陳洪卿，王振偉

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GPS系統(tǒng)時(shí)間及其與其他時(shí)間的關(guān)系

陳洪卿1，王振偉2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 清華大學(xué) 電子工程系，北京 100039）

指出不同授時(shí)規(guī)范對(duì)“GPS系統(tǒng)時(shí)間”定義、解釋的差異，給出比較清楚和綜合的“GPS系統(tǒng)時(shí)間”理解，這會(huì)有益于北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)組合PNT（定位、導(dǎo)航、授時(shí)）應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化。

GPS系統(tǒng)時(shí)間；系統(tǒng)時(shí)間；周內(nèi)時(shí)間；星期（周）數(shù)；協(xié)調(diào)世界時(shí)

0 引言

在認(rèn)識(shí)、了解、應(yīng)用以GPS為代表的GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)定位、導(dǎo)航、授時(shí)（PNT）過程中，一個(gè)繞不過去的術(shù)語是“GPS系統(tǒng)時(shí)間”，簡(jiǎn)稱為“GPS時(shí)”（GPS system time，GPST），有些場(chǎng)合又稱之為“GPS時(shí)間系統(tǒng)”。與口語俗稱GPS接收機(jī)輸出的“1PPS、TOD時(shí)間信號(hào)/信息”為“GPS時(shí)間”不同，在GB/T 19391—2003《全球定位系統(tǒng)（GPS）術(shù)語及定義》中，規(guī)定“GPS時(shí)間（GPS time），俗稱GPS系統(tǒng)時(shí)間，根據(jù)地面監(jiān)控站和衛(wèi)星上的原子鐘的時(shí)間加權(quán)而得到的，作為GPS信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)（第5.17款）[1]”。

事實(shí)上，名詞“GPS系統(tǒng)時(shí)間”于2001年就出現(xiàn)在通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1108—2001《CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)無線同步雙模（GPS/GLONASS）接收機(jī)性能要求及其基站間接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》之中，有關(guān)條款內(nèi)容是“為了與原CDMA無線同步系統(tǒng)中的單GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間格式相同，GPS時(shí)間采用USNO的時(shí)間格式。該時(shí)間作為位置/狀態(tài)/數(shù)據(jù)消息中輸出的時(shí)間類型，以及接收機(jī)輸出1PPS定時(shí)脈沖時(shí)的同步點(diǎn)[2]”。

2011年中國(guó)電信股份有限公司頒布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)電信CDMA無線同步雙模（北斗/GPS）接收機(jī)設(shè)備接口技術(shù)要求》中有“授時(shí)設(shè)備輸出時(shí)間格式應(yīng)為GPS系統(tǒng)時(shí)間（用周計(jì)數(shù)和周內(nèi)秒數(shù)表征的）格式，如果當(dāng)前授時(shí)源為北斗，應(yīng)將北斗系統(tǒng)時(shí)間（或UTC時(shí)間）轉(zhuǎn)換為（用GPS周計(jì)數(shù)和周內(nèi)秒數(shù)表征的）GPS系統(tǒng)時(shí)間格式輸出”。

凡此種種，在多種標(biāo)準(zhǔn)的文本和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)“GPS系統(tǒng)時(shí)間”這一術(shù)語，究竟應(yīng)該如何認(rèn)識(shí)、界定、解釋和使用，不得不引起思考。目前，世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，均有各自的“導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間”。鑒于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正加速建設(shè)，四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相互兼容形成GNSS系統(tǒng)增強(qiáng)應(yīng)用，也是世界大勢(shì)所趨，本文從討論、認(rèn)識(shí)術(shù)語“GPS系統(tǒng)時(shí)間”入手，拋磚引玉，希望在涉及衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)與應(yīng)用的各種場(chǎng)合，能全面認(rèn)知與規(guī)范使用“導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間”這一概念，推進(jìn)北斗授時(shí)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，與國(guó)際原子時(shí)TAI、協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC等時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)接軌，推進(jìn)授時(shí)（術(shù)語）標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)GNSS授時(shí)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化。

