构建空间守时系统引领时间规则变革

刘 民，刘志宏，卢耀文，夏 天，王乾娟，刘碧野，朱振良，吴梦娟，何梓滨

（北京东方计量测试研究所，北京 100086）

0 引言

2021年7月28日，中国科学技术协会发布了2021年度十项前沿科学问题，《地球以外有统一的时间规则吗?》从400多项问题难题中脱颖而出，成为业内热议的科学问题[1]。时间规则是为统一时间而制定的测量和计算时间的方法，也称为时间计量[2]。对于未来的月球基地、火星基地，以及深空任务的航天器来说，“动钟变慢，弱引力势钟快”的相对论效应对原子钟的影响不可忽略[3-4]，基于守时-授时的统一时间规则不适用于远离地球的空间。如何统一时间仍是天文学、计量学、空间科学和技术领域共同问题。

国际天文联合会（IAU）以往的决议，引入了如地球时和地心坐标时之间的变换常数（LG）、质心动力学时与太阳系质心坐标时之间变换常数（LB），简化了对相对论效应的处理方法，给出地球上的时间到太阳系质心坐标时的换算关系[5]。然而这些所谓的常数仅适用于观者在地球上的情况，不适用于地球以外观者，IAU决议是“坐地观天”的特例[6]。以往的月球、火星、木星和小行星探测活动中，虽成功运用了天地时间同步技术[7]，但此孤立系统无需与其他系统发生联系，没有统一时间的必要。未来空间活动需多系统相互协作，地-月-火星-星际探测器之间要建立互联网络，进行超远距离的联合观测、空间预警侦察等与时间强相关的联合任务，需在有相对论效应的不同位置之间以及原点不同的坐标系之间构建统一时间的规则。空间计量正面临着此类时间统一的问题[8]。前期基于广义相对论的空间计量理论研究提出了有关时间计量的4方面推论[9]：同时性与坐标系的关系；时间单位与时间测量的关系；国际单位制（SI）秒的约定常数；以及铯原子钟和脉冲星两个时间基准。该理论进一步提出了统一时间的两种模式：“中心守时，局域授时”，和“局域原时，全域坐标时”。该理论还原了爱因斯坦广义相对论的初衷，把当前的一个标准时间恢复成“原时”和“坐标时”两个时间，让时间和空间不可分割。

1 当前守时-授时技术不能应用到地球以外的广域空间

在守时-授时模式中，国际上有400多台守时原子钟，按SI秒的定义复现秒长基准，经过相对论修正，换算到大地水准面上，获得本地原时。国际计量局（BIPM）比对各地的原时，计算出国际原子时（TAI），再结合与地球自转周期关联的世界时（UT1），用闰秒的方式协调TAI和UT1，发布标准时间（UTC）[10]，以上是“中心守时”的过程。不同局域之间，他们的相对速度和所处位置的引力势不一样，形成不同的相对论效应，其结果是出现原子钟走速差异[11-12]。那些位于大地水准面上，或修正后复现大地水准面SI秒的钟所测量的原时产生了地球标准时间[13-14]，其他钟都不能按SI秒定义的时间单位走时[15-16]。其他钟必须放弃自己的原时，同步于标准时间，这是“局域被授时”的过程。从工程实现的角度，考虑相对论效应改正的现有时间规则，可以解决近地空间和类地行星空间的时间统一问题。例如全球卫星导航系统（GNSS）以守时地面站为中心，按照“中心守时，局域授时”模式，向在轨卫星发出授时信号，星载原子钟无需再复现SI秒的定义，无需测量本地原时，驯服于授时信号，保证同步于标准时间。

据研究脉冲星计时方面的文献报道[17]，部分脉冲星的周期稳定性很高，可达10-21以上量级，脉冲星能够提供更为稳定的时间参考。

授时是把标准时间和标准时间单位（秒长）传递给用户的技术，授时距离超过一定的空间范围将不再适用，原理上不符合空间计量理论的“同一坐标系同时性”原理。有文献计算，受相对论效应影响，火星原时与地球质心坐标时在1年内的累计误差可达0.2 s[18]。由此可知，在地球之外，现有的守时-授时技术在统一时间的问题上有理论缺陷。

2 相对时间观与绝对时间观

相对时间观颠覆了传统的绝对时间观。要理解空间守时系统概念，先要了解两种时间观点的差异。爱因斯坦提出了广义相对性原理：“一切参考系都是平权的，物理定律在任何坐标系下形式都不改变，即具有广义协变性”。局域坐标系内的参考时间是用SI秒测量的本地原时，原子钟复现的原时是上述原理的基础。不同局域坐标系之间相互观测对方的时间坐标轴是不均匀的。他们的区别如下：

（1）标准时间惟一性：绝对时间观认同标准时间的惟一性，用授时信号使用户同步到标准时间上。相对守时观认为每个局域都有自己的原时和坐标时，标准时间不唯一；

（2）时间统一的技术：绝对时间观利用授时信号实现标准时间和标准秒长的传递，达到时间统一的目的。相对时间观用坐标时来统一时间，认为脉冲星能复现坐标时，但是测量脉冲星必须使用自己的原时和轨道参数；

