GNSS時間系統及其術語的正確表達

熊愛成

(天津市陸海測繪有限公司，天津 300304)

0 引言

我國擁有自主知識產權的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)作為全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)的重要組成部分，已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統、電力調度、救災減災、應急搜救等領域，逐步滲透到人類社會生產和人們生活的方方面面，為全球經濟和社會發展注入新的活力[1]。至2016年底，國外在軌運行導航衛星85顆，在軌運行并提供導航服務的衛星66顆[2]，國外著名的GNSS除美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)外、還包括俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)、歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)、印度區域衛星導航系統(Indian regional navigational satellite system，IRNSS)及日本準天頂衛星系統(quasi-zenith satellite system，QZSS)。為了提升導航定位的服務能力，必須充分利用空中各種GNSS衛星的定位信息，多GNSS的綜合應用是一種必然的選擇。

多GNSS的集成應用，首先需要處理的問題就是空間和時間基準的統一；GNSS測量在本質上是對時間的測量[3]。由于GNSS衛星發送的導航定位信息傳播到GNSS接收機的速度約為3×105km/s，1 ms的時間偏差就能引起300 km的測距誤差，因此高精度的時間測量和表達是高精度GNSS測量的首要條件[3]。GPS發展最早，它設計出了表達時間系統的單位及其表達時間的相關術語，我國的中文文獻幾乎是照搬GPS這些概念，而沒有顧及個別術語表達的確切含義，也沒有顧及個別計量單位是否滿足我國法定計量單位體系的要求。本文給出了GPS中表示時間的單位“星期(week)”及術語“歷元(epoch)”、“年積日(day of year)”等的正確表示，以此正確表述對幾個典型的表達進行了更正。

1 我國表示時間的法定計量單位

時間為最基本的國際單位制(The International System of Units，SI)單位，其符號為s，中文名稱為秒。SI單位和國家選定的其他計量單位為我國的法定計量單位，文獻[4]給出了我國表示時間的法定計量單位，如表1所示。

表1 我國表示法定的時間計量單位

2 GNSS的時間系統

當前世界上各個GNSS時間系統都采用國際原子時(international atomic time，TAI)，TAI秒長的定義為：位于海平面上的銫133 原子基態2個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射振蕩9 192 631 770個周期所持續的時間，為一原子時秒[5]。但由于各個GNSS建設的時間不同，定義時間系統的起始點、表示方法等具有差異。

2.1 GPS時間系統

GPS建立了專用的時間系統即GPS時(GPS time，GPST)，GPST的起始點是協調世界時(coordinated universal time，UTC)1980-01-06 T 00∶00∶00，以此時刻開始，以星期(week)數及星期內的秒數即星期內秒(second of week，SOW)計數[6]。1980-01-06是星期天。星期計時的開始時刻為每個星期六子夜與星期天凌晨之交，如果用數字對一個星期之內的天數進行標注，則星期天可以賦值“0”，星期一則賦值“1”，按照這樣的賦值方法，星期六則應該賦值“6”。

GPS的0星期為GPST計時的起點。在每一星期內，時間以星期內秒表示，其范圍為0～604 800(60×60×24) s。有時候需要將SOW分割成星期內天(day of week，DOW)數及天內秒(second of day，SOD)數，DOW的取值范圍為0～6 d，SOD的取值范圍為0～86 400 s。

當前在大地天文測量、天文導航和空間飛行器的跟蹤定位等諸多應用領域，廣泛使用的時間系統是仍然是世界時(universal time，UT)[5]。由于潮汐效應、厄爾尼諾現象及強地磁暴等已知或未知的因素，導致地球自轉速度長期變慢的趨勢。近二十年來，UT每年比TAI約慢1 s。為了避免發播的TAI與UT之間產生過大偏差，從1972 年起便采用了UTC[5]。UTC與TAI之間的轉換關系為

tTAI=tUTC+1×n

(1)

式中：tTAI為每時刻的國際原子時，單位為s；tUTC為該時刻的協調世界時，單位為s；n為調整參數，該參數由國際地球自轉服務組織(International Earth Rotation Service，IERS)發布。

GPST與TAI之間的轉換關系為

tTAI=tGPST+19

(2)

式中：tGPST為某時刻的GPS時，單位為s。

2.2 GLONASS時間系統[3]

GLONASS時間(GLONASS time，GLONASST)也是基于UTC的，以莫斯科時間為參考，包含閏秒。GLONASST與UTC粗略的轉換關系為

tGLONASST=tUTC+10 800

(3)

式中tGLONASST為某時刻的GLONASS時，單位為s。

2.3 BDS時間系統[3]

BDS的時間系統為BDS時(BDS time，BDT)，不閏秒，起始時刻為2006-01-01 T 00：00：00，采用星期和星期內秒計數。BDT與GPST的粗略轉換為

tBDT=tGPST-14

(4)

式中tBDT為某時刻的BDS時，單位為s。

2.4 Galileo時間系統[3]

Galileo的時間系統為Galileo時(Galileo system time，GST)，起算時刻為1999-08-22 T 00：00：00。Galileo時與UTC之間的轉換為

tGST=tGPS+Δt

(5)

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

(6)

式中：tGST為Galileo時；A0G為系統時間偏差的常數項；A1G為偏差的速率；TOW為以s計數的一星期時間長度；t0G為GST與GPST偏差的參考值；WN為GST的星期數；WN0G為GPST和GST星期數的偏差值；mod為模運算函數。