1 “GPS系統(tǒng)時(shí)間”表述與界定

由引言中幾種“GPS系統(tǒng)時(shí)間”的中文定義、描述和使用情況可以看出，從不同角度所認(rèn)識(shí)和描述的“GPS系統(tǒng)時(shí)間”不盡相同。為推進(jìn)衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)與應(yīng)用，再三考據(jù)美國(guó)GPS聯(lián)隊(duì)（GPSW）SYSTEMS ENGINEERING & INTEGRATION的技術(shù)文件《Interface Specification IS-GPS-200（Revision D&E） Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces》中關(guān)于GPS系統(tǒng)時(shí)間和GPS周（星期）數(shù)的英文陳述[3-4]，筆者認(rèn)為，作為“控制GPS衛(wèi)星和地面系統(tǒng)整體運(yùn)行”作參考的“系統(tǒng)時(shí)間”，同時(shí)也作為時(shí)間業(yè)務(wù)、衛(wèi)星授時(shí)業(yè)務(wù)的專門“術(shù)語”，“GPS系統(tǒng)時(shí)間”——“GPST”的完整表述，應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

1）GPST的“歷元”：GPS時(shí)間起始?xì)v元為1980年1月6日00︰00︰00（UTC），該時(shí)刻為GPST的原點(diǎn)；此刻，國(guó)際規(guī)定DTAI＝TAI－UTC＝19 s；GPST是（地方）原子時(shí)，不作閏秒調(diào)整，任何時(shí)候（在整數(shù)秒上）都與TAI相差19 s，即GPST－TAI≡-19 s。

2）GPST的“秒長(zhǎng)”：GPS時(shí)間是一種原子時(shí)，它由主控站、監(jiān)控站和衛(wèi)星上所有的原子鐘，通過主控站內(nèi)部的時(shí)間比對(duì)和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)得到這些鐘的比對(duì)數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)脑訒r(shí)算法得到一個(gè)紙面時(shí)間尺度，并以UTC（USNO）作為參考基準(zhǔn)，對(duì)該紙面時(shí)間尺度作頻率駕馭，得到GPST的“秒長(zhǎng)”；累積GPST的86 400 s為1 d，累積604 800 s為1個(gè)GPST的星期（周）。

3）GPST的“星期（周）”和“星期（周）數(shù)”（GPS week number，WN）：GPS的“星期（周）”是GPST使用頻繁的最大時(shí)間計(jì)量單位，其長(zhǎng)度規(guī)定為604 800 s（GPST）。1980年1月6日的00︰00︰00（UTC）所在的“星期”為起始周（星期），不間斷累加計(jì)數(shù)，累千進(jìn)萬，在時(shí)間坐標(biāo)長(zhǎng)軸上不再返轉(zhuǎn)“置零”。

但是，需要特別指出的是，在GPS衛(wèi)星發(fā)播的各種導(dǎo)航電文消息中，對(duì)不同用途的“消息”，所設(shè)計(jì)的存置“GPS星期（周）數(shù)”消息的二進(jìn)制“比特”位數(shù)各不相同，并且是有限的，如WN消息是10 bit，對(duì)應(yīng)的“星期（數(shù)）”就只能為0~1023周（約20 a），WNa消息、WNLSF消息是8 bit，對(duì)應(yīng)的“星期（數(shù)）”為0~255周，而WNn消息、WNGGTO消息是13 bit，對(duì)應(yīng)的“星期（數(shù)）”則為0~8191周（約158 a）。

因存置消息的“比特位數(shù)受限制”所導(dǎo)致“翻轉(zhuǎn)”重新置零，使得電文消息中的GPST“星期（周）數(shù)”多次出現(xiàn)最小值（“0周”）和最大值問題，類似所謂“千年蟲”問題。這只是表明該“消息”表征“GPST星期（周）數(shù)”的能力（容量）不足，并不意味GPS時(shí)間軸上的GPS周（星期）數(shù)也受這些最小值、最大值的限制。

