GPS系統(tǒng)時間及其與其他時間的關系

陳洪卿，王振偉

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GPS系統(tǒng)時間及其與其他時間的關系

陳洪卿1，王振偉2

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 清華大學 電子工程系，北京 100039）

指出不同授時規(guī)范對“GPS系統(tǒng)時間”定義、解釋的差異，給出比較清楚和綜合的“GPS系統(tǒng)時間”理解，這會有益于北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)組合PNT（定位、導航、授時）應用標準化。

GPS系統(tǒng)時間；系統(tǒng)時間；周內(nèi)時間；星期（周）數(shù)；協(xié)調(diào)世界時

0 引言

在認識、了解、應用以GPS為代表的GNSS導航衛(wèi)星系統(tǒng)定位、導航、授時（PNT）過程中，一個繞不過去的術語是“GPS系統(tǒng)時間”，簡稱為“GPS時”（GPS system time，GPST），有些場合又稱之為“GPS時間系統(tǒng)”。與口語俗稱GPS接收機輸出的“1PPS、TOD時間信號/信息”為“GPS時間”不同，在GB/T 19391—2003《全球定位系統(tǒng)（GPS）術語及定義》中，規(guī)定“GPS時間（GPS time），俗稱GPS系統(tǒng)時間，根據(jù)地面監(jiān)控站和衛(wèi)星上的原子鐘的時間加權而得到的，作為GPS信號的時間基準（第5.17款）[1]”。

事實上，名詞“GPS系統(tǒng)時間”于2001年就出現(xiàn)在通信行業(yè)標準YD/T 1108—2001《CDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)無線同步雙模（GPS/GLONASS）接收機性能要求及其基站間接口技術標準》之中，有關條款內(nèi)容是“為了與原CDMA無線同步系統(tǒng)中的單GPS接收機輸出的時間格式相同，GPS時間采用USNO的時間格式。該時間作為位置/狀態(tài)/數(shù)據(jù)消息中輸出的時間類型，以及接收機輸出1PPS定時脈沖時的同步點[2]”。

2011年中國電信股份有限公司頒布的企業(yè)標準《中國電信CDMA無線同步雙模（北斗/GPS）接收機設備接口技術要求》中有“授時設備輸出時間格式應為GPS系統(tǒng)時間（用周計數(shù)和周內(nèi)秒數(shù)表征的）格式，如果當前授時源為北斗，應將北斗系統(tǒng)時間（或UTC時間）轉(zhuǎn)換為（用GPS周計數(shù)和周內(nèi)秒數(shù)表征的）GPS系統(tǒng)時間格式輸出”。

凡此種種，在多種標準的文本和實際應用場合，對“GPS系統(tǒng)時間”這一術語，究竟應該如何認識、界定、解釋和使用，不得不引起思考。目前，世界四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，均有各自的“導航系統(tǒng)時間”。鑒于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正加速建設，四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)相互兼容形成GNSS系統(tǒng)增強應用，也是世界大勢所趨，本文從討論、認識術語“GPS系統(tǒng)時間”入手，拋磚引玉，希望在涉及衛(wèi)星導航授時與應用的各種場合，能全面認知與規(guī)范使用“導航系統(tǒng)時間”這一概念，推進北斗授時應用技術標準化，與國際原子時TAI、協(xié)調(diào)世界時UTC等時間標準接軌，推進授時（術語）標準化，促進GNSS授時應用產(chǎn)業(yè)化。

1 “GPS系統(tǒng)時間”表述與界定

由引言中幾種“GPS系統(tǒng)時間”的中文定義、描述和使用情況可以看出，從不同角度所認識和描述的“GPS系統(tǒng)時間”不盡相同。為推進衛(wèi)星定位導航授時與應用，再三考據(jù)美國GPS聯(lián)隊（GPSW）SYSTEMS ENGINEERING & INTEGRATION的技術文件《Interface Specification IS-GPS-200（Revision D&E） Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces》中關于GPS系統(tǒng)時間和GPS周（星期）數(shù)的英文陳述[3-4]，筆者認為，作為“控制GPS衛(wèi)星和地面系統(tǒng)整體運行”作參考的“系統(tǒng)時間”，同時也作為時間業(yè)務、衛(wèi)星授時業(yè)務的專門“術語”，“GPS系統(tǒng)時間”——“GPST”的完整表述，應包括以下幾個方面：

