1.2.2 时间频率基本概念

1.2.2.1 时间与频率的定义

时间是一个较为抽象的概念，是物质的运动、变化的持续性、顺序性的表现。时间概念包含时刻和时段两个概念。时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数，确定时间靠不受外界影响的物质周期变化的规律，如月球公转周期、地球公转周期、地球自转周期、原子震荡周期等。

牛顿提出了绝对时间的观点：“绝对的、真实的、数学的时间，就其本质而论，是自行均匀地流逝的，与任何外界的事物无关。”时间是客观世界自然存在的运动过程，运动的速度不会任意改变，也就是惯性，这就是时间。如果时间整体是同步加快或变慢，在其内部无法发现变化，所以，只能认为一切都是不变的，这就是牛顿时期科学的基础。时间和空间，是一个独立于自然界的概念，可以永久存在。

爱因斯坦在相对论中提出：不能把时间、空间、物质三者分开解释。时间与空间一起组成四维时空，构成宇宙的基本结构。时间与空间在测量上都不是绝对的，观察者在不同的相对速度或不同时空结构的测量点，所测量到的时间的流逝是不同的。广义相对论预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构，并且在大质量（如黑洞）附近的时钟之时间流逝比在距离较远的地方的时钟之时间流逝要慢。现有的仪器已经证实了这些相对论关于时间的预测，并且其成果已经应用于全球定位系统。另外，在狭义相对论中有“时间膨胀”效应：在观察者看来，一个具有相对运动的时钟之时间流逝比自己参考系的（静止的）时钟之时间流逝慢。

时间基准的发展集中反映在时间单位（秒）定义的不断沿革和秒的准确度的不断提高。古希腊天文学家，包括希巴谷和托勒密，定义1太阳日的1/24为1小时，以六十进制细分小时，并定义1秒是1太阳日的1/86400。此后发展出摆钟来保持平时（相对于日晷所显示的视时），使得秒成为可测量的时间单位。秒摆的摆长在1660年被伦敦皇家学会提出作为长度的单位，在地球表面，摆长约一米的单摆，一次摆动或半周期（没有反复的一次摆动）的时间大约是一秒。在1956年，秒被以特定历元下的地球公转周期来定义，因为当时天文学家知道地球在自转轴上的自转不够稳定，不足以作为时间的标准。以纽康太阳历表为基础，定义自历书时1900年1月1日12时起算的回归年的1/31556925.9747为一秒。该太阳历表是19世纪末纽康根据地球绕太阳的公转运动编制的太阳历表，至今仍是最基本的太阳历表。在1960年，这个定义由第十一次的国际度量衡会议通过。虽然这个定义中的回归年的长度不能进行实测，但可以经由线性关系的平回归年的算式推导，因此，有一个具体的瞬时回归年长度可以参考。因为秒是用于大半个20世纪太阳和月球的星历表中的独立时间变量（纽康的太阳表从1900年使用至1983年，布朗的月球表从1920年使用至1983年），因此这个秒被称为历书秒。

随着原子钟的发展，秒的定义改用原子秒作为新的定义基准，而不再采用地球公转太阳定义的历书秒。在现行国际单位制下，在1967年召开的第13届国际计量大会对秒的定义是：133Cs原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的，而且在地面上的环境是零磁场。在这样的情况下被定义的秒，与天文学上的历书时所定义的秒是等效的。其准确度优于10-13，比以天文观测为基础的天文时的准确度高5个量级，是当前具有最高计量特性的时间频率基准。

频率是在单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，常用符号f或u表示，单位为秒分之一。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹，简称“赫”。每个物体都有由它本身性质决定的、与振幅无关的频率，叫作固有频率。频率概念不仅在力学、声学中应用，也常用在电磁学和无线电技术中。作为时间频率基准，它应当具备独立评定准确度的能力。时间频率基准往下传递，可建立各级时间频率基准，其准确度是靠校准获得的。

1.2.2.2 世界时和原子时

1.世界时（UT）

世界时，即格林尼治平太阳时，是表示地球自转速率的一种形式。由于地球自转速率曾被认为是均匀的，因此在1960年以前，世界时被认为是一种均匀时。世界时定义就是以此为基础的。现已证实，地球自转实际上是不均匀的，所以世界时是一种非均匀时，它与原子时或力学时都没有任何理论上的关系，只有通过观测才能对它们进行比较。这样，世界时主要应该表示它与地球自转速率的关系。