3 GNSS時間的正確表述

時間包含“時刻”和“時間間隔”2個概念。時刻是指發生某一現象的瞬間；時間間隔是指發生某一現象經歷的過程，是這一過程始末的時刻之差[7]。因此在表達時間這個概念時，需要明確表示時間指的“時刻”還是“時間間隔”。

為了交流方便，全世界的時間體系必須保持一致，否則就會引起混亂。時間體系的一致包括時間量值的一致及時間單位的一致，時間量值的一致性通過各國計時器與基準器進行比對完成；而時間單位的一致則除了需要SI對時間單位的要求外，還必須滿足各自國家對時間單位表達的法律法規要求。

為了達到全世界時間量值的統一，需要對時間進行測量。對時間間隔測量，稱為相對時間測量；對時刻的測量，稱為絕對時間測量[7]。

3.1 時間單位“week”的正確表述

在GPST的表述中，“week”是經常用到的一個時間單位。按照英漢詞典的解釋，“week”最通俗的解釋就是“星期，周”。雖然在日常用語中，我國經常把7 d的時間間隔說成為成為一周時間，但在我國的時間計量單位體系中(見表1)，時間的計量單位中不包含“周”，文獻[8]詳細論述了不能夠將“周”作為計量單位的緣由，因此在涉及表示GNSS時間時，需要將過去文獻中常見的“周數”“周內秒”正確表達成“星期數”“星期內秒”。

文獻[9]將GPST中常用的術語“week number”翻譯成“周計數”，這是不恰當的。查遍“number”作名詞時的含義，均不包含“計數”的意思，“計數”對應的英文應該是“count”。

3.2 “epoch”的正確表述

文獻[10]給出了“epoch”的3個定義，第1個定義為：(a)an event or a time marked by an event that begins a new period or development，翻譯成中文為“一個事件或由一個事件記錄的一個時間，這個事件開始一個新周期或進程”；(b)a memorable event or date，翻譯成中文為“一個值得紀念的事件或日期”。第2個定義為：(a)an extended period of time usually characterized by a distinctive development or by a memorable series of events，翻譯成中文為“通常以一個特別的進程或一系列值得關注的事件為特征的一個持續的時間段”；(b)a division of geologic time less than a period and greater than an age，翻譯成中文為“一段地質時期，它小于一個紀，且大于一個代(或期)”。第3個定義為：an instant of time or a date selected as a point of reference(as in astronomy)，翻譯成中文為“在天文學中選作為一個參考點的一個時刻或一個日期”。根據這些論述，用“epoch”表示時間時，具有多個含義，包含了發生某件事情的“時刻”和某件事情持續的“時間間隔”，文獻[9]將“epoch”翻譯成“歷元”，定義成“表示一個事件的參考時刻。”而忽略掉了“epoch”還有表示“時間間隔”的含義，我國表示時間的法定計量單位中沒有包含“歷元”這樣的單位。因此在使用歷元這個概念時，需要區分“歷元”是“表示時刻”還是表示“時間間隔”。例如文獻[11]在表示“歷元”時，就沒有區分歷元表示的是“時刻”還是“時間間隔”，圖1為文獻[11]的原圖1及修改表達后的結果。

3.3 “DOY”的正確表述

年積日(day of year，DOY)是從每年1月1日開始計數的天數，具有排列次序的含義；與常見的“數詞和量詞”表達的含義完全不同。例如年積日3天，確切含義是表示某年的第3天；而不是表示這一年中任何時間段中的3 d。因此在表示年積日后面這個序數詞時，需要表示成“年積日第x天”，而不能夠表示成“年積日xd”。目前在表達年積日后面時間的概念時較為混亂，通常表示成“年積日x天”、“年積日xd”或者“年積日/天”，例如文獻文獻[12]將其表示成“年積日/天”，圖2為文獻[12]的原圖4及修改表達后的結果。

3.4 “月”的正確表述

雖然“月”屬于我國的時間計量單位，似乎可以和數字連用。但在中文表達中，“12以內數字”與“月”連用已經構成了固定表達，具有表示次序的含義，例如漢語的“3月”表達是每年的第3個月，也稱為3月份，對應的英語是“March”，而不是“3 months”；同樣在將“3 months”翻譯成為中文時，需要將其翻譯成“3個月”，而不是“3月”。因此在表達時間“月”時，同樣需要區分是表達數量還是表達順序，例如文獻[13]在表示“月”時，就沒有對“月”進行區分，顯得不嚴謹。圖3為文獻[13]的原圖2(d)及修改表達后的結果。

4 結束語

各種GNSS系統正在如火如荼地發展，GNSS接收機也能夠同時接收到多個GNSS導航衛星的測量信號，要充分利用這些信息，統一各個GNSS的時間系統首要前提之一。統一時間系統不僅僅是需要將量值進行統一，而且需要將時間的單位納入本國的計量單位制中。由于GPS系統發展最早，后續的GNSS系統幾乎是以GPS系統為模板進行發展的，許多術語也來自GPS系統的術語，本文所列舉的幾個涉及時間的單位及術語，幾乎都源自GPS的時間單位及術語。由于最初在引入這些時間單位及術語并將其翻譯成中文時，沒有詳細推敲其真實含義，導致不規范的應用延續了很長時間。

在我國使用的計量單位，都應該滿足我國計量法規對單位制的要求。為了避免非法定計量單位及不確切的表述繼續在我國的科技文獻中繼續流行，建議國家有關部門出臺相應的指導意見，規范“week”“epoch”“DOY”“月”等計量單位及術語的正確用法。