1）GPST的“歷元”：GPS時間起始歷元為1980年1月6日00︰00︰00（UTC），該時刻為GPST的原點；此刻，國際規(guī)定DTAI＝TAI－UTC＝19 s；GPST是（地方）原子時，不作閏秒調(diào)整，任何時候（在整數(shù)秒上）都與TAI相差19 s，即GPST－TAI≡-19 s。

2）GPST的“秒長”：GPS時間是一種原子時，它由主控站、監(jiān)控站和衛(wèi)星上所有的原子鐘，通過主控站內(nèi)部的時間比對和遠程時間比對得到這些鐘的比對數(shù)據(jù)，用適當?shù)脑訒r算法得到一個紙面時間尺度，并以UTC（USNO）作為參考基準，對該紙面時間尺度作頻率駕馭，得到GPST的“秒長”；累積GPST的86 400 s為1 d，累積604 800 s為1個GPST的星期（周）。

3）GPST的“星期（周）”和“星期（周）數(shù)”（GPS week number，WN）：GPS的“星期（周）”是GPST使用頻繁的最大時間計量單位，其長度規(guī)定為604 800 s（GPST）。1980年1月6日的00︰00︰00（UTC）所在的“星期”為起始周（星期），不間斷累加計數(shù)，累千進萬，在時間坐標長軸上不再返轉(zhuǎn)“置零”。

但是，需要特別指出的是，在GPS衛(wèi)星發(fā)播的各種導航電文消息中，對不同用途的“消息”，所設計的存置“GPS星期（周）數(shù)”消息的二進制“比特”位數(shù)各不相同，并且是有限的，如WN消息是10 bit，對應的“星期（數(shù)）”就只能為0~1023周（約20 a），WNa消息、WNLSF消息是8 bit，對應的“星期（數(shù)）”為0~255周，而WNn消息、WNGGTO消息是13 bit，對應的“星期（數(shù)）”則為0~8191周（約158 a）。

因存置消息的“比特位數(shù)受限制”所導致“翻轉(zhuǎn)”重新置零，使得電文消息中的GPST“星期（周）數(shù)”多次出現(xiàn)最小值（“0周”）和最大值問題，類似所謂“千年蟲”問題。這只是表明該“消息”表征“GPST星期（周）數(shù)”的能力（容量）不足，并不意味GPS時間軸上的GPS周（星期）數(shù)也受這些最小值、最大值的限制。

對UTC時間1980年1月6日（星期日）所在的“星期（周）”，GPS衛(wèi)星發(fā)播的導航電文“WN消息”中，給出GPST的“星期（周）數(shù)”值是二進制的“0000000000”，也是十進制的“0”。對1999年8月21日（星期六）所在的“星期（周）”，GPS衛(wèi)星“WN消息”給出GPST的“星期（周）數(shù)”值是二進制的“1111111111”，即十進制的“1023”。對1999年8月22日（星期日）所在的“星期（周）”，GPS衛(wèi)星“WN消息”給出值又“翻轉(zhuǎn)”重置為二進制的“0000000000”，又是0周。實際上，這時在GPS“系統(tǒng)時間”的長軸上，應該是“0+1024”周。這時，若按“0”周去處理各種導航數(shù)據(jù)信息或計算涉及時間過程的各種修正，就會出錯，至少要影響精度。這就是1999年給人們帶來麻煩的GPS時間“千年蟲”問題。在GPS現(xiàn)代化進程中，吸取上述教訓，作為系統(tǒng)設計的“補丁”，在更新設計的導航電文中增加了13 bit的“WNn消息”和“WNGGTO消息”，給出的GPST星期（周）數(shù)最大值是8191個星期（周），時間長達158a，可以用于檢測、監(jiān)視、消除“WN消息”最大值為1023（周）、約20a就要出現(xiàn)1次的“千年蟲”麻煩。這就大大降低引發(fā)“千年蟲”麻煩的頻次。有鑒于此，北斗系統(tǒng)設計衛(wèi)星導航電文中“星期（周）數(shù)消息”取13 bit。

