楊 寧

（中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是指能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]。目前全球四大主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS是世界上第一個(gè)建立并用于導(dǎo)航定位的全球系統(tǒng)，北斗也已服務(wù)全球，具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，性能相當(dāng)先進(jìn)；功能方面，北斗是四大系統(tǒng)中唯一具有區(qū)域短報(bào)文和全球短報(bào)文功能。格洛納斯與北斗、GPS相比較，性能稍遜，且格洛納斯軌道傾角較大，導(dǎo)致其在低緯度地區(qū)性能較差。伽利略觀測(cè)量質(zhì)量較好，但星載鐘穩(wěn)定性稍差。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種服務(wù)，其中開放服務(wù)是向全球用戶免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度優(yōu)于10m，測(cè)速精度優(yōu)于0.2m/s，授時(shí)精度優(yōu)于20ns、服務(wù)可用性優(yōu)于99%，亞太地區(qū)性能更優(yōu)。

1 時(shí)間系統(tǒng)

1.1 世界時(shí)

通過(guò)觀測(cè)恒星的視運(yùn)動(dòng)表達(dá)可分類出不同的時(shí)間系統(tǒng)，如春分點(diǎn)兩次經(jīng)過(guò)地方上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日稱為恒星時(shí)（Stellar Time，ST）；以太陽(yáng)中心連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)地方上子午圈的時(shí)間間隔為一太陽(yáng)日稱為太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)時(shí)的參考稱為太陽(yáng)。格林尼治零子午線處的民用時(shí)稱為世界時(shí)。以真太陽(yáng)時(shí)的平均角速度在地球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)的平太陽(yáng)作為參考的為平太陽(yáng)時(shí)。若平太陽(yáng)時(shí)起點(diǎn)為平子夜，稱為世界時(shí)（Universal Time，UT0）。UT0進(jìn)行極移改正后的世界時(shí)記為 UT1，在 UT1上進(jìn)行地球自轉(zhuǎn)周期性變化（如潮汐）改正后的世界時(shí)記為UT2。協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）是以原子時(shí)秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，UTC與UT間的時(shí)刻差規(guī)定需要保持在0.9s以內(nèi)，否則將采取閏秒的方式進(jìn)行調(diào)整，閏秒的具體時(shí)間由國(guó)際計(jì)量局在2個(gè)月前通知各國(guó)的時(shí)間服務(wù)機(jī)構(gòu)。

1.2 原子時(shí)

1967年10月，第十三屆國(guó)際度量衡大會(huì)通過(guò)：以世界時(shí) 1958年1月1日0時(shí)為起點(diǎn)，以海平面上的銫133（Cs133）原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所需的時(shí)間作為1秒秒長(zhǎng)定義的一種連續(xù)均勻的時(shí)間系統(tǒng)。

1.3 GNSS時(shí)

GPS時(shí)，也稱 GPS Time，GPST，由 GPS星載原子鐘和地面監(jiān)控站原子鐘組成的一種原子時(shí)基準(zhǔn)，與國(guó)際原子時(shí)保持有19s的常數(shù)差，并在GPS標(biāo)準(zhǔn)歷元1980年1月6日零時(shí)與UTC保持一致。由于GPS時(shí)間沒(méi)有閏秒，所以隨著時(shí)間的積累，GPS時(shí)與 UTC時(shí)兩者之間會(huì)逐漸出現(xiàn)整秒差異，即存在閏秒整數(shù)[2]。

GLONASS時(shí)間系統(tǒng)（GLONASST）是以莫斯科本地協(xié)調(diào)時(shí)來(lái)定義的，其值不僅與UTC存在3小時(shí)時(shí)差，同時(shí)為了保證GLONASS時(shí)間與該導(dǎo)航系統(tǒng)定義的橢球運(yùn)動(dòng)一致，還存在一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的差異，差異值由系統(tǒng)廣播星歷定期發(fā)布，其值一般小于1ms。

由于GPS與格洛納斯兩大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別隸屬于美國(guó)和俄羅斯兩個(gè)超級(jí)大國(guó)，兩國(guó)之間存在著激烈軍事競(jìng)爭(zhēng)且衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立目的非常明確即以服務(wù)于本國(guó)的軍事國(guó)防需要，都是在保密狀態(tài)下進(jìn)行，因此，兩大系統(tǒng)兼容性沒(méi)有溝通的余地。但兩者用于民用的相關(guān)信息公布后，GPS與格洛納斯兩時(shí)間系統(tǒng)可以通過(guò)中間量UTC來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

Galileo時(shí)間系統(tǒng)（GST）是一個(gè)連續(xù)的時(shí)標(biāo)，GST時(shí)間起點(diǎn)為 1999年 8月 22日 UTC 00：00：00，與 ATI保持偏差小于33ns，GST和ATI的偏差，GST和UTC時(shí)間的偏差通過(guò)各種服務(wù)空間信號(hào)廣播給用戶。

北斗時(shí)（BeiDou Time，BDT）起始時(shí)間為2006年1月 1日協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time，UTC）00時(shí)00分00秒，該時(shí)刻為BDT的原點(diǎn)；用儒略日的方法表達(dá)兩者差異時(shí)，北斗周和GPS周相差1356周，北斗秒和GPS秒相差14s。國(guó)際規(guī)定DTAI=TAI-UTC=33s；BDT是（地方）原子時(shí)，不做閏秒調(diào)整，任何時(shí)候都在整數(shù)秒上與TAI（國(guó)際原子時(shí)）相差33s。