對(duì)UTC時(shí)間1980年1月6日（星期日）所在的“星期（周）”，GPS衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文“WN消息”中，給出GPST的“星期（周）數(shù)”值是二進(jìn)制的“0000000000”，也是十進(jìn)制的“0”。對(duì)1999年8月21日（星期六）所在的“星期（周）”，GPS衛(wèi)星“WN消息”給出GPST的“星期（周）數(shù)”值是二進(jìn)制的“1111111111”，即十進(jìn)制的“1023”。對(duì)1999年8月22日（星期日）所在的“星期（周）”，GPS衛(wèi)星“WN消息”給出值又“翻轉(zhuǎn)”重置為二進(jìn)制的“0000000000”，又是0周。實(shí)際上，這時(shí)在GPS“系統(tǒng)時(shí)間”的長(zhǎng)軸上，應(yīng)該是“0+1024”周。這時(shí)，若按“0”周去處理各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息或計(jì)算涉及時(shí)間過程的各種修正，就會(huì)出錯(cuò)，至少要影響精度。這就是1999年給人們帶來麻煩的GPS時(shí)間“千年蟲”問題。在GPS現(xiàn)代化進(jìn)程中，吸取上述教訓(xùn)，作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“補(bǔ)丁”，在更新設(shè)計(jì)的導(dǎo)航電文中增加了13 bit的“WNn消息”和“WNGGTO消息”，給出的GPST星期（周）數(shù)最大值是8191個(gè)星期（周），時(shí)間長(zhǎng)達(dá)158a，可以用于檢測(cè)、監(jiān)視、消除“WN消息”最大值為1023（周）、約20a就要出現(xiàn)1次的“千年蟲”麻煩。這就大大降低引發(fā)“千年蟲”麻煩的頻次。有鑒于此，北斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)衛(wèi)星導(dǎo)航電文中“星期（周）數(shù)消息”取13 bit。

4）GPST的“周內(nèi)時(shí)間（time of week，TOW）”：這也是GPS系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)和使用的時(shí)間。在GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文每一子幀的第2個(gè)交接字（HOW）中都用17 bit給出GPST的“周內(nèi)時(shí)間”，其“計(jì)數(shù)值”最小為0，最大值不超過604 800 s，與GPST的秒一一對(duì)應(yīng)；它在每星期六午夜/星期日00︰00︰00（GPST）開始該周的TOW計(jì)時(shí)，累加遞增，遞增的步進(jìn)單位長(zhǎng)度是4×1.5 s（這一點(diǎn)與北斗系統(tǒng)的SOW周內(nèi)秒計(jì)數(shù)略有不同），經(jīng)過1周（604 800 s）后又返回為0；同時(shí)GPST的“星期（周）數(shù)”也遞增1[5]。GPS系統(tǒng)有時(shí)也將星期日的00︰00︰00稱為該星期TOW計(jì)時(shí)的“參考原點(diǎn)”——周內(nèi)時(shí)間的“歷元”。

5）用GPST記事計(jì)時(shí)：可以用以“秒”為（計(jì)時(shí)）單位的GPST（秒計(jì)數(shù)）來記錄某一事件發(fā)生的確切時(shí)刻，即GPST＝（TOW+WN×604 800）s；也可以用GPST的“星期（周）數(shù)WN”（這是GPST時(shí)間軸上大于1 024的周數(shù)，不是導(dǎo)航電文消息的WN）和“周內(nèi)時(shí)間TOW（s）”組合表達(dá)某事件發(fā)生的確切時(shí)刻，如同人們用日期（年月日）和時(shí)間（時(shí)分秒——TOD）組合計(jì)時(shí)記事一樣。必要時(shí)，必須同時(shí)指出該時(shí)刻的GPST周內(nèi)時(shí)間（TOW→周內(nèi)的秒/分/時(shí)/星期幾（day number，DN））和GPST的星期（周）數(shù)。

