短波授時信號的無線電規則淺析

摘要：標準頻率和時間信號業務是國際電信聯盟規定的無線電通信科學服務業務之一，受到《無線電規則》的管控和指導，以避免出現時間不統一和干擾情況。對與標準頻率和時間信號播發相關的無線電規則進行解析，是標準頻率和時間信號播發全球化的保證。通過對頻率劃分、時間的全球統一、標準時間體系、閏秒（跳秒）、[UTC]報告書的起草情況等主要國際規則的研究，為我國標準頻率和時間信號播發的國際地位的提升以及科學研究、播發、接收使用監測工作有重要意義。

關鍵詞：時間信號；無線電規則；頻率劃分；閏秒

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.002

中圖分類號：TN 98 " " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " " " " 文章編碼：1672-7274（2023）07-000-04

Analysis of the Radio Regulations for Time Signal Service

LIU Tiankang1， PING Jinsong2， LIN Zihao1， ZHANG Ning1

（1. State Radio Monitoring Center Urumqi Station， Urumqi 830000， China;

2. National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100000， China）

Abstract： The standard frequency and time signal service is one of the radiocommunication science service defined by the International Telecommunication Union （ITU）. To advoid the disorder in time and interference in radio， it is controlled and guided by the Radio Regulations （the RR）. Analyzing the RR about time signal emission is guarantee about globalization of this service. To improve international status of china in this service， and guide science study， time signal emission， receive and use， and monitoring， the primary international regulations are studied， which including the frequency allocations， the global standardization of time， the system of the standard time， the leap-second， the preliminary draft new report ITU-R TF.[UTC] and so on.

Key words： time signal; the radio regulations; frequency allocations; leap-second

0 " 引言

標準頻率和時間信號對人類社會的有序發展和穩定運行產生了巨大的推動作用，使人類社會具備了統一的時間度量，避免了因時間不一致導致各種惡性事件的發生，其重要性不言而喻。

國際電信聯盟（ITU）、國際標準化委員會（ISO）和國際計量局（BIPM）等都有專門的時間度量研究機構和相關規則。國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）第七研究組SG7下設的WP7A（Time Signals and Frequency Standard Emissions，時間信號和頻率標準播發）工作組專門負責“標準時間和頻率信號播發的系統和應用”工作，國內WP7A對口組組長單位是“中國科學院國家授時中心”，該單位承擔著我國國家標準時間的產生、保持和播發任務。

當前的國際標準時間協調世界時（UTC）由ITU規定：“UTC是在IERS協助下由BIPM維護的時間尺度，該時間尺度是目前大多數國家對外進行時間播發的標準頻率和時間信號的參考。它與TAI在速度上嚴格一致，但有若干整秒的差別。UTC的調整是通過秒的插入或刪除實現的（正跳秒或負跳秒），以此來保證同世界時（UT1）大體一致”[1]。IERS是國際地球自轉服務組織，TAI是國際原子時，UT1是直接與地球圍繞其日旋轉軸旋轉的角坐標相對應的世界時[1]。全球80多個守時實驗室通過衛星時間比對鏈路向國際計量局（BIPM）報送原子鐘數據，BIPM利用這些原子鐘數據平均計算后得到TAI，并通過IERS提供的UT1的協調后獲得UTC時。BIPM發布全球各守時實驗室時間與UTC之間的差值，各守時實驗室通過對這些差值的控制，來使自己的時間與UTC的一致，當全球各守時實驗室的時間與UTC時間一致后，全球的時間將同步。在短波頻段進行授時信號播發的精度容差最大值為10 ms[2]。最后各國根據各自的時區，在各守時實驗室UTC物理實現的基礎上加減與本初子午線的固定時差，便得到了本國的國家標準時間。我國國家標準時間以東八區的區時為基礎，由位于陜西省西安市臨潼區的中科院國家授時中心計算維護的協調世界時物理實現UTC（NTSC）加8小時便成為了我國的國家標準時間，即北京時間與國際標準時UTC時的關系為“北京時間（BST）=UTC（NTSC）+8h”。

