構(gòu)建空間守時系統(tǒng)引領(lǐng)時間規(guī)則變革

劉 民，劉志宏，盧耀文，夏 天，王乾娟，劉碧野，朱振良，吳夢娟，何梓濱

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

0 引言

2021年7月28日，中國科學技術(shù)協(xié)會發(fā)布了2021年度十項前沿科學問題，《地球以外有統(tǒng)一的時間規(guī)則嗎?》從400多項問題難題中脫穎而出，成為業(yè)內(nèi)熱議的科學問題[1]。時間規(guī)則是為統(tǒng)一時間而制定的測量和計算時間的方法，也稱為時間計量[2]。對于未來的月球基地、火星基地，以及深空任務的航天器來說，“動鐘變慢，弱引力勢鐘快”的相對論效應對原子鐘的影響不可忽略[3-4]，基于守時-授時的統(tǒng)一時間規(guī)則不適用于遠離地球的空間。如何統(tǒng)一時間仍是天文學、計量學、空間科學和技術(shù)領(lǐng)域共同問題。

國際天文聯(lián)合會（IAU）以往的決議，引入了如地球時和地心坐標時之間的變換常數(shù)（LG）、質(zhì)心動力學時與太陽系質(zhì)心坐標時之間變換常數(shù)（LB），簡化了對相對論效應的處理方法，給出地球上的時間到太陽系質(zhì)心坐標時的換算關(guān)系[5]。然而這些所謂的常數(shù)僅適用于觀者在地球上的情況，不適用于地球以外觀者，IAU決議是“坐地觀天”的特例[6]。以往的月球、火星、木星和小行星探測活動中，雖成功運用了天地時間同步技術(shù)[7]，但此孤立系統(tǒng)無需與其他系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，沒有統(tǒng)一時間的必要。未來空間活動需多系統(tǒng)相互協(xié)作，地-月-火星-星際探測器之間要建立互聯(lián)網(wǎng)絡，進行超遠距離的聯(lián)合觀測、空間預警偵察等與時間強相關(guān)的聯(lián)合任務，需在有相對論效應的不同位置之間以及原點不同的坐標系之間構(gòu)建統(tǒng)一時間的規(guī)則?？臻g計量正面臨著此類時間統(tǒng)一的問題[8]。前期基于廣義相對論的空間計量理論研究提出了有關(guān)時間計量的4方面推論[9]：同時性與坐標系的關(guān)系；時間單位與時間測量的關(guān)系；國際單位制（SI）秒的約定常數(shù)；以及銫原子鐘和脈沖星兩個時間基準。該理論進一步提出了統(tǒng)一時間的兩種模式：“中心守時，局域授時”，和“局域原時，全域坐標時”。該理論還原了愛因斯坦廣義相對論的初衷，把當前的一個標準時間恢復成“原時”和“坐標時”兩個時間，讓時間和空間不可分割。

1 當前守時-授時技術(shù)不能應用到地球以外的廣域空間

在守時-授時模式中，國際上有400多臺守時原子鐘，按SI秒的定義復現(xiàn)秒長基準，經(jīng)過相對論修正，換算到大地水準面上，獲得本地原時。國際計量局（BIPM）比對各地的原時，計算出國際原子時（TAI），再結(jié)合與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)聯(lián)的世界時（UT1），用閏秒的方式協(xié)調(diào)TAI和UT1，發(fā)布標準時間（UTC）[10]，以上是“中心守時”的過程。不同局域之間，他們的相對速度和所處位置的引力勢不一樣，形成不同的相對論效應，其結(jié)果是出現(xiàn)原子鐘走速差異[11-12]。那些位于大地水準面上，或修正后復現(xiàn)大地水準面SI秒的鐘所測量的原時產(chǎn)生了地球標準時間[13-14]，其他鐘都不能按SI秒定義的時間單位走時[15-16]。其他鐘必須放棄自己的原時，同步于標準時間，這是“局域被授時”的過程。從工程實現(xiàn)的角度，考慮相對論效應改正的現(xiàn)有時間規(guī)則，可以解決近地空間和類地行星空間的時間統(tǒng)一問題。例如全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）以守時地面站為中心，按照“中心守時，局域授時”模式，向在軌衛(wèi)星發(fā)出授時信號，星載原子鐘無需再復現(xiàn)SI秒的定義，無需測量本地原時，馴服于授時信號，保證同步于標準時間。

