时间系统的研究

时间系统的研究报告

时间——做为一个基本参考，在描述自然现象的绝大多数方程中是不可缺少的一个变量，随着人们对自然和宇宙的深入研究，时间的重要性越发显示出来，人们的生活也越来越依靠于精确的时间。精密时间是现代高科技发展的必要条件，时间和频率的测量，几乎对所有科学和工程技术的实验工作都是不可缺少和非常重要的。从基础研究领域到工程技术领域的各个方面，每个系统内部运作或者不同系统之间的协调，都需要有统一的时间系统。从测量的领域来看，大地测量研究的对象是随时间变化的，观测量与时间密切相关，在卫星定位与导航中的时间系统，也是描述卫星位置的重要基准。

目前，度量时间主要有3种方式：世界时(UI)、原子时(TAI)和协调世界时(UTC)，本文主要对这三种时间系统的基本概念、特点和实际应用进行简要介绍，进一步阐述不同时间系统包括GPS时间系统之间的关系，最后对目前时间系统存在的问题和影响进行了讨论。一．时间系统简介

1.世界时

平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日，分为24个平太阳小时。以格林尼治子夜起算的平太阳时称为世界时（UT），即格林威治时间。未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的世界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为UT2。

世界时最初来自天文观测，是由地球自转周期得来的，是基于地

球自转的一种时间计量系统，反映了地球在空间的位置。第一个真正意义上世界公认的时间单位标准，是 1960 年规定的地球绕太阳公转的周期（一太阳年）为三千一百五十多万秒，它具有十分重要的天文价值，和地球上的人类生活息息相关。

2．原子时

原子时（TAI），指的是以原子频标为基础建立的时间标准。1967年第十三届国际计量大会确定了以铯原子辐射为基础的秒长定义，即铯133原子基态的两个超精细能级间在海平面零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间为原子时秒，并把它规定为国际单位制中的时间单位。原子时的时间起点定义在1958年1月1日0时0分0秒(UT2)，即规定在这一瞬间，原子时和世界时重合。TAI可适应最高要求的应用，主要体现在连续性、可靠性、可用性、频率稳定度和频率准确度等方面。

为了平衡各地的利益，TAI并不是一台原子钟的时间，而是国际权度局(BIPM)用分布在世界各地的这些实验室的总共25O个左右自由运转的原子钟的数据，采用ALGOS算法计算得到自由原子时EAL。TAI 则是参照基准频标，对自由原子时EAL经过频率修正后导出的。原子时是基于原子物理技术的一种更加均匀的时间系统，对于测量时间间隔非常重要。它的稳定性比天文秒高10万倍，能满足精密科学研究、导航、通信等部门的广泛需要。

3．协调世界时

世界时，是基于地球自转根据天文学观察得出的时间系统，但是地球自转速度受长期变化、季节变化和不规则变化等三个因素影响，总体使其趋慢，所以根据这个得出的时间当然也会相应不准确，总体上会越来越慢，使UT1与TAI的差值越来越大。相比而言，国际原原子时的准确度为每日数纳秒，而世界时的准确度为每日数毫秒。由于两种时间尺度速率上的差异，一般来说1～2年会差1秒。因此日常生活所用的时间采用一种折衷的时间尺度——协调世界时（UTC），它用原子时的速率，而在时刻上逼近世界时，所用方法就是“闰秒”，当协调世界时和世界时之差即将超过±0.9秒时，就对协调世界时作一整秒的调整。所以UTC的秒是很精确的，并且与UT1之间只会出现整秒的差异。用公式表示如下：

UTC(t)一TAI(t)=Ns(N为整数)，| UTC(t)一UT1(t)|

二．时间系统之间的关系

1． UTC和TAI与UI的关系

相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，时间尺度精度明显优于世界时，这对于测量时间间隔非常重要。但世界时反映了地球在空间与太阳的相对位置，对应于春夏秋冬、白

天黑夜的周期，是我们熟悉且在日常生活中必不可少的时间，同时在大地测量、天文导航等领域也有广泛的应用。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时(UTC)，UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预（闰秒），尽量靠近世界时。

通过对协调世界时作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC 和世界时的时刻之差保持在±0.9秒以内，增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或负跳秒）。到目前为止，由于地球转速越来越慢，都是拨慢1秒，负闰秒还没发生过是否闰秒，由国际地球自转服务组织（IERS）决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分59秒后插入1秒，插入后的时序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：…57秒，58秒，0秒，…，这一天是86399秒。