（3）相对论效应简化常数：绝对时间观认为相对效应影响可简化为LG、LB等变换常数，用线性关系传递地球和太阳系的坐标时。相对时间观认为相对论效应是受轨道参数影响的，而LG、LB等的所谓常数仅仅适用于地球轨道，不适用于地球以外；

（4）均匀流逝的时间：绝对时间观认为标准时间是均匀流逝的，各处均能用标准时间均匀刻度时间坐标轴。相对时间观认为原时是均匀流逝的，别人的原时不均匀，所谓授时信号在跨越不同局域后变得不均匀；

（5）历表的索引时间：绝对时间观认为天体的轨道参数历表，其索引时间是地球动力学时间和太阳系质心坐标时时间。相对时间观认为历表的索引时间应该是观者的原时；

（6）同时性的约束条件：绝对时间观认为标准时间可以不考虑空间位置，授时技术能够同步处于不同位置上的时钟。相对时间观认为空间和时间不可分割，同时性只能定义在同一个坐标系内，不同坐标系之间的同时性没有定义。

通过上述比较，澄清了现阶段对时间的模糊理解。绝对时间观和标准时间以及授时技术是当前使用的最经济的、局部可实现的、普通大众容易理解的时间统一方式，但是其理论基础不是相对论，适用范围受到限制。相对时间观是更接近爱因斯坦相对论的、更适用于广域中不同局域观者之间的时间统一方式。把现在惟一的仅在大地水准面上复现的标准时间分成两个时间基准，一个是与各自轨道参数绑定的原时，另一个是在广域坐标系内一致认同的坐标时，两者不可相互替代。计量学把铯原子频率常数作为约定的基本物理量，作为7个基本物理常数之一。对于两个时间基准，把脉冲星们的周期约定为常数（数组），再用脉冲星复现的坐标时来统一地球以外时间，可以引领未来时间计量的新变革。

3 构建空间守时系统

目前空间守时系统的定义[19]为“建立在太阳质心坐标系上，以SI秒定义、铯原子钟和脉冲星为基础，测量原时，统一坐标时的时间测量系统”。空间守时系统，也称为太阳系内的守时系统。当前守时-授时规则适用于局域内部，也能照搬到其他天体，如火星的局域。两种统一时间的方法有如下不同之处：

（1）守时观点不同。空间守时系统认同相对时间观，认为原时不能统一，在时间单位的约定是一致的前提下，不同局域坐标系上有各自独立的守时系统。现有守时系统则认同绝对时间观，认为在大地水准面上复现的标准时间是惟一的，其他局域的钟应保持与标准时间同步；

（2）空间参考系不同。空间守时系统以太阳系的质量中心作为坐标原点，脉冲星发出的电磁波进入太阳系内可视为平面波。平面波经过原点的时间为坐标时，把坐标时作为统一时间的共同观测物理量，每个局域的轨道参数（位置、引力势和相对速度）若能查表获知，就可以建立独立的局域守时系统。现有守时系统是以地球质心为坐标原点，约定了大地水准面引力常数，把地心坐标时（TCG）外推到大地水准面上，称为地球时（TT），TT与TCG存在线性化的走速偏差。两者使用范围不同，是包含而不是排斥的关系；

（3）基准复现的机理不同。空间守时系统用脉冲星复现坐标时，用铯原子钟复现原时，同时利用了微观量子稳定性和宏观惯性稳定性，让两者成为平等的、相互独立的时间的基准。现有守时系统仅仅依赖多台原子钟的加权平均，脉冲星周期的稳定性从属于量子能级跃迁的稳定性，不是平等关系；

（4）中心化与去中心化。空间守时系统是去中心化的开放系统，任何局域系统只要其轨道参数可测，就能成为独立的局域守时系统，各系统之间没有授时关系。现有守时系统的中心是大地水准面上的守时原子钟，是以BIPM为中心的时间测量系统；

（5）闭环反馈机理不同。若已知脉冲周期、方位角、脉冲轮廓等信息，在约定初始历元，让各子系统之间相互广播某脉冲序号的脉冲到达原点的坐标时间，依据少数服从多数、靠近平均值原则调整后，可实现整个系统的反馈。现有的守时系统用加权平均值作为反馈，受到大地水准面不稳定的影响，长期来看存在整体性飘移。

空间守时系统与脉冲星导航两者的关系是互逆的，空间守时系统把轨道参数作为已知量求解时间，而脉冲星导航把时间作为已知量求解轨道参数[20]。轨道参数是引力势、速度和位置随时间变化的函数，也叫历表。一般情况下航天器或天体的历表是周期性的。空间守时系统是脉冲星导航的基础支撑，脉冲星导航是空间守时系统的典型应用案例[21]。

4 结语

在地球以外如何统一时间规则是空间计量领域最基础的科学问题，空间守时系统可作为破解该难题的一个途径，但不是惟一的，不论哪种途径均离不开相对时间观的指引。空间守时系统基于相对论理论和脉冲星观测，建立宏观宇宙空间尺度下的时空统一规则。空间守时系统不仅是深空探测器、脉冲星导航、飞出太阳系的航天器、引力波和黑洞探测等的重要基础，而且能够为月球、火星、木卫二、土卫六、小行星等天体量身定制其本地时间坐标轴和历法规则，建立各局域守时系统之间时间换算的对照表。空间守时系统将为空间计量学科提供理论支撑，并为我国航天活动迈向更远深空奠定重要基础。