GNSS时间系统及其术语的正确表达

熊爱成

(天津市陆海测绘有限公司，天津 300304)

0 引言

我国拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)作为全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)的重要组成部分，已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力[1]。至2016年底，国外在轨运行导航卫星85颗，在轨运行并提供导航服务的卫星66颗[2]，国外著名的GNSS除美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)外、还包括俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)、印度区域卫星导航系统(Indian regional navigational satellite system，IRNSS)及日本准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system，QZSS)。为了提升导航定位的服务能力，必须充分利用空中各种GNSS卫星的定位信息，多GNSS的综合应用是一种必然的选择。

多GNSS的集成应用，首先需要处理的问题就是空间和时间基准的统一；GNSS测量在本质上是对时间的测量[3]。由于GNSS卫星发送的导航定位信息传播到GNSS接收机的速度约为3×105km/s，1 ms的时间偏差就能引起300 km的测距误差，因此高精度的时间测量和表达是高精度GNSS测量的首要条件[3]。GPS发展最早，它设计出了表达时间系统的单位及其表达时间的相关术语，我国的中文文献几乎是照搬GPS这些概念，而没有顾及个别术语表达的确切含义，也没有顾及个别计量单位是否满足我国法定计量单位体系的要求。本文给出了GPS中表示时间的单位“星期(week)”及术语“历元(epoch)”、“年积日(day of year)”等的正确表示，以此正确表述对几个典型的表达进行了更正。

1 我国表示时间的法定计量单位

时间为最基本的国际单位制(The International System of Units，SI)单位，其符号为s，中文名称为秒。SI单位和国家选定的其他计量单位为我国的法定计量单位，文献[4]给出了我国表示时间的法定计量单位，如表1所示。

表1 我国表示法定的时间计量单位

2 GNSS的时间系统

当前世界上各个GNSS时间系统都采用国际原子时(international atomic time，TAI)，TAI秒长的定义为：位于海平面上的铯133 原子基态2个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射振荡9 192 631 770个周期所持续的时间，为一原子时秒[5]。但由于各个GNSS建设的时间不同，定义时间系统的起始点、表示方法等具有差异。

2.1 GPS时间系统

GPS建立了专用的时间系统即GPS时(GPS time，GPST)，GPST的起始点是协调世界时(coordinated universal time，UTC)1980-01-06 T 00∶00∶00，以此时刻开始，以星期(week)数及星期内的秒数即星期内秒(second of week，SOW)计数[6]。1980-01-06是星期天。星期计时的开始时刻为每个星期六子夜与星期天凌晨之交，如果用数字对一个星期之内的天数进行标注，则星期天可以赋值“0”，星期一则赋值“1”，按照这样的赋值方法，星期六则应该赋值“6”。

GPS的0星期为GPST计时的起点。在每一星期内，时间以星期内秒表示，其范围为0～604 800(60×60×24) s。有时候需要将SOW分割成星期内天(day of week，DOW)数及天内秒(second of day，SOD)数，DOW的取值范围为0～6 d，SOD的取值范围为0～86 400 s。

当前在大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位等诸多应用领域，广泛使用的时间系统是仍然是世界时(universal time，UT)[5]。由于潮汐效应、厄尔尼诺现象及强地磁暴等已知或未知的因素，导致地球自转速度长期变慢的趋势。近二十年来，UT每年比TAI约慢1 s。为了避免发播的TAI与UT之间产生过大偏差，从1972 年起便采用了UTC[5]。UTC与TAI之间的转换关系为

tTAI=tUTC+1×n

(1)

式中：tTAI为每时刻的国际原子时，单位为s；tUTC为该时刻的协调世界时，单位为s；n为调整参数，该参数由国际地球自转服务组织(International Earth Rotation Service，IERS)发布。

GPST与TAI之间的转换关系为

tTAI=tGPST+19

(2)

式中：tGPST为某时刻的GPS时，单位为s。

2.2 GLONASS时间系统[3]

GLONASS时间(GLONASS time，GLONASST)也是基于UTC的，以莫斯科时间为参考，包含闰秒。GLONASST与UTC粗略的转换关系为

tGLONASST=tUTC+10 800

(3)

式中tGLONASST为某时刻的GLONASS时，单位为s。

2.3 BDS时间系统[3]

BDS的时间系统为BDS时(BDS time，BDT)，不闰秒，起始时刻为2006-01-01 T 00：00：00，采用星期和星期内秒计数。BDT与GPST的粗略转换为

tBDT=tGPST-14

(4)

式中tBDT为某时刻的BDS时，单位为s。

2.4 Galileo时间系统[3]

Galileo的时间系统为Galileo时(Galileo system time，GST)，起算时刻为1999-08-22 T 00：00：00。Galileo时与UTC之间的转换为

tGST=tGPS+Δt

(5)

Δt=A0G+A1G(TOW-t0G+604 800((WN-
WN0G)mod64))

(6)

式中：tGST为Galileo时；A0G为系统时间偏差的常数项；A1G为偏差的速率；TOW为以s计数的一星期时间长度；t0G为GST与GPST偏差的参考值；WN为GST的星期数；WN0G为GPST和GST星期数的偏差值；mod为模运算函数。