據(jù)研究脈沖星計時方面的文獻報道[17]，部分脈沖星的周期穩(wěn)定性很高，可達10-21以上量級，脈沖星能夠提供更為穩(wěn)定的時間參考。

授時是把標準時間和標準時間單位（秒長）傳遞給用戶的技術(shù)，授時距離超過一定的空間范圍將不再適用，原理上不符合空間計量理論的“同一坐標系同時性”原理。有文獻計算，受相對論效應影響，火星原時與地球質(zhì)心坐標時在1年內(nèi)的累計誤差可達0.2 s[18]。由此可知，在地球之外，現(xiàn)有的守時-授時技術(shù)在統(tǒng)一時間的問題上有理論缺陷。

2 相對時間觀與絕對時間觀

相對時間觀顛覆了傳統(tǒng)的絕對時間觀。要理解空間守時系統(tǒng)概念，先要了解兩種時間觀點的差異。愛因斯坦提出了廣義相對性原理：“一切參考系都是平權(quán)的，物理定律在任何坐標系下形式都不改變，即具有廣義協(xié)變性”。局域坐標系內(nèi)的參考時間是用SI秒測量的本地原時，原子鐘復現(xiàn)的原時是上述原理的基礎(chǔ)。不同局域坐標系之間相互觀測對方的時間坐標軸是不均勻的。他們的區(qū)別如下：

（1）標準時間惟一性：絕對時間觀認同標準時間的惟一性，用授時信號使用戶同步到標準時間上。相對守時觀認為每個局域都有自己的原時和坐標時，標準時間不唯一；

（2）時間統(tǒng)一的技術(shù)：絕對時間觀利用授時信號實現(xiàn)標準時間和標準秒長的傳遞，達到時間統(tǒng)一的目的。相對時間觀用坐標時來統(tǒng)一時間，認為脈沖星能復現(xiàn)坐標時，但是測量脈沖星必須使用自己的原時和軌道參數(shù)；

（3）相對論效應簡化常數(shù)：絕對時間觀認為相對效應影響可簡化為LG、LB等變換常數(shù)，用線性關(guān)系傳遞地球和太陽系的坐標時。相對時間觀認為相對論效應是受軌道參數(shù)影響的，而LG、LB等的所謂常數(shù)僅僅適用于地球軌道，不適用于地球以外；

（4）均勻流逝的時間：絕對時間觀認為標準時間是均勻流逝的，各處均能用標準時間均勻刻度時間坐標軸。相對時間觀認為原時是均勻流逝的，別人的原時不均勻，所謂授時信號在跨越不同局域后變得不均勻；

（5）歷表的索引時間：絕對時間觀認為天體的軌道參數(shù)歷表，其索引時間是地球動力學時間和太陽系質(zhì)心坐標時時間。相對時間觀認為歷表的索引時間應該是觀者的原時；

（6）同時性的約束條件：絕對時間觀認為標準時間可以不考慮空間位置，授時技術(shù)能夠同步處于不同位置上的時鐘。相對時間觀認為空間和時間不可分割，同時性只能定義在同一個坐標系內(nèi)，不同坐標系之間的同時性沒有定義。

通過上述比較，澄清了現(xiàn)階段對時間的模糊理解。絕對時間觀和標準時間以及授時技術(shù)是當前使用的最經(jīng)濟的、局部可實現(xiàn)的、普通大眾容易理解的時間統(tǒng)一方式，但是其理論基礎(chǔ)不是相對論，適用范圍受到限制。相對時間觀是更接近愛因斯坦相對論的、更適用于廣域中不同局域觀者之間的時間統(tǒng)一方式。把現(xiàn)在惟一的僅在大地水準面上復現(xiàn)的標準時間分成兩個時間基準，一個是與各自軌道參數(shù)綁定的原時，另一個是在廣域坐標系內(nèi)一致認同的坐標時，兩者不可相互替代。計量學把銫原子頻率常數(shù)作為約定的基本物理量，作為7個基本物理常數(shù)之一。對于兩個時間基準，把脈沖星們的周期約定為常數(shù)（數(shù)組），再用脈沖星復現(xiàn)的坐標時來統(tǒng)一地球以外時間，可以引領(lǐng)未來時間計量的新變革。

3 構(gòu)建空間守時系統(tǒng)

目前空間守時系統(tǒng)的定義[19]為“建立在太陽質(zhì)心坐標系上，以SI秒定義、銫原子鐘和脈沖星為基礎(chǔ)，測量原時，統(tǒng)一坐標時的時間測量系統(tǒng)”?？臻g守時系統(tǒng)，也稱為太陽系內(nèi)的守時系統(tǒng)。當前守時-授時規(guī)則適用于局域內(nèi)部，也能照搬到其他天體，如火星的局域。兩種統(tǒng)一時間的方法有如下不同之處：