4）GPST的“周內(nèi)時間（time of week，TOW）”：這也是GPS系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)和使用的時間。在GPS衛(wèi)星導航電文每一子幀的第2個交接字（HOW）中都用17 bit給出GPST的“周內(nèi)時間”，其“計數(shù)值”最小為0，最大值不超過604 800 s，與GPST的秒一一對應；它在每星期六午夜/星期日00︰00︰00（GPST）開始該周的TOW計時，累加遞增，遞增的步進單位長度是4×1.5 s（這一點與北斗系統(tǒng)的SOW周內(nèi)秒計數(shù)略有不同），經(jīng)過1周（604 800 s）后又返回為0；同時GPST的“星期（周）數(shù)”也遞增1[5]。GPS系統(tǒng)有時也將星期日的00︰00︰00稱為該星期TOW計時的“參考原點”——周內(nèi)時間的“歷元”。

5）用GPST記事計時：可以用以“秒”為（計時）單位的GPST（秒計數(shù)）來記錄某一事件發(fā)生的確切時刻，即GPST＝（TOW+WN×604 800）s；也可以用GPST的“星期（周）數(shù)WN”（這是GPST時間軸上大于1 024的周數(shù)，不是導航電文消息的WN）和“周內(nèi)時間TOW（s）”組合表達某事件發(fā)生的確切時刻，如同人們用日期（年月日）和時間（時分秒——TOD）組合計時記事一樣。必要時，必須同時指出該時刻的GPST周內(nèi)時間（TOW→周內(nèi)的秒/分/時/星期幾（day number，DN））和GPST的星期（周）數(shù)。

GPST僅僅是表征、控制GPS系統(tǒng)運行的“系統(tǒng)時間”，由該“系統(tǒng)時間”可以轉(zhuǎn)換獲得UTC等其他各種標準時間、系統(tǒng)時間?？刂莆覈倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)運行的北斗時（BeiDou time，BDT）也是如此。因為這些“導航系統(tǒng)時間”非常穩(wěn)恒，可以通過這些“導航系統(tǒng)時間”比較精確而方便地換算出通用的標準時間UTC。UTC作為國際上共同參考的法定時間，是標準時間頻率信號協(xié)調(diào)聯(lián)播的基礎，也是ISO國際標準8601—2004和中國國家標準GB/T 7408—2005規(guī)定“信息交換”（國際）通用“日期和時間的表示”的參考（源）標準[6-7]。

6）GPST與UTC之差：GPST與UTC之間的時間差值包括2部分：“整數(shù)秒部分”和“小數(shù)秒部分”。差值的“整數(shù)秒部分”可表示為

GPST≈UTC＋DTAI－19 s （1）

式（1）中，DTAI＝TAI－UTC（整秒），是由國際文件定義的，是隨UTC發(fā)生閏秒事件而不同的變量，由國際授時組織適時公布和預報。GPST與UTC差值的“小數(shù)秒部分”（也稱“秒內(nèi)偏差”），被GPS系統(tǒng)控制在1μs之內(nèi)，故式（1）用約等號；過去幾年，該偏差被控制在幾百納秒之內(nèi)，通常小于40 ns[5]。

2011年10月，DTAI＝34s，GPST≈UTC＋15s，即用GPST計量標示的某一事件發(fā)生時刻，要比用UTC計量的日期、時刻提前15s，GPST的“星期”歷元也比日常用UTC的“星期”歷元要早15s，其他如歲首、月初、閏秒發(fā)生時刻等等，都是如此。不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間之間及其與TAI，UTC的整秒數(shù)時間差換算，可參考表1。

表1 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間之間及其與UTC的整數(shù)秒時差換算 s

表1中，UTC為協(xié)調(diào)世界時，TAI為國際原子時，GPST為GPS系統(tǒng)時間，GLOT為GLONASS（系統(tǒng)）時間，GST是GALILEO（系統(tǒng)）時間，BDT是BeiDou/Compass（系統(tǒng)）時間，DTAI＝TAI－UTC。對于任何日期，只要將相應的DTAI值代入表1，即可得到各種時間之間的差值，例如對于2011年10月，DTAI＝34 s，將此代入表1，即可得到GPST－UTC＝15 s等。

