時間與全球衛(wèi)星導(dǎo)航

董伊雯

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

基于時間測量的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），除具有導(dǎo)航定位能力外，通常都有精密授時功能，及PNT（Position,Navigation,Timing）。因此，各 GNSS系統(tǒng)都建有獨立的內(nèi)部時間參考系統(tǒng)，稱為系統(tǒng)時間或系統(tǒng)時GNSST。如美國GPS時間GPST，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)時間GLONASST，歐洲Galileo系統(tǒng)時間GST以及我國北斗系統(tǒng)時間BDT。GNSST是整個系統(tǒng)運行協(xié)調(diào)一致、各衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號精確同步的基礎(chǔ)。目前，多數(shù)GNSS系統(tǒng)時間是連續(xù)運行的均勻的原子時間尺度，以國際原子時TAI（International Atomic Time Scale）為參考，不閏秒；只有俄羅斯 GLONASS系統(tǒng)以協(xié)調(diào)世界時 UTC（Coordinated Universal Time）為參考，與 UTC 協(xié)調(diào)一致進(jìn)行插入閏秒的操作。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間GNSST必須首先溯源至其國家標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(k)，其中k為國家守時實驗室在國際原子時系統(tǒng)中的代號，通過UTC(k)與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的常規(guī)比對實現(xiàn)其與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的同步（溯源），以實現(xiàn)全球時間的同步和統(tǒng)一[1]。國際電聯(lián)ITU規(guī)定各國守時實驗室保持的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(k)與國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC的差必須控制在±100 ns以內(nèi)，就是說，UTC與各UTC(k)以及各 UTC(k)間具有微小的偏差。同時，各 GNSS系統(tǒng)建立時間不同，GNSST的起始時間及歷元不同，這些都導(dǎo)致各GNSST間存在微小的時間差異從而使得各導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)播的時間不盡相同。因此，GNSS系統(tǒng)時間的兼容和互操作問題，也是當(dāng)前涉及GNSS的研究熱點之一。

衛(wèi)星授時具有比陸基無線電授時覆蓋廣、精度高的優(yōu)點，這是因為衛(wèi)星在高軌運行，一顆衛(wèi)星就能覆蓋地面很大一塊區(qū)域，同時，衛(wèi)星信號經(jīng)過的路徑比起陸基無線電相對單一，其時間延遲的變化相對較小。同時，地面上相距遙遠(yuǎn)的兩地可以通過觀察同一顆衛(wèi)星，就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度時間比對[2]。精密時間在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，如衛(wèi)星導(dǎo)航、星箭發(fā)射、電子偵察等需要十億分子一秒（ns）精度量級的時間，電力傳輸?shù)葎t需要百萬分子一秒（μs）精度的時間。不同的領(lǐng)域?qū)r間頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度有著不同的要求。

現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)都采用測時體制，GNSS是把精確定時用于定位的一個典型例子。每顆 GNSS衛(wèi)星上均裝備有原子鐘（星載鐘），通常GNSS系統(tǒng)時間（GNSST）由地面和星載鐘通過綜合處理得到，綜合時間尺度GNSST、星鐘時間誤差、頻率誤差、頻率漂移以及衛(wèi)星的各種參數(shù)信息被注入衛(wèi)星導(dǎo)航電文，地面接收機(jī)收到導(dǎo)航電文后解算出各種信息，這些信息包含了導(dǎo)航系統(tǒng)時間、通過溯源參考時間尺度 UTC(k)估計的協(xié)調(diào)世界時UTC、每個衛(wèi)星鐘的時間、衛(wèi)星位置以及其他參數(shù)。