1 " 短波授時信號的無線電規則

本節在ITU法規框架下，僅針對短波授時信號的頻率劃分、無線電規則、世界無線電通信大會（WRC）相關決議和建議書進行論述。

1.1 頻率劃分

《無線電規則》RR 1.53款定義標準頻率和時間信號業務為“為滿足科學、技術和其他方面的需要而播發規定的高精度頻率、時間信號（或二者同時播發）以供普遍接收的無線電通信業務。”對于無線電通信系統，最重要的就是使用的頻率資源，本文僅就短波頻段的標準頻率和時間信號頻率劃分進行介紹。按照Rec. ITU-R TF.460建議書（此建議書被《無線電規則》引證歸并）的規定，世界無線電行政大會（1979年，日內瓦）把下列頻率劃分給標準頻率和時間信號業務：2.5 MHz±5 kHz（1區2.5 MHz±2 kHz），

5 MHz±5 kHz，10 MHz±5 kHz，15 MHz±10 kHz，20 MHz±10 kHz以及25 MHz±10 kHz，具體的頻率劃分詳見圖1[3][4]。除Rec. ITU-R TF.460建議書中規定的頻率外，ITU無線電頻率劃分為3區標準頻率和時間信號的播發補充了3個頻段，以腳注5.126/5.144/5.153的形式標于《無線電規則》RR第5條第4節頻率劃分表中。

（1）5.126在3區，為之劃分了3 995～4 005 kHz頻段的那些業務電臺可以播發標準頻率和時間信號。

（2）5.144在3區，為之劃分了7 995～8 005 kHz頻段的那些業務電臺可以播發標準頻率和時間信號。

（3）5.153在3區，為之劃分了15 995～16 005 kHz頻段的那些業務的電臺均可播發標準頻率和時間信號。即，位于3區工作在以上頻段的電臺可以播發標準頻率和時間信號。

1.2 RR第26條和WRC

-15第655號決議

《無線電規則》中專門在第26條對標準頻率和時間信號業務進行了規定，主要內容為業務屬性、國際協調與協商、業務干擾、主管部門間的業務合作、ITU建議書的效力等方面。此外WRC-15（2015年世界無線電通信大會）關于標準頻率與時間信號業務做出了第655號決議：時間尺度的定義和時間信號通過無線電通信系統的播發。其中一項主要決議是：ITU-R要準備一份或多份關于UTC的研究結果和提案的報告，到WRC-23大會之前，繼續應用ITU-R TF.460-6建議書中所述的UTC，并規定《無線電規則》中的UTC相當于本初子午線上的平太陽時（過去用格林尼治平時（GMT）表示）。

1.3 ITU-R TF系列建議書、報告書和手冊

ITU-R TF（Time Signals and Frequency Standards Emissions，時間信號和頻率標準播發）系列共計有16份建議書和1份報告書，此外包含兩份手冊。TF系列建議書和報告書中與短波頻段相關的只有Rec. ITU-R TF.460和Rec. ITU-R TF.1101兩份建議書。主要的建議書為Rec. ITU-R TF.460，名稱為《標準頻率和時間信號播發》，是ITU-R 102/7號研究課題，1970年、1974年、1978年、1982年、1986年、1997年、2002年均進行過修訂，目前版本是2002年國際電聯無線電通信全會修訂的版本。此建議書維護全球范圍內的標準頻率和時間信號播發的協作，使世界時準確度的誤差達到100 ms。建議書共分為主體部分、附件1-時標、附件2-DUTI傳輸碼和附件3-跳秒前后發生事件記時，共計四大部分。主體部分內容為建議書的考慮和建議。該建議書第一條建議為“從每個發射電臺發射出的時間信號應該與載波相位具有既知關系”，此關系是：時間信號秒的前沿與載波0度相位對齊，作用是當接收端接收到這個0度相位就將其作為秒信號的上升沿，恢復出秒信號。

