浅谈GNSS时间系统差异及转换原理

杨 宁

（中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029）

全球导航卫星系统是指能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统[1]。目前全球四大主要卫星导航系统包括美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略和中国的北斗卫星导航系统。GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，北斗也已服务全球，具有后发优势，性能相当先进；功能方面，北斗是四大系统中唯一具有区域短报文和全球短报文功能。格洛纳斯与北斗、GPS相比较，性能稍逊，且格洛纳斯轨道倾角较大，导致其在低纬度地区性能较差。伽利略观测量质量较好，但星载钟稳定性稍差。北斗卫星导航系统提供开放服务和授权服务两种服务，其中开放服务是向全球用户免费提供定位、测速和授时服务，定位精度优于10m，测速精度优于0.2m/s，授时精度优于20ns、服务可用性优于99%，亚太地区性能更优。

1 时间系统

1.1 世界时

通过观测恒星的视运动表达可分类出不同的时间系统，如春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日称为恒星时（Stellar Time，ST）；以太阳中心连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一太阳日称为太阳时，太阳时的参考称为太阳。格林尼治零子午线处的民用时称为世界时。以真太阳时的平均角速度在地球赤道上作周年视运动的平太阳作为参考的为平太阳时。若平太阳时起点为平子夜，称为世界时（Universal Time，UT0）。UT0进行极移改正后的世界时记为 UT1，在 UT1上进行地球自转周期性变化（如潮汐）改正后的世界时记为UT2。协调世界时（UTC）是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统，UTC与UT间的时刻差规定需要保持在0.9s以内，否则将采取闰秒的方式进行调整，闰秒的具体时间由国际计量局在2个月前通知各国的时间服务机构。

1.2 原子时

1967年10月，第十三届国际度量衡大会通过：以世界时 1958年1月1日0时为起点，以海平面上的铯133（Cs133）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡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。

1.3 GNSS时

GPS时，也称 GPS Time，GPST，由 GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时基准，与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。由于GPS时间没有闰秒，所以随着时间的积累，GPS时与 UTC时两者之间会逐渐出现整秒差异，即存在闰秒整数[2]。

GLONASS时间系统（GLONASST）是以莫斯科本地协调时来定义的，其值不仅与UTC存在3小时时差，同时为了保证GLONASS时间与该导航系统定义的椭球运动一致，还存在一个时间系统的差异，差异值由系统广播星历定期发布，其值一般小于1ms。

由于GPS与格洛纳斯两大卫星导航系统分别隶属于美国和俄罗斯两个超级大国，两国之间存在着激烈军事竞争且卫星导航系统建立目的非常明确即以服务于本国的军事国防需要，都是在保密状态下进行，因此，两大系统兼容性没有沟通的余地。但两者用于民用的相关信息公布后，GPS与格洛纳斯两时间系统可以通过中间量UTC来实现转换。

Galileo时间系统（GST）是一个连续的时标，GST时间起点为 1999年 8月 22日 UTC 00：00：00，与 ATI保持偏差小于33ns，GST和ATI的偏差，GST和UTC时间的偏差通过各种服务空间信号广播给用户。

北斗时（BeiDou Time，BDT）起始时间为2006年1月 1日协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）00时00分00秒，该时刻为BDT的原点；用儒略日的方法表达两者差异时，北斗周和GPS周相差1356周，北斗秒和GPS秒相差14s。国际规定DTAI=TAI-UTC=33s；BDT是（地方）原子时，不做闰秒调整，任何时候都在整数秒上与TAI（国际原子时）相差33s。

随着信息化、数字化和许多智能化技术的发展，现在国内外主流GNSS接收机都具备接收多星系统信号从而实现高精度定位。四大卫星导航系统的时间系统虽存在差异，但相互之间可以转换。目前主流GNSS多星系统接收机基本上都能接收四大卫星导航系统信号从而完成观测，将观测的原始值通过工具转换成RINEX格式，会发现观测文件O文件只有一个，包含了多个星系统的卫星观测数据，而导航文件N文件却有多个，分别对应不同的星系统，如：GPS广播星历*N文件、GLONASS广播星历*G文件、BD广播星历*C文件[2]。三种广播星历文件内容还存在差异，如图1、2、3。

图1 北斗卫星导航系统广播星历头文件

图2 格洛纳斯卫星导航系统广播星历头文件

图3 GPS卫星导航系统广播星历头文件

图1是北斗广播星历头文件，第三行表示的是北斗时与UTC时的改正数（BDUT），跳秒是4s；图2是格洛纳斯广播星历头文件，跳秒是18s；图3是GPS广播星历头文件，第7行是GPS时与UTC时的转换参数，跳秒是18s。从三个图可以看出，三者在时间系统信息还是有些差异，但都能与UTC之间建立联系，从而在数据处理时能统一时间基准。

2 GNSS时间转换

在卫星导航定位中时间系统有着十分重要的意义。卫星以每秒钟几公里的速度运行，相对于接收机而言，卫星的位置和速度都在不断变化，在卫星导航定位中对时间提出了很高的要求。因此如果要精确的测定卫星到接收机的距离，必须要精确的测定信号的传播时间[3]。GPST属于原子时系统，其秒长与ATI相同，GPST基于协调世界时UTC。GPS与ATI、UTC三者之间存在如下关系：

2017年1月1日实施一个正闰秒[2]，即增加1s，截止2017年1月1日，协调世界UTC与GPST时的差为17s，经过本次闰秒调整后UTC比GPST慢18秒，即n值为37。

BDS系统在广播星历中播发BDT与UTC同步参数，终端可以实现BDT与UTC的相互转换。从1980年1月6日到2006年1月1日之间共有正闰秒14s，所以BDT与GPST之间有14秒差，因此BDT与UTC存在关系式为：

GLONASST以UTC作为时间基准。由于GLONASS控制部分的特性，使得GLONASST与俄罗斯维持的协调世界时UTC存在3个小时整数差以外，还存在1ms以内的系统时间差（&），关系如下：

Galileo时间系统（GST）是一个连续的时标，GST和ATI的偏差，GST和UTC时间的偏差具有以下关系式：

时间系统的统一就是选择一个中间变量，分别将各自系统时间转换到含有相同时间变量的关系式中，最终达到时间系统的统一。通过以上对GPS、BDS、GLONASS、Galileo时间框架定义的分析，四个系统的时间基准都能通过和UTC形成一定的联系。因此选择UTC作为四系统统一的中间变量，即可实现不同时间系统的统一，具体转换关系如式（7）～式（10）所示。

3 结 论

GNSS具有全天候、高精度、高效率等定位优势多星座融合定位中，接收机同时接收不同星座卫星信息，由于时间系统是导航定位的参考基准，任何导航定位都是在一定的时空参考框架内进行的，若不进行统一或转换，得不到准确的传播时间，则测定不出精确的卫星到接收机的距离，无法进行精确定位，从而无法保证测量精度。

（1）简述了四大主流全球卫星导航系统基本优缺点、伪距测量基本原理、常用时间系统，四大卫星导航时间系统都可以通过UTC中间量来实现相互之间转换。

（2）在GNSS数据处理通用RINEX文件时，需要注意观测文件与导航文件中包含的时间系统信息。比较分析北斗、GPS、GLONASS和Galileo通用RINEX导航文件时间系统的差异，在进行高精度GNSS数据处理时需要通过时间转换才能下载到相对应用的各种精密文件。

（3）四大卫星时间系统有差异，也有联系，本文给出了四大时间系统之间的转换公式，构建统一的时间基准。