1 時間的定義和發(fā)展

1.1 從天文時到原子時

時間是目前所有物理量中實現(xiàn)測量精度最高的物理量，其他物理量的測量比如長度、電壓等可以轉(zhuǎn)為時間頻率量后實現(xiàn)精密測量。

從古至今，時間的測量和定義是以天體測量的觀測結(jié)果為基礎(chǔ)的，有天體測量獲得的時間稱為世界時 UT（Universal Time），也被形象地稱為地球鐘，及以測量地球自轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)的時間測量方法。因此直至目前，時間頻率依然隸屬于天體測量和天體力學(xué)學(xué)科。基于天體測量的天文時間曾經(jīng)在人類社會活動和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步中曾經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。但是由于地球自轉(zhuǎn)周期并不穩(wěn)定，因此UT的測量精度不高，不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對高精密時間的需要，所以在20世紀(jì)50年代以后，出現(xiàn)了以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)的原子時間頻率標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，國際時間使用兩套時間計量系統(tǒng)即原子時 TAI和世界時UT，而目前全球使用的法定國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC即使這二者綜合協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。

UTC代表了兩種時間尺度：國際原子時 TAI和世界時 UT1的結(jié)合，其核心是采用原子時的秒長，而在時刻上盡量與UT1靠近。UTC的定義為：

式中，t為時刻，N為“閏秒”數(shù)。從1972年至今共閏秒23次，2012年6月30日UTC Oh作了最近一次閏秒調(diào)整后，協(xié)調(diào)世界時 UTC與國際原子時TAI的差為35s。UTC比TAI慢了 35s，反映了地球自轉(zhuǎn)長期變慢的趨勢和程度[3]。

1.2 時間測量及原子秒定義

時間即是有規(guī)律的運動，因此，任何一個連續(xù)、規(guī)律性運動的物理過程或物理量，都可以用來表征時間。如果這個運動過程或物理量的變化是可測的，那么我們就可以以它為標(biāo)準(zhǔn)去測量和定義時間。迄今為止，人類用以測量時間的周期運動包括轉(zhuǎn)動體的自由旋轉(zhuǎn)——地球自轉(zhuǎn)、天體開普勒運動——地球繞太陽的運動和原子諧波振蕩運動，從而也誕生了三種科學(xué)時間標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)以天體運動為基礎(chǔ)的時間不能適應(yīng)人類活動和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展需要的時候，原子時間的誕生開辟了時間測量的又一新篇章。

基于原子運動規(guī)律的時間測量原理是：每個原子核外分層排布著高速運轉(zhuǎn)的電子，當(dāng)原子受到激發(fā)時，它的軌道電子就從一個能級跳到另一個能級，物理學(xué)上稱此為“躍遷”。發(fā)生躍遷時，原子將釋放一定頻率的電磁波。這類電磁波同單擺一樣，是一種周期運動，它的振蕩周期很短、很穩(wěn)定。1953年，英國國家物理實驗室NPL率先利用銫原子躍遷振蕩運動研制出了銫原子鐘。此后，基于替他原子的原子鐘相繼問世，由原子鐘確定的時間稱為原子時。1967年，國際計量大會正式把由銫原子鐘確定的原子時秒定義為國際標(biāo)準(zhǔn)時間秒。原子時秒長定義為：銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間在零磁場下躍遷輻射9192631770周期所持續(xù)的時間。1967年第十三屆國際計量委員會決定，把在海平面上實現(xiàn)的上述原子時秒規(guī)定為國際單位制（SI）時間單位。原子時起點定在1958年1月1日0時（UT），即規(guī)定在這一瞬間，原子時和世界時重合。

國際原子時TAI和協(xié)調(diào)世界時UTC 是由設(shè)在法國巴黎的國際權(quán)度局（BIPM）統(tǒng)一歸算的國際原子時間尺度，地方協(xié)調(diào)世界時UTC(k)是UTC在全球各地時間實驗室的實現(xiàn)[3]。UTC(k)和全球各守時實驗室的原子鐘參加全球TAI網(wǎng)的日常比對，對國際原子時的建立和保持做貢獻(xiàn)。目前，全球有73個時間實驗室和總共約400多臺原子鐘數(shù)據(jù)（截止2013年12月）參加TAI的歸算。國際時間比對手段由最初的陸基無線電發(fā)展到目前的基于導(dǎo)航衛(wèi)星的GNSS共視（GNSS CV）和基于通信衛(wèi)星的衛(wèi)星雙向時間頻率比對（TWSTFT），時間測量有著悠久的歷史，它隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。