隨著信息化、數(shù)字化和許多智能化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外主流GNSS接收機(jī)都具備接收多星系統(tǒng)信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)高精度定位。四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)雖存在差異，但相互之間可以轉(zhuǎn)換。目前主流GNSS多星系統(tǒng)接收機(jī)基本上都能接收四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)從而完成觀測(cè)，將觀測(cè)的原始值通過(guò)工具轉(zhuǎn)換成RINEX格式，會(huì)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)文件O文件只有一個(gè)，包含了多個(gè)星系統(tǒng)的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，而導(dǎo)航文件N文件卻有多個(gè)，分別對(duì)應(yīng)不同的星系統(tǒng)，如：GPS廣播星歷*N文件、GLONASS廣播星歷*G文件、BD廣播星歷*C文件[2]。三種廣播星歷文件內(nèi)容還存在差異，如圖1、2、3。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣播星歷頭文件

圖2 格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣播星歷頭文件

圖3 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣播星歷頭文件

圖1是北斗廣播星歷頭文件，第三行表示的是北斗時(shí)與UTC時(shí)的改正數(shù)（BDUT），跳秒是4s；圖2是格洛納斯廣播星歷頭文件，跳秒是18s；圖3是GPS廣播星歷頭文件，第7行是GPS時(shí)與UTC時(shí)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，跳秒是18s。從三個(gè)圖可以看出，三者在時(shí)間系統(tǒng)信息還是有些差異，但都能與UTC之間建立聯(lián)系，從而在數(shù)據(jù)處理時(shí)能統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)。

2 GNSS時(shí)間轉(zhuǎn)換

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中時(shí)間系統(tǒng)有著十分重要的意義。衛(wèi)星以每秒鐘幾公里的速度運(yùn)行，相對(duì)于接收機(jī)而言，衛(wèi)星的位置和速度都在不斷變化，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中對(duì)時(shí)間提出了很高的要求。因此如果要精確的測(cè)定衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，必須要精確的測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間[3]。GPST屬于原子時(shí)系統(tǒng)，其秒長(zhǎng)與ATI相同，GPST基于協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC。GPS與ATI、UTC三者之間存在如下關(guān)系：

2017年1月1日實(shí)施一個(gè)正閏秒[2]，即增加1s，截止2017年1月1日，協(xié)調(diào)世界UTC與GPST時(shí)的差為17s，經(jīng)過(guò)本次閏秒調(diào)整后UTC比GPST慢18秒，即n值為37。

BDS系統(tǒng)在廣播星歷中播發(fā)BDT與UTC同步參數(shù)，終端可以實(shí)現(xiàn)BDT與UTC的相互轉(zhuǎn)換。從1980年1月6日到2006年1月1日之間共有正閏秒14s，所以BDT與GPST之間有14秒差，因此BDT與UTC存在關(guān)系式為：

GLONASST以UTC作為時(shí)間基準(zhǔn)。由于GLONASS控制部分的特性，使得GLONASST與俄羅斯維持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC存在3個(gè)小時(shí)整數(shù)差以外，還存在1ms以內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)間差（&），關(guān)系如下：

Galileo時(shí)間系統(tǒng)（GST）是一個(gè)連續(xù)的時(shí)標(biāo)，GST和ATI的偏差，GST和UTC時(shí)間的偏差具有以下關(guān)系式：

時(shí)間系統(tǒng)的統(tǒng)一就是選擇一個(gè)中間變量，分別將各自系統(tǒng)時(shí)間轉(zhuǎn)換到含有相同時(shí)間變量的關(guān)系式中，最終達(dá)到時(shí)間系統(tǒng)的統(tǒng)一。通過(guò)以上對(duì)GPS、BDS、GLONASS、Galileo時(shí)間框架定義的分析，四個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)都能通過(guò)和UTC形成一定的聯(lián)系。因此選擇UTC作為四系統(tǒng)統(tǒng)一的中間變量，即可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間系統(tǒng)的統(tǒng)一，具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（7）～式（10）所示。

3 結(jié) 論

GNSS具有全天候、高精度、高效率等定位優(yōu)勢(shì)多星座融合定位中，接收機(jī)同時(shí)接收不同星座衛(wèi)星信息，由于時(shí)間系統(tǒng)是導(dǎo)航定位的參考基準(zhǔn)，任何導(dǎo)航定位都是在一定的時(shí)空參考框架內(nèi)進(jìn)行的，若不進(jìn)行統(tǒng)一或轉(zhuǎn)換，得不到準(zhǔn)確的傳播時(shí)間，則測(cè)定不出精確的衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，無(wú)法進(jìn)行精確定位，從而無(wú)法保證測(cè)量精度。

（1）簡(jiǎn)述了四大主流全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本優(yōu)缺點(diǎn)、偽距測(cè)量基本原理、常用時(shí)間系統(tǒng)，四大衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間系統(tǒng)都可以通過(guò)UTC中間量來(lái)實(shí)現(xiàn)相互之間轉(zhuǎn)換。

（2）在GNSS數(shù)據(jù)處理通用RINEX文件時(shí)，需要注意觀測(cè)文件與導(dǎo)航文件中包含的時(shí)間系統(tǒng)信息。比較分析北斗、GPS、GLONASS和Galileo通用RINEX導(dǎo)航文件時(shí)間系統(tǒng)的差異，在進(jìn)行高精度GNSS數(shù)據(jù)處理時(shí)需要通過(guò)時(shí)間轉(zhuǎn)換才能下載到相對(duì)應(yīng)用的各種精密文件。

（3）四大衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)有差異，也有聯(lián)系，本文給出了四大時(shí)間系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換公式，構(gòu)建統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。