（1）守時觀點不同?？臻g守時系統(tǒng)認同相對時間觀，認為原時不能統(tǒng)一，在時間單位的約定是一致的前提下，不同局域坐標系上有各自獨立的守時系統(tǒng)。現(xiàn)有守時系統(tǒng)則認同絕對時間觀，認為在大地水準面上復現(xiàn)的標準時間是惟一的，其他局域的鐘應保持與標準時間同步；

（2）空間參考系不同。空間守時系統(tǒng)以太陽系的質(zhì)量中心作為坐標原點，脈沖星發(fā)出的電磁波進入太陽系內(nèi)可視為平面波。平面波經(jīng)過原點的時間為坐標時，把坐標時作為統(tǒng)一時間的共同觀測物理量，每個局域的軌道參數(shù)（位置、引力勢和相對速度）若能查表獲知，就可以建立獨立的局域守時系統(tǒng)。現(xiàn)有守時系統(tǒng)是以地球質(zhì)心為坐標原點，約定了大地水準面引力常數(shù)，把地心坐標時（TCG）外推到大地水準面上，稱為地球時（TT），TT與TCG存在線性化的走速偏差。兩者使用范圍不同，是包含而不是排斥的關(guān)系；

（3）基準復現(xiàn)的機理不同?？臻g守時系統(tǒng)用脈沖星復現(xiàn)坐標時，用銫原子鐘復現(xiàn)原時，同時利用了微觀量子穩(wěn)定性和宏觀慣性穩(wěn)定性，讓兩者成為平等的、相互獨立的時間的基準?，F(xiàn)有守時系統(tǒng)僅僅依賴多臺原子鐘的加權(quán)平均，脈沖星周期的穩(wěn)定性從屬于量子能級躍遷的穩(wěn)定性，不是平等關(guān)系；

（4）中心化與去中心化?？臻g守時系統(tǒng)是去中心化的開放系統(tǒng)，任何局域系統(tǒng)只要其軌道參數(shù)可測，就能成為獨立的局域守時系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間沒有授時關(guān)系。現(xiàn)有守時系統(tǒng)的中心是大地水準面上的守時原子鐘，是以BIPM為中心的時間測量系統(tǒng)；

（5）閉環(huán)反饋機理不同。若已知脈沖周期、方位角、脈沖輪廓等信息，在約定初始歷元，讓各子系統(tǒng)之間相互廣播某脈沖序號的脈沖到達原點的坐標時間，依據(jù)少數(shù)服從多數(shù)、靠近平均值原則調(diào)整后，可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的反饋?，F(xiàn)有的守時系統(tǒng)用加權(quán)平均值作為反饋，受到大地水準面不穩(wěn)定的影響，長期來看存在整體性飄移。

空間守時系統(tǒng)與脈沖星導航兩者的關(guān)系是互逆的，空間守時系統(tǒng)把軌道參數(shù)作為已知量求解時間，而脈沖星導航把時間作為已知量求解軌道參數(shù)[20]。軌道參數(shù)是引力勢、速度和位置隨時間變化的函數(shù)，也叫歷表。一般情況下航天器或天體的歷表是周期性的?？臻g守時系統(tǒng)是脈沖星導航的基礎(chǔ)支撐，脈沖星導航是空間守時系統(tǒng)的典型應用案例[21]。

4 結(jié)語

在地球以外如何統(tǒng)一時間規(guī)則是空間計量領(lǐng)域最基礎(chǔ)的科學問題，空間守時系統(tǒng)可作為破解該難題的一個途徑，但不是惟一的，不論哪種途徑均離不開相對時間觀的指引?？臻g守時系統(tǒng)基于相對論理論和脈沖星觀測，建立宏觀宇宙空間尺度下的時空統(tǒng)一規(guī)則?？臻g守時系統(tǒng)不僅是深空探測器、脈沖星導航、飛出太陽系的航天器、引力波和黑洞探測等的重要基礎(chǔ)，而且能夠為月球、火星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六、小行星等天體量身定制其本地時間坐標軸和歷法規(guī)則，建立各局域守時系統(tǒng)之間時間換算的對照表?？臻g守時系統(tǒng)將為空間計量學科提供理論支撐，并為我國航天活動邁向更遠深空奠定重要基礎(chǔ)。