最近的一次闰秒是在2008年底实施的。2008年12月8日，国际地球自转服务组织（IERS）发布公报，协调世界时（UTC）将在2008年底实施一个正闰秒，即增加1秒。届时，所有的时钟将拨慢1秒。至2009年，UTC—TAI=一34秒。

跳秒始于1972年1月1日，在此之前UTC相对于TAI的调整调整采用调偏频率的方法。值得注意的是原子时与世界时分别来自于两个互不相干的系统，虽然协调时基本上解决了两者之间的协调问题，但是由

于地球自转速度越来越慢加之不均匀，闰秒时间间隔也不均匀。2．GPST和TAI与UTC的关系

GPS系统时间（GPST）的起点，定义在1980年1月6日0时（UTC），采用原子时秒长为单位，其系统时间和频率同步于美国海军实验室(USNO)主钟发布的UTC (USN0 MC)。在当时，GPST—TAI=一19s，与UTC 是一致的，之后随着UTC闰秒的增加，二者的差距逐渐增大。GPS由于没有跳秒，因此直到目前，GPS时间仍然非常接近于TAI减去19s。GPST 目前与UTC的差异为UTC—GPST=一15 s+C0，C0是GPS时间与UTC在秒小数上的差异。GPS系统主钟一直在进行定期的调整，以便在非整秒的时间尺度上与UTC (USNO MC)保持一致，目前二者的非整秒误差控制在40ns秒以内。

由于GPS时间不会随便跳闰秒，而且也可以很方便的获得，所以现在有一些对时间序列要求高的系统采用的是GPS 时间而不是UTC，比如某些手机网络。不过，现代GPS卫星信号已经包含UTC和GPS时间相差的秒数，导航电文中的GPGGA和GPRMC中本身已经将GPS时间转换为UTC时间了，所以地面接收器可以用GPS信号来比对UTC 时间，实际上，这就是目前最准确的UTC时间传播方式。

我国的北斗时间系统BDT，起点定义在2006年1月1日Oh（UTC），BDT—TAI=一33s。值得注意的是，由于GPST、BDT与TAI在原子时秒长实现上存在微小差异，因此它们之间除了整秒差外，还存在纳秒量级的时差，这对于精密时间比对来说可能需要考虑。

3．本地时间与其它时间的转换

本地时间＝ UTC＋时区差（北京时间＝ UTC＋8）

北京时间＝GPS时＋8小时－闰秒

GPS时间与UTC时间差了一个闰秒，卫星导航电文中采用的就是转换后的UTC时间。因为北京时间与UTC之间只存在时区变换，相差整数小时，GPS时间与UTC之间存在整秒的差异，所以北京时间与GPS 时间之间存在整秒的差异，也许现在差那么十几或者二十几秒。

另外，电视上的时钟远没有普通电台广播里的时钟精确，不要拿电视里的时间当作准确时间，他们一般会比实际时间晚几秒，尤其实非本地的数字电视更是如此，包括卫星传播的延时和MPEG编解码的延时都是在秒级的。

三．时间系统存在的问题及影响

由于目前存在的多个时间系统不一致，而且不断的闰秒也带来很多麻烦，因此对电信网络、导航系统和时间发布等领域带来很多不利的影响。比如飞机导航采用GPS时间，地面航空指挥台用UTC，二者的差异目前可以达到十几秒钟，将来可能有更大的差异，这很可能引起飞机相撞的空难。但如果把国际标准时间与地球自转分离，使它成为所有导航系统的共同标准时间，也会产生新的问题。比如在天文观测中，国际标准时间与地球自转同步，就意味着望远镜能在天空中正确的位置找到恒星或星系，否则望远镜不能正常工作，大部分跟踪卫星或其他移动天体的仪器会也会受到严重影响。在传统的观念中，时间的概念历源自于天文学，源自于地球的自转与公转，如果抛弃闰秒，用TAI作为标准时间，未来的人们对于过去时间概念的含义将变得模

糊不清，以后将会出现黑暗的子夜时分，时钟却敲击正午12点。

国际上已通过多次协调会议进行分析和讨论，希望尽可能缩小或消除闰秒带来的冲击，但由于时间系统涉及导航、天文观测、电信和网络定时等各个方面，何大的变化都会对电信网络、导航系统及时间的发布带来大的冲击。各方观点和立场存在明显差异，目前为止仍然没有得出任何争论各方都可接受的办法。因此，ITU组织还将收集各方面的意见，特别是世界时用户的意见，为未来时间系统的改进提供必要的参考，相信在不久的将来，国际社会对不同时间系统的协调一致，会取得令各方满意的结论性意见。