GPS时间系统概述和世界时系统

6．1  GPS时间系统概述

　　时间包含“时刻”和“时间间隔”2个概念。所谓时刻，即发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中、与所获数据对应的时刻也称为历元。时间间隔则是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。所以，时间间隔测量也称为相对时间测量，而时刻测量相应地称为绝对时间测量。

　　要测量时间，必须建立一个测量基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）其中，时间的尺度是关键．而原点可以根据实际应用加以选定。一般地，任何一个可观察的周期运动现象，只要符合以下要求．都可以用做确定时问的基推：

　　（1）运动应是连续的，周期性的。

　　（2）运动的周期应具有充分的稳定性。

　　（3）运动的周期必须具有复现性、即要求在任何地方和时间，都可以通过观测和实验，复现这种周期性运动。

　　时间测量基准不同，则描述的时刻和时间间隔都不相同，从而得到了不同的时间系统。

　　在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，因而也是人类利用卫星进行定位的重要基难。

　　在GPS卫星定位中，时间系统的重要意义主要表现为如下几点。

　　（1）GPS卫星作为一个高空观测目标，其位置是不断变化的。因此，在给出卫星运行位置的同时．必须给出相应的瞬间时刻。例如，当要求GPS卫星的位置误差小于1M时，则相应的时刻误差应小于2．6xl0。

　　（2）GPS定位是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号来确定用户接收机（即观测站）至卫星间的距离（或距离差），进而确定观测站的位置的。因此，准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要求其距离误差小于1M，则信号传播时间的测定误差应小于3xlo—10。

　　（3）由于地球的自转，地球上点在天球坐标系中的位置是不断交化的。若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间的测定误差应小于2x10-5s。

　　显然，利用GPS进行精密的导航与测量，应尽可能获得高精度的时间信息。描述时间的系统有多种，与GPS定位相关的主要有恒星时、原子时和力学时3种。

　　 GPS世界时系统

　　世界时系统是以地球自转为基推的一种时间系统。然而，由于观察地球自转运动时，所选的空间参考点不同．世界时系统又包括恒星时、平太阳时和世界时。

　　1．恒星时

　　以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间，称为恒星时（5dErhlTime，2T）。春分点连续2次经过本地子午困的时间间隔为1恒星日，等于24个恒星时。因为恒星时以春分点通过本地子午田时刻（上中天）为起算原点，所以恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午困的时角。恒星时具有地方性．同一瞬间对应的不同测站的恒星时各不相同，所以恒星时也称为地方恒星时。

　　恒星时是以地球自转为基础，并与地球自转角度相对应的时间系统。由于岁差、牵动的影响，地球自转轴在空间的指向是变化的，春分点在天球上的位置并不固定，所以对于同一历元，相应地有真北天极和平北天极，对应也有真春分点和平春分点之分。因此，相应的恒星时也有恒星时与乎恒星时之分。

　　2．平太阳时

　　地球围绕太阳公转的轨道为一椭圆，根据天体运动的开晋勒定律可知．太阳的视运动速度是不均匀的。若以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，则将不符合建立时间系统的基本要求。所以，假设一个平太阳以真太阳同年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动，其周期与真太阳一致，则以此平太阳为参考点，由乎太阳的周日视运动所定义的时间系统为平太阳时（MGPSbLarTime，M6T）系统。平太阳连续2次经过本地子午团的时间间隔为1个平太阳日，而1个平太阳日分为24个平太阳时。与恒星时一样，乎太阳时也具有地方性，故常称为地方平太阳时或地方时。

　　2．0．3原子时

　　随着地球空间信息科学技术的发展和应用．对时间准确度和稳定度的要求不断提高，以地球自转为基础的世界时系统已难以满足要求。为此，人们自20世纪50年代起便建立了以物质内部原子运动的特征为基础的原子时系统（AroM。Time，AT）。

　　因为物质内部的原子跃迁，所辐射和吸收的电磁波频率具有很高的稳定性和复现性，所以．由此而建立的原子时成为当代最理想的时间系统：

　　原子时秒长的定义为：位于海平面上的。sl“原子基态有2个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒。该原于时秒作为国际单位制（sI）秒的时间单位。

　　原子时出现后，得到了迅速的发展和广泛的应用，许多国家都建立了各自的地方原子时系统，但不同的地方原子时之间存在着差异。为此，国际上大约有100座原子钟，通过相互对比，并经数据处理，推算出统一的原子时系统，称为国际原子时。

　　在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编算的，其中采用丁时间参数丁，该参数定义为力学时.

　　根据运动方程和对应参考点的不同，力学时分为2种：①相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数，称为太阳系质心力学时；⑦相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数，称为地球质心力学时。

　　在GPS定位中，地球质心力学时作为一种严格均匀的时间尺度和独立变量．被用于描述卫星的运动。

　　地球质心力学时的基本单位是国际单位制秒，与原子时的尺度一致：合会规定1977年1月1日原子时0时与地球质心力学时的严格关系为

　　TDT＝IAT十32．184（s）

　　2．6．5协调世界时

　　在大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟综定位等应用部门，当前仍需要以地球自转为基础的世界时。但是，由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近2D年来，世界时每年比原于时约慢1s，两者之差逐年积累。为了避免播发的原子时与世界时之间产生过大的偏差，所以．自1972年开始使采用了一种以原于时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折中的时间系统，该时间系统称为协调世界时，简称协调时。

　　协调时的秒长严格等于原子时的秒长．采用闰秒（或跳秒）的办法使协调时与世界时的时刻相接近，当协调时与世界时的时刻差超过十o．9s时，便在协调时中引入1闰秒（正或负），闰秒一般在12月31日或6月30日末加入。具体日期由国际地球自转服务组织（1ERS）安排井通告。

　　目前，几乎所有国家均以UTC为基准进行时号的播发。时号播发的同步精度约为正负0.2ms。考虑到电离层拆射的影响，在一个台站上接收世界各国时号的误差将不会超过正负0.1ms。

　　 GRS时间系统

　　为了精密导航和测量的需要，GPS建立了专用的时间系统。该系统可简写为GPS由GPS主控站的原子钟控制，规定GPS与协调时的时刻于1980年1月6日0时相一致。其后随着时间的积累两者之间的差别将表现为秒的整倍数：