對于短波授時信號的播發還應遵循技術手冊《精確頻率和時間系統的選擇和使用》，該手冊主要內容有時間和頻率源、多種頻率標準的特性、測量技術、時間尺度、頻率源的使用等[5]。

2 " 時間的全球統一和時鐘

隨著社會進步和全球化進程，各國對全球時間的統一需求越來越高。1884年，在華盛頓召開國際會議，決定以穿過格林尼治天文臺的經線作為本初子午線，以英國格林尼治天文臺時間（GMT）作為國際時間的起點（當前已用UTC替換GMT）。

1955年6月，英國制造了世界上第一臺銫原子鐘。1967年國際上以“銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷輻射的9 192 631 770個周期的持續時間”作為國際單位制（SI）秒的定義。隨后，法國巴黎天文臺在科學聯合會的支持下成立了國際時間局（BIH），開始是開展地球自轉角度的工作并維護時間尺度，以銫原子鐘為基礎開展關于TAI的工作。1961年開始受美國海軍天文臺（USNO）等組織的委托從事早期UTC相關的建立和維護工作，1965年1月將UTC與TAI相關聯。但其國際認可度不高，成員不多，是一個非政府間組織，時間基本上受法國影響。1988年，BIH的國際認可度和經費問題凸顯，該組織將國際參考時間尺度的工作移交給了總部位于法國巴黎的BIPM，TAI和UTC的控制權從巴黎天文臺轉移到BIPM。

ITU-R TF.460建議書中的國際原子時（TAI）規定：“以秒為基礎（SI）、體現在旋轉的地球體上的國際原子時（TAI）的參考量程是由BIPM根據合作機構提供的時鐘數據建立起來的，呈持續量程狀，如始自1958年1月1日的天、時、分、秒數（CGPM于1971年采用）。”TAI是1971年由國際計量大會（CGPM）確認定義。BIPM由CGPM授權，并受國際計量委員會（CIPM）監督，開展時間相關的研究和標準制定。

國際上使用的守時原子鐘主要有氫鐘[6]、銫鐘[7]、銣噴泉鐘[8]、銫噴泉基準鐘[9]等。各類型原子鐘具備不同的優勢，氫鐘短期穩定性好，壽命達30～50年，穩定度達到10-16/天。而銫鐘的長期穩定性好，穩定度達到10-15/天。銫原子噴泉鐘為秒定義的最佳復現裝置，雖不能連續運行，但短期內準確度非常高，用于定期對時間系統進行校準。為了結合各原子鐘的優勢，往往使用一組鐘作為鐘組，對其數據求平均，作為最終計算的時間數據。

國際原子時的優勢是穩定性極高，在秒的尺度上非常均勻。但目前通過甚長基線干涉測量（VLBI）等方法測定的世界時在某些重要應用場景中必不可缺，比如軍事、航空航天、深空探測、衛星發射等對世界時的精度要求非常高，而且越來越高。

3 " 閏秒

閏秒（也稱為跳秒）是用來調節UTC，使UTC接近UT1。1972年啟用UTC時便定義了閏秒，UTC是結合TAI和UT1定義的協調世界時，UTC與TAI的差值是一個整數秒，UTC與UT1的差值必須控制在±0.9秒以內[1]。UT1是一個天文學時間，稱為世界時，由國際天文聯合會、國際大地測量和地球物理學聯合會于1987年共同成立的總部位于USNO的IERS負責提供和維護。自古以來都是由地球自轉決定一天的時間，例如古代中國使用日晷觀察一天中的時刻；由地球公轉決定一年的時間。閏秒與地球自轉的快慢相關，自轉越快或者越慢，都會增加UTC與UT1差值的增大速度。若需要實施閏秒，IERS會提前半年發布通知，截止2022年10月，TAI比UTC快37秒。