在各個衛(wèi)星系統(tǒng)的導航電文中的“星期（周）數(shù)”非“翻轉(zhuǎn)置零”時刻的之前或之后的相當長的時段中，GPST，BDT，GST這3者的“周數(shù)差”也是不變的。

嚴格地表述GPST與UTC的時間差，不但要同時考慮差值的“小數(shù)秒部分”和“整數(shù)秒部分”，有些特殊情況（在歲首、月初、周末、日時分的起算點）下，還要注意，在用大于“整秒”的“時間計量單位（日、星期、月、年）”表征“某事件發(fā)生時間（時刻）”時，會遇到表述上的差別。

7）GPST與衛(wèi)星（鐘）時間：每顆GPS衛(wèi)星按照本衛(wèi)星時鐘的時間驅(qū)動衛(wèi)星信號發(fā)射，GPS的地面監(jiān)控保證維持各衛(wèi)星（鐘）時間與GPST的差異小于1μs；但在衛(wèi)星播發(fā)的導航電文中，除遙測字（TLW）和交接字（HOW）的時間數(shù)據(jù)基于衛(wèi)星（鐘）時間以外，其余數(shù)據(jù)均以“系統(tǒng)時間”GPST為準。

2 結語

控制北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行的北斗系統(tǒng)時間，簡稱北斗時。作為運行控制的時間尺度，它同樣也有BDT的歷元、秒長、周內(nèi)秒（second of week，SOW）、星期（周）數(shù)（week number，WNBDT)；也要明確“BDT（系統(tǒng)）時間”與衛(wèi)星（鐘）時間的關系、BDT與UTC的關系、BDT與GPST等其他“導航系統(tǒng)時間”的關系（換算）問題。同一事件發(fā)生的某一“瞬間”，在不同的“時間系統(tǒng)”（UTC，TAI，GPST，BDT，GST）會有不同的日期和時刻表征。為避免日期時刻標記（記錄）相互混淆，國際標準化組織ISO曾頒布《數(shù)據(jù)元和交換格式，信息交換，日期和時間的表示》（ISO 8601—2004）國際標準[6]，規(guī)定了信息交換涉及的時間、日期表示方法，并可溯源到國際UTC（法定）標準時間。我國GB/T 7408—2005國家標準規(guī)定采用ISO 8601。需要指明的是，ISO 8601已被“ISO 80000—32006量值和單位—第3部分：空間和時間”、“ISO/IEC 19785—12006信息技術—公共生物統(tǒng)計交換格式—第1部分：數(shù)據(jù)元（素）”、“DIN EN ISO 19128—2008地理信息網(wǎng)絡地圖服務器接口”、“DIN IEC 62455—2010國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和基于服務訪問的傳輸流（TS）”、“ISO/IEC 15944—2008信息技術—商業(yè)運作綜覽—第5部分：作為外部強制源的司法領域要求的識別與參照”等眾多國際標準文件所引用，UTC和ISO 8601是在世界范圍內(nèi)被廣泛接受、采用的通用標準。為清楚陳述和規(guī)范使用四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間及其相互轉(zhuǎn)換應用，國家發(fā)改委和國家標準化管理委員會已專項支持研究制定“衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的時間系統(tǒng)”技術標準。在涉及北斗授時與GNSS 組合PNT 應用相關技術標準編制、修訂過程中，有必要借鑒近20 多年對“GPS系統(tǒng)時間”尺度設計、界定不斷充實、完善的經(jīng)驗與教訓，洋為中用，提升衛(wèi)星授時應用效率，與國際接軌。

[1] GB/T 19391—2003, 全球定位系統(tǒng)(GPS)術語及定義[S]. 2003.

[2] YD/T 1108—2001, CDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)無線同步雙模(GPS/GLONASS)接收機性能要求及其基站間接口技術標準[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] 謝鋼. GPS原理與接收機設計[M]. 北京: 電子工業(yè)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, 數(shù)據(jù)元和交換格式—信息交換—時間和日期表示法[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

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2009AA12Z328）

陳洪卿，男，副研究員，主要從事無線電授時技術及其應用標準化研究。