2 GNSS時間參考系統(tǒng)及溯源

時間系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航GNSS中的重要組成部分。各GNSS系統(tǒng)除了具有獨立的時間基準(zhǔn)GNSST系統(tǒng)外，GNSST都溯源至其國家標(biāo)準(zhǔn)時間系統(tǒng)UTC(k)，因為GNSST只是GNSS系統(tǒng)的一個內(nèi)部參數(shù)，其必須溯源至外部參考時間。歐洲由于其特殊性，GALILEO系統(tǒng)時間是由歐洲幾個主要的守時實驗室的時間基準(zhǔn)系統(tǒng)共同構(gòu)建的，包括德國、英國、意大利等[4]。

2.1 GPS 系統(tǒng)時間

GPS系統(tǒng)時間GPST為連續(xù)的原子時間尺度，不閏秒，其溯源到美國海軍天文臺所保持的地方協(xié)調(diào)世界時UTC(USNO)。GPS time從1980年開始啟用與當(dāng)時的 UTC在整秒上一致之后，至今與 TAI及UTC的差異為：

C0是GPS時間與UTC在秒小數(shù)上的差異。

2.2 GLONASS 系統(tǒng)時間

俄羅斯的GLONASS時間采用UTC作為時間參考，其溯源到UTC(SU)，當(dāng)前，GLONASS time與TAI及UTC的關(guān)系為：

C1是GLONASS時間與UTC在秒小數(shù)上的差異。

2.3 Galileo 系統(tǒng)時間

伽利略（Galileo）是歐洲在建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其系統(tǒng)時間GST可能會采用GPS系統(tǒng)的做法，即其歷元與GPST一致。Galileo 系統(tǒng)時間GST的產(chǎn)生見圖1[3]。

圖1 Galileo系統(tǒng)時間GST的產(chǎn)生

3 GNSS時間兼容互操作

當(dāng)前，全球進(jìn)入多GNSS時代，系統(tǒng)間的兼容互操作是目前 GNSS領(lǐng)域的研究熱點。實現(xiàn)多GNSS系統(tǒng)的兼容互操作將會給用戶帶來諸多好處，因為用戶如果能同時收到多個導(dǎo)航衛(wèi)星的信息，使用會更安全可靠，同時精度也更高。中國北斗、美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略紛紛提出“兼容性”和“互操作性”，共謀兼容合作[5]。隨著GNSS系統(tǒng)的逐漸增多和日益完善，為獲得更大的應(yīng)用，各GNSS系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)建和信號設(shè)計時考慮時間的兼容互操作是必然選擇。

由于GNSS系統(tǒng)時間之間存在偏差，從而會引起組合接收機(jī)定位的偏差。我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在建設(shè)，時間的兼容互操作問題是其中一個重要問題，系統(tǒng)建成后，BDT和其它GNSS系統(tǒng)的系統(tǒng)時間差將被精確測定并在導(dǎo)航信息中廣播，使用戶能始終得到正確的時間信息。

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

[2]童寶潤.時間統(tǒng)一系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[3]董紹武.守時中的若干重要技術(shù)問題研究[D].中國科學(xué)院研究生院博士論文,2007.

[4]董紹武,吳海濤.GNSS系統(tǒng)時間基準(zhǔn)和溯源研究[C].第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集（中）,2010.

[5]董紹武.GNSS時間系統(tǒng)及其互操作[J].儀器儀表學(xué)報（2009增刊）,2009:356-359.

[6]www.ntsc.ac.cn.

[7]www.bipm.org.