地可以通过观察同一颗卫星，就可以实现远距离高精度时间比对[2]。精密时间在现代科学技术各领域都得到广泛的应用，如卫星导航、星箭发射、电子侦察等需要十亿分子一秒（ns）精度量级的时间，电力传输等则需要百万分子一秒（μs）精度的时间。不同的领域对时间频率的准确度和稳定度有着不同的要求。

现有的全球卫星导航定位系统都采用测时体制，GNSS是把精确定时用于定位的一个典型例子。每颗 GNSS卫星上均装备有原子钟（星载钟），通常GNSS系统时间（GNSST）由地面和星载钟通过综合处理得到，综合时间尺度GNSST、星钟时间误差、频率误差、频率漂移以及卫星的各种参数信息被注入卫星导航电文，地面接收机收到导航电文后解算出各种信息，这些信息包含了导航系统时间、通过溯源参考时间尺度 UTC(k)估计的协调世界时UTC、每个卫星钟的时间、卫星位置以及其他参数。

1 时间的定义和发展

1.1 从天文时到原子时

时间是目前所有物理量中实现测量精度最高的物理量，其他物理量的测量比如长度、电压等可以转为时间频率量后实现精密测量。

从古至今，时间的测量和定义是以天体测量的观测结果为基础的，有天体测量获得的时间称为世界时 UT（Universal Time），也被形象地称为地球钟，及以测量地球自转周期为基础的时间测量方法。因此直至目前，时间频率依然隶属于天体测量和天体力学学科。基于天体测量的天文时间曾经在人类社会活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大的作用。但是由于地球自转周期并不稳定，因此UT的测量精度不高，不能满足现代科学技术对高精密时间的需要，所以在20世纪50年代以后，出现了以量子物理学为基础的原子时间频率标准。当前，国际时间使用两套时间计量系统即原子时 TAI和世界时UT，而目前全球使用的法定国际标准时间UTC即使这二者综合协调的产物。

UTC代表了两种时间尺度：国际原子时 TAI和世界时 UT1的结合，其核心是采用原子时的秒长，而在时刻上尽量与UT1靠近。UTC的定义为：

式中，t为时刻，N为“闰秒”数。从1972年至今共闰秒23次，2012年6月30日UTC Oh作了最近一次闰秒调整后，协调世界时 UTC与国际原子时TAI的差为35s。UTC比TAI慢了 35s，反映了地球自转长期变慢的趋势和程度[3]。

1.2 时间测量及原子秒定义

时间即是有规律的运动，因此，任何一个连续、规律性运动的物理过程或物理量，都可以用来表征时间。如果这个运动过程或物理量的变化是可测的，那么我们就可以以它为标准去测量和定义时间。迄今为止，人类用以测量时间的周期运动包括转动体的自由旋转——地球自转、天体开普勒运动——地球绕太阳的运动和原子谐波振荡运动，从而也诞生了三种科学时间标准。当以天体运动为基础的时间不能适应人类活动和现代科学技术发展需要的时候，原子时间的诞生开辟了时间测量的又一新篇章。

基于原子运动规律的时间测量原理是：每个原子核外分层排布着高速运转的电子，当原子受到激发时，它的轨道电子就从一个能级跳到另一个能级，物理学上称此为“跃迁”。发生跃迁时，原子将释放一定频率的电磁波。这类电磁波同单摆一样，是一种周期运动，它的振荡周期很短、很稳定。1953年，英国国家物理实验室NPL率先利用铯原子跃迁振荡运动研制出了铯原子钟。此后，基于替他原子的原子钟相继问世，由原子钟确定的时间称为原子时。1967年，国际计量大会正式把由铯原子钟确定的原子时秒定义为国际标准时间秒。原子时秒长定义为：铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周期所持续的时间。1967年第十三届国际计量委员会决定，把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制（SI）时间单位。原子时起点定在1958年1月1日0时（UT），即规定在这一瞬间，原子时和世界时重合。

国际原子时TAI和协调世界时UTC 是由设在法国巴黎的国际权度局（BIPM）统一归算的国际原子时间尺度，地方协调世界时UTC(k)是UTC在全球各地时间实验室的实现[3]。UTC(k)和全球各守时实验室的原子钟参加全球TAI网的日常比对，对国际原子时的建立和保持做贡献。目前，全球有73个时间实验室和总共约400多台原子钟数据（截止2013年12月）参加TAI的归算。国际时间比对手段由最初的陆基无线电发展到目前的基于导航卫星的GNSS共视（GNSS CV）和基于通信卫星的卫星双向时间频率比对（TWSTFT），时间测量有着悠久的历史，它随科学技术的发展而不断进步。

2 GNSS时间参考系统及溯源

时间系统全球卫星导航GNSS中的重要组成部分。各GNSS系统除了具有独立的时间基准GNSST系统外，GNSST都溯源至其国家标准时间系统UTC(k)，因为GNSST只是GNSS系统的一个内部参数，其必须溯源至外部参考时间。欧洲由于其特殊性，GALILEO系统时间是由欧洲几个主要的守时实验室的时间基准系统共同构建的，包括德国、英国、意大利等[4]。

2.1 GPS 系统时间

GPS系统时间GPST为连续的原子时间尺度，不闰秒，其溯源到美国海军天文台所保持的地方协调世界时UTC(USNO)。GPS time从1980年开始启用与当时的 UTC在整秒上一致之后，至今与 TAI及UTC的差异为：

C0是GPS时间与UTC在秒小数上的差异。

2.2 GLONASS 系统时间

俄罗斯的GLONASS时间采用UTC作为时间参考，其溯源到UTC(SU)，当前，GLONASS time与TAI及UTC的关系为：

C1是GLONASS时间与UTC在秒小数上的差异。

2.3 Galileo 系统时间

伽利略（Galileo）是欧洲在建的全球卫星导航定位系统。其系统时间GST可能会采用GPS系统的做法，即其历元与GPST一致。Galileo 系统时间GST的产生见图1[3]。

图1 Galileo系统时间GST的产生

3 GNSS时间兼容互操作

当前，全球进入多GNSS时代，系统间的兼容互操作是目前 GNSS领域的研究热点。实现多GNSS系统的兼容互操作将会给用户带来诸多好处，因为用户如果能同时收到多个导航卫星的信息，使用会更安全可靠，同时精度也更高。中国北斗、美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略纷纷提出“兼容性”和“互操作性”，共谋兼容合作[5]。随着GNSS系统的逐渐增多和日益完善，为获得更大的应用，各GNSS系统在系统构建和信号设计时考虑时间的兼容互操作是必然选择。

由于GNSS系统时间之间存在偏差，从而会引起组合接收机定位的偏差。我国北斗卫星导航系统正在建设，时间的兼容互操作问题是其中一个重要问题，系统建成后，BDT和其它GNSS系统的系统时间差将被精确测定并在导航信息中广播，使用户能始终得到正确的时间信息。

[1]About Compass Time And Its Coordination With Others GNSSs,S.Dong,X.Li,H.Wu,Proceedings of 39th PTTI Conference,19-23

[2]童宝润.时间统一系统[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3]董绍武.守时中的若干重要技术问题研究[D].中国科学院研究生院博士论文,2007.

[4]董绍武,吴海涛.GNSS系统时间基准和溯源研究[C].第一届中国卫星导航学术年会论文集（中）,2010.

[5]董绍武.GNSS时间系统及其互操作[J].仪器仪表学报（2009增刊）,2009:356-359.

[6]www.ntsc.ac.cn.

[7]www.bipm.org.