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【科普】卫星导航时间系统是什么?

浏览次数:199   更新时间:2017-07-21

卫星导航系统都是基于时间测量实现的,准确稳定的时间是卫星导航系统运行的最基础保障。时间参数作为卫星导航中时间信息的表现方式,它不仅是实现定位、测速等功能的前提保证,更直接关系着这系统的服务性能,有必要对卫星导航系统的时间参数进行全面的分析和测试。

什么是时间


时间虽然早被人所认识,但是确切地定义也是很困难的。有人说是伺机更替,也有人说是太阳东升西落的一天。时间其实就是描述实物发展运动的一把尺子,度量实物运动及变化过程的数学工具。时间包含时刻和时间间隔两个概念。


时刻是指实物发生某一现象的瞬间,在时间轴上用一个点表示,没有长短的意义,是只某一事件是什么时候发生的,时刻与物体的瞬时位置相对应。在天文学和卫星定位中,与所获数据对应的时刻也称历元。


时间间隔是指实物发生某一现象所经历的过程,是两个时刻之间的一段间隔。所以时间间隔测量也成为相对时间测量;时刻测量,相应地成为绝对时间测量。


时间基准包含时间原点(时刻)和时间尺度(时间段)。时间系统与坐标系统一样,应有其尺度(时间单位)与原点(其实历元)。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。不同的原点和尺度对应不同的时间系统。任何一个可观测的周期的运动现象,只要符合条件,都可以用作确定时间间隔。


为什么卫星导航系统需要建立时间系统


(a)导航卫星作为高空动态一直点,其位置是瞬息变化的,时间度量的精度就意味着空间位置的精度。


(b)卫星定位是通过测定一电磁波信号传播时间来测定站星距离的。例如:若要距离误差小于1厘米,则时间精度至少要求达3×l0-11秒。


基本时间系统

常用的时间尺度分为天文时和原子时。


天文时


天文时是人类通过天文测量来确定的时间尺度。一种是以地球自转为基础,如恒星时和太阳时。这两种时间系统都具有地方性,尺度不稳定不统一,因此,世界上规定以格林尼治地方时为标准时间,称之为世界时;另一种是以地球公转为基础,如历书时。


恒星时


以春分点为参考点,由春分点的周日视运动所确定的时间。时间尺度:春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日,一恒星日分为24个恒星时。起算原点:恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点,所以恒星时在数值上等于春分 点相对于本地子午圈的时角。


卫星导航定位相关的时间系统恒星时的特性:恒星时具有地方性,导致时间尺度不稳定。恒星时是以地球自转为基础的,由于岁差和章动的影响,春分点在天球上的位置并不确定(真恒星时、平恒星时)。因此,恒星时不具有统一的时间原点。


平太阳时


平太阳时的特性:平太阳时具有地方性,导致时间尺度不稳定。以平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日,含24平太阳小时。由于真太阳的视运动是不均匀的, 不能作为建立时间系统的参考点。因此,假设一个平太阳作为一个参考点。该平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度,且其在天球赤道上作周年视运动。


世界时(UT)


以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。世界时与平太阳时尺度基准相同,其差别仅在于起算点不同。时的特性:世界时虽然属全球性,但时间尺度还是不稳定



历书时


历书时是以地球公转周期为基础而建立的一种时间系统,1952年国际天文协会第八次会议决定:从1960年起,各国在编算天文年历中计算太阳、月亮和行星等的视位置时,一律不用世界时而采用以地球公转周期为基准的历书时。1958年国际天文协会第十届会议通过历书的确切定义是:“历书时是从公历1900年初附近,太阳几何平黄经为279°41′48.04″的瞬时起算,这一瞬时定为历书时1900年1月1日00时整。历书时秒长为历书时1900年1月1日00时瞬时的回归年长度的1/31556925.9747。” 1960至1968年历书时秒曾被釆用为时间的基本单位。


原子时


原子时是以物质的原子内部运动规律为基准的时间尺度。随着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难以满足要求。而原子中的电子在不同能级之间跃迁时会发射或者吸收一定频率的电磁波,并且该电磁波的频率值非常稳定。于是国际定义:秒长为铯原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631170周所持续的时间;起点:按国际协定取为1958年1月1日0时0秒,该瞬间原子时与世界时有差异(0.0039秒)。


国际原子时(TAI)


国际原子时是由国际计量局(BIPM)根据世界上约30多个国家70多个实验室350台左右原子钟提供数据处理得出的“国际时间标准”。国际原子时标是一种连续性时标,由1958年1月1日0时0分0秒起,以日、时、分、秒计算,原子时的准确度为每日数纳秒。

 

协调世界时(UTC)


人类的生活习惯是以地球自转为基础的昼日变化,但是存在地球自会不均匀的现象,时间是基准不能随意变化,所以使用原子时时间基准,但是照顾到人们使用的方便, 要将原子时和世界时进行结合,采用原子时的秒长,当和世界时的 差异超过±0. 9秒时,就使用跳秒方式加上1秒或减去1秒,这种 时间系统称之为协调世界时。既有时间原点,也有稳定的时间尺度。跳秒(Leapsecond):通常在6月30日或12月31日最后一秒。


导航卫星的时间系统

GPS时间系统(GPST)


GPS系统是测时测距系统。时间在 GPS测量中是一个基本的观测量。卫星的信号,卫星的运动,卫星的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定又要连续。为此,GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。GPS时间系统:采用原子时ATI秒长作为时间基准,时间的起算点定义在1980年1月6日的UTC0时。


GLONASS时间系统(GLONASST)


GLONASS的时间系统简 称GLONASS时间,它由GLONASS的中央同步器(CS)氢原子钟产生、维持,并以UTC为基准。

 

Galileo时间系统(GST)


Galileo时间系统(GST)基于一个连续运 行的原子时,它通过对一系列原子频率标准的整合来维持,其中以 氢原子钟为主钟。Galileo系统时间与国际原子时之间存在一个整秒 数的恒定差异,两者之间的秒内偏差被控制在28纳秒以内。


BDS时间系统(BDT)


北斗的时间基准为北斗时(BDT),BDT采用国际单位制(SI)秒为基本单位连续累计,起始历元为2006年1月1日协调世界时00时00分00秒。采用周和周内秒计数。BDT通过UTC(国家授时中心,NTSC)与国际UTC建立联系,BDT与UTC的偏差保持在100纳秒以内。BDT与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报。