3 GNSS时间的正确表述

时间包含“时刻”和“时间间隔”2个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间；时间间隔是指发生某一现象经历的过程，是这一过程始末的时刻之差[7]。因此在表达时间这个概念时，需要明确表示时间指的“时刻”还是“时间间隔”。

为了交流方便，全世界的时间体系必须保持一致，否则就会引起混乱。时间体系的一致包括时间量值的一致及时间单位的一致，时间量值的一致性通过各国计时器与基准器进行比对完成；而时间单位的一致则除了需要SI对时间单位的要求外，还必须满足各自国家对时间单位表达的法律法规要求。

为了达到全世界时间量值的统一，需要对时间进行测量。对时间间隔测量，称为相对时间测量；对时刻的测量，称为绝对时间测量[7]。

3.1 时间单位“week”的正确表述

在GPST的表述中，“week”是经常用到的一个时间单位。按照英汉词典的解释，“week”最通俗的解释就是“星期，周”。虽然在日常用语中，我国经常把7 d的时间间隔说成为成为一周时间，但在我国的时间计量单位体系中(见表1)，时间的计量单位中不包含“周”，文献[8]详细论述了不能够将“周”作为计量单位的缘由，因此在涉及表示GNSS时间时，需要将过去文献中常见的“周数”“周内秒”正确表达成“星期数”“星期内秒”。

文献[9]将GPST中常用的术语“week number”翻译成“周计数”，这是不恰当的。查遍“number”作名词时的含义，均不包含“计数”的意思，“计数”对应的英文应该是“count”。

3.2 “epoch”的正确表述

文献[10]给出了“epoch”的3个定义，第1个定义为：(a)an event or a time marked by an event that begins a new period or development，翻译成中文为“一个事件或由一个事件记录的一个时间，这个事件开始一个新周期或进程”；(b)a memorable event or date，翻译成中文为“一个值得纪念的事件或日期”。第2个定义为：(a)an extended period of time usually characterized by a distinctive development or by a memorable series of events，翻译成中文为“通常以一个特别的进程或一系列值得关注的事件为特征的一个持续的时间段”；(b)a division of geologic time less than a period and greater than an age，翻译成中文为“一段地质时期，它小于一个纪，且大于一个代(或期)”。第3个定义为：an instant of time or a date selected as a point of reference(as in astronomy)，翻译成中文为“在天文学中选作为一个参考点的一个时刻或一个日期”。根据这些论述，用“epoch”表示时间时，具有多个含义，包含了发生某件事情的“时刻”和某件事情持续的“时间间隔”，文献[9]将“epoch”翻译成“历元”，定义成“表示一个事件的参考时刻。”而忽略掉了“epoch”还有表示“时间间隔”的含义，我国表示时间的法定计量单位中没有包含“历元”这样的单位。因此在使用历元这个概念时，需要区分“历元”是“表示时刻”还是表示“时间间隔”。例如文献[11]在表示“历元”时，就没有区分历元表示的是“时刻”还是“时间间隔”，图1为文献[11]的原图1及修改表达后的结果。

3.3 “DOY”的正确表述

年积日(day of year，DOY)是从每年1月1日开始计数的天数，具有排列次序的含义；与常见的“数词和量词”表达的含义完全不同。例如年积日3天，确切含义是表示某年的第3天；而不是表示这一年中任何时间段中的3 d。因此在表示年积日后面这个序数词时，需要表示成“年积日第x天”，而不能够表示成“年积日xd”。目前在表达年积日后面时间的概念时较为混乱，通常表示成“年积日x天”、“年积日xd”或者“年积日/天”，例如文献文献[12]将其表示成“年积日/天”，图2为文献[12]的原图4及修改表达后的结果。

3.4 “月”的正确表述

虽然“月”属于我国的时间计量单位，似乎可以和数字连用。但在中文表达中，“12以内数字”与“月”连用已经构成了固定表达，具有表示次序的含义，例如汉语的“3月”表达是每年的第3个月，也称为3月份，对应的英语是“March”，而不是“3 months”；同样在将“3 months”翻译成为中文时，需要将其翻译成“3个月”，而不是“3月”。因此在表达时间“月”时，同样需要区分是表达数量还是表达顺序，例如文献[13]在表示“月”时，就没有对“月”进行区分，显得不严谨。图3为文献[13]的原图2(d)及修改表达后的结果。

4 结束语

各种GNSS系统正在如火如荼地发展，GNSS接收机也能够同时接收到多个GNSS导航卫星的测量信号，要充分利用这些信息，统一各个GNSS的时间系统首要前提之一。统一时间系统不仅仅是需要将量值进行统一，而且需要将时间的单位纳入本国的计量单位制中。由于GPS系统发展最早，后续的GNSS系统几乎是以GPS系统为模板进行发展的，许多术语也来自GPS系统的术语，本文所列举的几个涉及时间的单位及术语，几乎都源自GPS的时间单位及术语。由于最初在引入这些时间单位及术语并将其翻译成中文时，没有详细推敲其真实含义，导致不规范的应用延续了很长时间。

在我国使用的计量单位，都应该满足我国计量法规对单位制的要求。为了避免非法定计量单位及不确切的表述继续在我国的科技文献中继续流行，建议国家有关部门出台相应的指导意见，规范“week”“epoch”“DOY”“月”等计量单位及术语的正确用法。