GNSS時間系統(tǒng)及其術(shù)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(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、測繪地理信息、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟和社會發(fā)展注入新的活力[1]。至2016年底，國外在軌運行導(dǎo)航衛(wèi)星85顆，在軌運行并提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星66顆[2]，國外著名的GNSS除美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)外、還包括俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)、印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Indian regional navigational satellite system，IRNSS)及日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system，QZSS)。為了提升導(dǎo)航定位的服務(wù)能力，必須充分利用空中各種GNSS衛(wèi)星的定位信息，多GNSS的綜合應(yīng)用是一種必然的選擇。

多GNSS的集成應(yīng)用，首先需要處理的問題就是空間和時間基準的統(tǒng)一；GNSS測量在本質(zhì)上是對時間的測量[3]。由于GNSS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)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(fā)展最早，它設(shè)計出了表達時間系統(tǒng)的單位及其表達時間的相關(guān)術(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)

當前世界上各個GNSS時間系統(tǒng)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(tài)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(xù)的時間，為一原子時秒[5]。但由于各個GNSS建設(shè)的時間不同，定義時間系統(tǒng)的起始點、表示方法等具有差異。

2.1 GPS時間系統(tǒng)

GPS建立了專用的時間系統(tǒng)即GPS時(GPS time，GPST)，GPST的起始點是協(xié)調(diào)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(shù)及星期內(nèi)的秒數(shù)即星期內(nèi)秒(second of week，SOW)計數(shù)[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(shù)字對一個星期之內(nèi)的天數(shù)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(yīng)該賦值“6”。

GPS的0星期為GPST計時的起點。在每一星期內(nèi)，時間以星期內(nèi)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(nèi)天(day of week，DOW)數(shù)及天內(nèi)秒(second of day，SOD)數(shù)，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(dǎo)航和空間飛行器的跟蹤定位等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，廣泛使用的時間系統(tǒng)是仍然是世界時(universal time，UT)[5]。由于潮汐效應(yīng)、厄爾尼諾現(xiàn)象及強地磁暴等已知或未知的因素，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)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(fā)播的TAI與UT之間產(chǎn)生過大偏差，從1972 年起便采用了UTC[5]。UTC與TAI之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(xié)調(diào)世界時，單位為s；n為調(diào)整參數(shù)，該參數(shù)由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(International Earth Rotation Service，IERS)發(fā)布。

GPST與TAI之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(tǒng)[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(zhuǎn)換關(guān)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(tǒng)[3]

BDS的時間系統(tǒng)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(nèi)秒計數(shù)。BDT與GPST的粗略轉(zhuǎn)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(tǒng)[3]

Galileo的時間系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)時間偏差的常數(shù)項；A1G為偏差的速率；TOW為以s計數(shù)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(shù)；WN0G為GPST和GST星期數(shù)的偏差值；mod為模運算函數(shù)。

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(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間；時間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象經(jīng)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(guī)要求。

為了達到全世界時間量值的統(tǒng)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(jīng)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(jīng)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?qū)ⅰ爸堋弊鳛橛嬃繂挝坏木売?，因此在涉及表示GNSS時間時，需要將過去文獻中常見的“周數(shù)”“周內(nèi)秒”正確表達成“星期數(shù)”“星期內(nèi)秒”。

文獻[9]將GPST中常用的術(shù)語“week number”翻譯成“周計數(shù)”，這是不恰當?shù)?。查遍“number”作名詞時的含義，均不包含“計數(shù)”的意思，“計數(shù)”對應(yīng)的英文應(yīng)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(guān)注的事件為特征的一個持續(xù)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(zhì)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(xué)中選作為一個參考點的一個時刻或一個日期”。根據(jù)這些論述，用“epoch”表示時間時，具有多個含義，包含了發(fā)生某件事情的“時刻”和某件事情持續(xù)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(qū)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(qū)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(jié)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(shù)的天數(shù)，具有排列次序的含義；與常見的“數(shù)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(shù)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(jié)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(shù)字連用。但在中文表達中，“12以內(nèi)數(shù)字”與“月”連用已經(jīng)構(gòu)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(yīng)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(qū)分是表達數(shù)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(qū)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(jié)果。

4 結(jié)束語

各種GNSS系統(tǒng)正在如火如荼地發(fā)展，GNSS接收機也能夠同時接收到多個GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星的測量信號，要充分利用這些信息，統(tǒng)一各個GNSS的時間系統(tǒng)首要前提之一。統(tǒng)一時間系統(tǒng)不僅僅是需要將量值進行統(tǒng)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(tǒng)發(fā)展最早，后續(xù)的GNSS系統(tǒng)幾乎是以GPS系統(tǒng)為模板進行發(fā)展的，許多術(shù)語也來自GPS系統(tǒng)的術(shù)語，本文所列舉的幾個涉及時間的單位及術(shù)語，幾乎都源自GPS的時間單位及術(shù)語。由于最初在引入這些時間單位及術(shù)語并將其翻譯成中文時，沒有詳細推敲其真實含義，導(dǎo)致不規(guī)范的應(yīng)用延續(xù)了很長時間。

在我國使用的計量單位，都應(yīng)該滿足我國計量法規(guī)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(xù)在我國的科技文獻中繼續(xù)流行，建議國家有關(guān)部門出臺相應(yīng)的指導(dǎo)意見，規(guī)范“week”“epoch”“DOY”“月”等計量單位及術(shù)語的正確用法。