GPST僅僅是表征、控制GPS系統(tǒng)運(yùn)行的“系統(tǒng)時(shí)間”，由該“系統(tǒng)時(shí)間”可以轉(zhuǎn)換獲得UTC等其他各種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、系統(tǒng)時(shí)間?？刂莆覈?guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的北斗時(shí)（BeiDou time，BDT）也是如此。因?yàn)檫@些“導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間”非常穩(wěn)恒，可以通過這些“導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間”比較精確而方便地?fù)Q算出通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC。UTC作為國(guó)際上共同參考的法定時(shí)間，是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)協(xié)調(diào)聯(lián)播的基礎(chǔ)，也是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)8601—2004和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7408—2005規(guī)定“信息交換”（國(guó)際）通用“日期和時(shí)間的表示”的參考（源）標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

6）GPST與UTC之差：GPST與UTC之間的時(shí)間差值包括2部分：“整數(shù)秒部分”和“小數(shù)秒部分”。差值的“整數(shù)秒部分”可表示為

GPST≈UTC＋DTAI－19 s （1）

式（1）中，DTAI＝TAI－UTC（整秒），是由國(guó)際文件定義的，是隨UTC發(fā)生閏秒事件而不同的變量，由國(guó)際授時(shí)組織適時(shí)公布和預(yù)報(bào)。GPST與UTC差值的“小數(shù)秒部分”（也稱“秒內(nèi)偏差”），被GPS系統(tǒng)控制在1μs之內(nèi)，故式（1）用約等號(hào)；過去幾年，該偏差被控制在幾百納秒之內(nèi)，通常小于40 ns[5]。

2011年10月，DTAI＝34s，GPST≈UTC＋15s，即用GPST計(jì)量標(biāo)示的某一事件發(fā)生時(shí)刻，要比用UTC計(jì)量的日期、時(shí)刻提前15s，GPST的“星期”歷元也比日常用UTC的“星期”歷元要早15s，其他如歲首、月初、閏秒發(fā)生時(shí)刻等等，都是如此。不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間之間及其與TAI，UTC的整秒數(shù)時(shí)間差換算，可參考表1。

表1 各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間之間及其與UTC的整數(shù)秒時(shí)差換算 s

表1中，UTC為協(xié)調(diào)世界時(shí)，TAI為國(guó)際原子時(shí)，GPST為GPS系統(tǒng)時(shí)間，GLOT為GLONASS（系統(tǒng)）時(shí)間，GST是GALILEO（系統(tǒng)）時(shí)間，BDT是BeiDou/Compass（系統(tǒng)）時(shí)間，DTAI＝TAI－UTC。對(duì)于任何日期，只要將相應(yīng)的DTAI值代入表1，即可得到各種時(shí)間之間的差值，例如對(duì)于2011年10月，DTAI＝34 s，將此代入表1，即可得到GPST－UTC＝15 s等。

在各個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航電文中的“星期（周）數(shù)”非“翻轉(zhuǎn)置零”時(shí)刻的之前或之后的相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)段中，GPST，BDT，GST這3者的“周數(shù)差”也是不變的。

嚴(yán)格地表述GPST與UTC的時(shí)間差，不但要同時(shí)考慮差值的“小數(shù)秒部分”和“整數(shù)秒部分”，有些特殊情況（在歲首、月初、周末、日時(shí)分的起算點(diǎn)）下，還要注意，在用大于“整秒”的“時(shí)間計(jì)量單位（日、星期、月、年）”表征“某事件發(fā)生時(shí)間（時(shí)刻）”時(shí)，會(huì)遇到表述上的差別。

7）GPST與衛(wèi)星（鐘）時(shí)間：每顆GPS衛(wèi)星按照本衛(wèi)星時(shí)鐘的時(shí)間驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射，GPS的地面監(jiān)控保證維持各衛(wèi)星（鐘）時(shí)間與GPST的差異小于1μs；但在衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文中，除遙測(cè)字（TLW）和交接字（HOW）的時(shí)間數(shù)據(jù)基于衛(wèi)星（鐘）時(shí)間以外，其余數(shù)據(jù)均以“系統(tǒng)時(shí)間”GPST為準(zhǔn)。