閏秒的存在是為了實現UTC與UT1時間的一致性，也就是為了和地球自轉時間一致。根據ITU-R TF.460建議書規定，實現方為多一秒或少一秒，正常情況下59秒后為00秒，跳秒是59秒后插入一個60秒再為00秒，或58秒后跳過59秒再為00秒。閏秒在保持UTC與UT1一致性方面以及保持現有時間規則體系方面有其科學性[10]，同時，在衛星授時等應用方面也存在一定的不便利性，如北斗授時時鐘時間在實施閏秒過程中會顯示一定的錯誤[11]、GPS授時中閏秒的實施對地震勘探會產生一定的影響[12]等。

4 " UTC報告書及閏秒的變動

該報告書的名稱為通過無線電通信系統播發的時間信號的內容和結構。該報告書作為2022年5月17日WP7A主席報告的附件3，目前處于討論和修訂的狀態。主要內容有：對UTC時間的起源以及相關國際組織在時間保持中發揮的作用，對太陽時、國際原子時、協調世界時、潛在的未來參考時間尺度的介紹；對包括LF、HF、衛星等在內的授時信號播發系統的介紹；在無線電通信系統和其他應用中的UTC時間的使用介紹；UTC時間可能的變化對無線電通信業務、射電天文業務和其他應用中的影響分析。

ITU-R TF UTC報告書的內容與信號播發無關，主要是關于取消閏秒這一提議，主旨就是要對閏秒的取消進行論證。該報告對短波授時信號和授時系統沒有明顯變動和決議，但短波授時信號的發播需遵守該報告書對閏秒的決議。由于關于取消閏秒的提議在2012和2015年兩屆WRC大會都未獲得通過，因此WRC-15在第655號決議中要求以新報告書的形式，對該問題進行研究，在WRC-23時提交大會討論。1972年定義的UTC時間就是一個天文學時間和國際原子時的折中，規定UTC與UT1兩個時間的差值不能超過±0.9秒。在精度需求不高的情況下，UTC就代表了UT1。目前BIPM在積極推動取消閏秒或延長UTC與UT1的差值，認為UTC越連續越好。報告書提到了取消閏秒帶來的優勢，也提到缺點和不利因素。

根據CCTF（時間頻率咨詢委員會，隸屬BIPM）于2021年2月對159個成員開展的調研，14%的成員不打算調整目前UT1與UTC之間的差值，55%的成員將調整該數值，24%的成員提出補充細節、進一步論證等建議，7%的成員放棄了該調研。BIPM以互聯網的發展和數字化的進程需求為由，積極推動取消閏秒。但并不是所有國家和時間相關組織都同意取消閏秒，閏秒的取消與否還存在一定的爭議[13]。CGPM于2022年11月15～18日投票決定到2035年或之前取消閏秒，但目前BIPM還沒有給出明確的相關替代方案以及技術應用過渡方案，對閏秒的新的處理方式只是爭取在2026年決定。2023年6月的WRC大會在ITU層面迎來對閏秒的去留或者改變的新決議，這對授時信號的國際規則將是一個較大的修訂。

5 " 結束語

本文就《無線電規則》中關于標準頻率和時間信號業務的國際規則進行簡要的解析論述，對頻率劃分、時間的全球統一、閏秒和UTC報告書的進展進行了簡要的介紹，希望幫助從事無線電授時信號的播發、接收和監測，以及對時間精度要求較高的相關行業的科學研究人員和工程技術人員掌握國際規則，以助力相關行業的科學研究和工程應用。

國際規則的制定，是一個全球參與的過程，是在各方博弈中取得平衡的過程。國家在國際地位和規則話語權方面的提升均需要深度參與國際規則的制修訂，對國際規則進行深入研究，以確保國家利益得到維護。

參考文獻

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