时间系统：地球自转和GPS时间的差异

2.1.4.1　世界时和原子时

钟摆、地球自转和晶体振荡频率等经常用作时间系统的基准周期。

1.世界时

世界时(UT)是基于地球自转速度的一个时间系统。由于地球自转速度不恒定,且受到季节性变化等因素的影响,因此世界时不是一个严格均匀的时间系统。

2.原子时

原子时是一种高精度的时间基准。其测量原理是：原子在两个能级之间发生跃迁时,将释放一定频率的电磁波。这类电磁波是一种周期运动,它的振荡周期很短,很稳定。1953年,英国国家物理实验室(NPL)率先利用铯原子跃迁振荡运动研制出了铯原子钟。此后,基于其他原子的原子钟相继问世,由原子钟确定的时间称为原子时。1967年,国际计量大会正式把由铯原子钟确定的原子时秒定义为国际标准时间秒。原子时秒长定义为铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9 192 631 770周期所持续的时间。

许多国家都建有各自的原子时,而不同地方的原子时之间必然存在着差异,为了建立一个统一的原子时系统,国际上对位于50多个国家、共计约200座原子钟产生的原子时采取加权平均,进而形成了国际原子时(TAI)。国际原子时(TAI)是一个高度精确、均匀的时间系统。(www.xing528.com)

3.协调世界时

协调世界时(UTC)代表了国际原子时和世界时的结合,其核心是采用原子时的秒长,而在时刻上尽量与世界时靠近,当协调世界时与世界时相差超过0.9 s时,协调时采用跳秒的方式来增加1 s。因此,协调世界时和国际原子时之间始终只存在整数秒的差异,该差异反映了地球自转长期变慢的趋势和程度。

2.1.4.2　GPS系统时间

GPS建立了其专用的、基于原子时的GPS时间(GPST)系统,它的秒长是根据安装在GPS地面监测站上的原子钟和卫星原子钟综合得出的。GPS时间是连续的,没有类似于协调时的跳秒现象。GPS时间的原点定义为协调时的1980年1月6日(星期日)的零时刻。在那一刻,协调时和GPS时间落后国际原子钟19 s。随后,美国海军天文台通过控制GPS时间来使其保持与国际原子时同步。GPS时间与协调时之间在整数秒上的差异随着协调时的跳秒而不断变化。目前,GPS时间(GPStime)与国际原子时(TAI)及协调世界时(UTC)的差异为

式中,C0——GPS时间与UTC、TAI在秒小数上的差异。

GPS卫星上有周内时计数器。GPS时间变化范围为0～604 800 s(一周),在星期六午夜零时从0开始,经过一周后达到最大值604 800 s,然后置0,星期数(WN)增加1。