2 結(jié)語

控制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的北斗系統(tǒng)時(shí)間，簡(jiǎn)稱北斗時(shí)。作為運(yùn)行控制的時(shí)間尺度，它同樣也有BDT的歷元、秒長(zhǎng)、周內(nèi)秒（second of week，SOW）、星期（周）數(shù)（week number，WNBDT)；也要明確“BDT（系統(tǒng)）時(shí)間”與衛(wèi)星（鐘）時(shí)間的關(guān)系、BDT與UTC的關(guān)系、BDT與GPST等其他“導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間”的關(guān)系（換算）問題。同一事件發(fā)生的某一“瞬間”，在不同的“時(shí)間系統(tǒng)”（UTC，TAI，GPST，BDT，GST）會(huì)有不同的日期和時(shí)刻表征。為避免日期時(shí)刻標(biāo)記（記錄）相互混淆，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO曾頒布《數(shù)據(jù)元和交換格式，信息交換，日期和時(shí)間的表示》（ISO 8601—2004）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[6]，規(guī)定了信息交換涉及的時(shí)間、日期表示方法，并可溯源到國(guó)際UTC（法定）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。我國(guó)GB/T 7408—2005國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用ISO 8601。需要指明的是，ISO 8601已被“ISO 80000—32006量值和單位—第3部分：空間和時(shí)間”、“ISO/IEC 19785—12006信息技術(shù)—公共生物統(tǒng)計(jì)交換格式—第1部分：數(shù)據(jù)元（素）”、“DIN EN ISO 19128—2008地理信息網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器接口”、“DIN IEC 62455—2010國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和基于服務(wù)訪問的傳輸流（TS）”、“ISO/IEC 15944—2008信息技術(shù)—商業(yè)運(yùn)作綜覽—第5部分：作為外部強(qiáng)制源的司法領(lǐng)域要求的識(shí)別與參照”等眾多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)文件所引用，UTC和ISO 8601是在世界范圍內(nèi)被廣泛接受、采用的通用標(biāo)準(zhǔn)。為清楚陳述和規(guī)范使用四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間及其相互轉(zhuǎn)換應(yīng)用，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)已專項(xiàng)支持研究制定“衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在涉及北斗授時(shí)與GNSS 組合PNT 應(yīng)用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制、修訂過程中，有必要借鑒近20 多年對(duì)“GPS系統(tǒng)時(shí)間”尺度設(shè)計(jì)、界定不斷充實(shí)、完善的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，洋為中用，提升衛(wèi)星授時(shí)應(yīng)用效率，與國(guó)際接軌。

[1] GB/T 19391—2003, 全球定位系統(tǒng)(GPS)術(shù)語及定義[S]. 2003.

[2] YD/T 1108—2001, CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)無線同步雙模(GPS/GLONASS)接收機(jī)性能要求及其基站間接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2009.

[3] IS-GPS-200D, Interface Specification IS-GPS-200(Revision D) Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces[S]. 2004.

[4] IS-GPS-200E, Interface Specification IS-GPS-200(Revision E) Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces[S]. 2010.

[5] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 35-52.

[6] ISO 8601—2004, Data Elements and Interchange Formats-Information Interchange-Representation of Dates and Times[S]. 2004.

[7] GB/T 7408—2005, 數(shù)據(jù)元和交換格式—信息交換—時(shí)間和日期表示法[S]. 2005.

GPS system time and its relation with other time

CHEN Hong-qing1, WANG Zhen-wei2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Tsinghua University, Department of Electronic Engineering, Beijing 100039, China)

It is revealed that there are quite a few different definitions and explanations for GPS system time among various time-service specifications in China. The clearer and more comprehensive interpretation on the GPS system time is given, which may be useful to standardization and application of the combined PNT(positioning, navigation, time-service) for BeiDou and GPS.

GPS system time; system time; time of week(TOW); week number(WN); coordinated universal time(UTC)

P127.1

A

1674-0637(2012)04-0201-05

2011-11-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2009AA12Z328）

陳洪卿，男，副研究員，主要從事無線電授時(shí)技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化研究。