时间系统以及各GNSS系统时间的转换关系

Posted 2022-12-03 除了心跳都忘掉

时间系统

恒星时和太阳时都是以地球自转作为时间基准（或时间频率基准）的，区别在于量测自转时所选取的参考点不同。

1. 恒星时
   以春分点作为参考点。由于地球自转使春分点连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。
   由于岁差和章动的影响，地球自转轴在空间的方向是不断变化的，故春分点有真春分点和平春分点之分。相应的恒星时也有真恒星时和平恒星时之分。
2. 真太阳时
   以太阳中心作为参考点。太阳中心连续两次通过某地的子午圈的时间间隔称为一个真太阳日。
   真太阳时不具备作为一个时间系统的基本条件，因为真太阳时的长度是不相同的。这是因为：1）由于地球围绕太阳的公转轨道为一椭圆，根据开普勒行星运动三定律，其运动角速度是不相同的，在近日点处，运动角速度最大；在远日点处，运动角速度最小。2）地球公转是位于黄道平面，而时角是在赤道平面量度。
3. 平太阳时
   设一个假太阳，它和真太阳一样做周年视运动。但有两点不同：1）其周年视运动轨迹位于赤道平面而不是黄道平面。2）它在赤道上的运动角速度是恒定的，等于真太阳的平均角速度。
   这个假想的平太阳连续两次通过某地子午圈的时间间隔叫做一个平太阳日。
   以其为基础均匀分割后，可以获得平太阳时系统中的“小时”、“分”和“秒”。

平太阳时是一种地方时，位于不同经线上的两地的平太阳时是不同的。为了方便，需要有一个统一的标准时间。

1. 世界时（Universal Time）
   1884年在华盛顿召开的国际子午线会议决定，将全球分为24个标准时区。从格林尼治零子午线起，向东西各7.5°为0时区，然后向东每隔15°为一个时区，分别记为1，2，……，23时区。在同一时区，统一采用该时区中央子午线上的平太阳时，称为区时（Zone Time）。格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时（UT）。
   世界时是以地球自转周期作为时间基准的，随着科学技术水平的发展以及观测精度水平的提高，人们逐渐发现：1）地球自转的速度不是均匀的。它有长期减缓的总趋势，也有季节性变化，还有短周期的变化。2）地极在地球上的位置不是固定不变的，而是在不断移动，即存在极移现象。这意味着世界时不是一个完全均匀的时间系统。
   从1956年起，在世界时中引入了极移改正和地球自转速度的季节性改正。把经过极移改正后的世界时称为UT1，把再经过地球自转速度季节性改正的世界时称为UT2。
   需要特别指出的是，UT1反映了地球自转的真实情况，与地球自转角是直接联系在一起的，所以是进行GCRS和ITRS（WGS-84）坐标系的坐标转换中的一个重要参数。
2. 原子时（Atomic Time）
   国际原子时（TAI） 以世界时 1958 年 1 月 1 日 0 时为起点，以铯原子基态两级间跃迁辐射的 9192631770 周所需的时间作为 1 秒秒长定义的一种连续均匀的时间系统。

原子时能满足高精度确定时间间隔测量的要求，因而被广泛采用。但有不少领域，又与地球自转有密切关系，离不开世界时。由于原子时是一种均匀的时间系统，而地球自转存在不断变慢的长期趋势，这就意味着世界时的秒长将变得越来越长，所以原子时和世界时之间的差异将越来越明显。为了同时兼顾上述用户的要求，国际无线电科学协会于20世纪60年代建立了协调世界时UTC。

1. 协调世界时（UTC）
   协调世界时秒长严格等于原子时的秒长，而协调世界时与世界时UT间的时刻差规定需要保持在0.9s以内，否则采取闰秒（LeapSecond）的方式进行调整。增加1s称为正闰秒，减少1s称为负闰秒。
2. GPS时
   由GPS的地面监控系统和GPS卫星中的原子钟建立和维持的一种原子时，起点为1980年1月6日00h00m00s。值得注意的是，在起始时刻，GPS时与UTC对齐。
   由于UTC存在跳秒，因而经过一段时间后，这两种时间系统中就会相差N个整秒，N是这段时间内UTC的积累跳秒数。由于在GPS时的起始时刻，UTC与国际原子时TAI已相差19s，故GPS时与国际原子时之间总会有19s的差异，即TAI-GPST=19s。从理论上讲，TAI和GPST都是原子时，且都不跳秒，因而这两种时间系统之间应严格相差19s整。但TAI（UTC）是由BIPM据全球的约240台原子钟来共同维持的时间系统，而GPST是由全球定位系统中的数十台原子钟来维持的一种局部性的原子时，这两种时间系统之间除了相差若干整秒之外，还会有微小差异C0，即TAI-GPST=19s+C0
   因为 TAI-UTC=n（n为UTC总跳秒数）
   所以 UTC+n-GPST=19+C0
   得到 UTC=GPST+19-n+C0
   令 N=n-19
   得到 UTC=GPST-N+C0 （N为1980.1.6.0.0.0以来UTC的跳秒数）

转换关系