世界时是通过恒星观测，由恒星时推算的。常用的测定方法和相应仪器有：①中天法——中星仪、光电中星仪、照相天顶筒；②等高法——超人差棱镜等高仪、光电等高仪。用这些仪器观测，一个夜晚观测的均方误差约为±5ms。依据全世界一年的天文观测结果，经过综合处理所得到的世界时精度约为±1ms。因为各种因素（主要是环境因素）的影响，长期以来，世界时的测定精度没有显著的提高。如今，世界时的测量方法和技术正面临一场革新。正在试验中的新方法主要有射电干涉测量、人造卫星激光测距和月球激光测距以及人造卫星多普勒观测等。测定的精度可望有数量级的提高。

世界时是以地球自转运动为标准的时间计量系统。地球自转的角度可用地方子午线相对于地球上的基本参考点的运动来度量。1960年以前，世界时曾作为基本时间计量系统被广泛应用。受到地球自转速度变化的影响，它不是一种均匀的时间系统。但是，因为它与地球自转的角度有关，所以即使在1960年作为时间计量标准的职能被历书时取代以后，世界时对于日常生活、天文导航、大地测量和宇宙飞行器跟踪等仍是必需的。同时，精确的世界时是地球自转的基本数据之一，可以为地球自转理论、地球内部结构、板块运动、地震预报以及地球、地月系、太阳系起源和演化等有关学科的研究提供必要的基本资料。

2.国际原子时（TAI）

1967年，国际计量委员会（CIPM）决定采用原子秒定义，即将133Cs原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间定义为1秒，并规定1958年1月1日0时0分0秒为原子时的零点。之后，国际计量局通过综合处理20多个国家的100多台原子钟提供的数据，于1972年1月正式引入新的时间标准——国际原子时（International Atomic Time，TAI），并确定1977年1月1日0时0分0秒（TAI）的ET历元为1977年1月1日0时0分32.184秒（ET）。

国际原子时由国际无线电咨询委员会定义为地心坐标系中的时间基准，相应的SI秒为旋转大地水准面上的标度单位。自1973年起，国际计量局通过直接处理原子钟的时间比对数据得到国际原子时，并于1988年承担起国际原子时的计时责任（原来由国际时间局承担）。目前，分布在全世界几十个国家，80多家守时中心约500多台各种类型的原子钟的时间比对数据，通过GNSS（全球导航卫星系统）时间传递技术和卫星双向时间频率传递技术定期传送到国际计量局的时间部门。时间部门利用经典的原子时算法（ALGOS）对时间比对数据进行加权平均得到自由时间尺度（EAL），并利用分布于世界各地的十几台频率基准和次级频率基准确定大地水准面处的SI秒，然后对EAL进行频率校准得到国际原子时。为使国际原子时更贴近人类日常生活习惯的时间系统——世界时，国际计量局在考虑地球自转影响后对国际原子时进行相应修正，进而得到协调世界时（UTC）。

3.协调世界时（UTC）

协调世界时又称世界统一时间、世界标准时间和国际协调时间，由国际电信联盟无线电通信部门（International Telecommunication Union-Radio communication Sector，ITU-R）制定，具体定义由ITU-R TF.460-6维护。协调世界时由英文Coordinated Universal Time和法文TEMPS UNIVERSELLE COORDINEE翻译而来，简称UTC，是一种基于TAI的原子时标。

UTC用于协调原子时和天文时，与TAI之间的关系为TAI-UTC=n秒，其中n为整数。为保证世界时与UTC时之间的差异小于0.9s，即|UT1-UTC|＜0.9s，每隔几年需要对TAI增加或删除整数秒（称为闰秒）。截至2022年，UTC已经滞后于TAI 37s，即n=37。对于UT1与UTC之间更为精确的时间偏差，可利用DUT1进行修正，其中DUT1=UT1-UTC，表示为0.1s的整数倍。UTC中插入闰秒的时刻取决于地球自转速率的变化特征。国际地球自转服务（International Earth Rotation Service，IERS）监测地球自转速率及其他地球定向参数，包括DUT1的预测值，并决定是否需要调整UTC，以及建议BIPM何时插入闰秒。

UTC是基于TAI实现的一种后处理时间标准，具有一定的时延。GNSS与UTC紧密相关，其广播和授时服务需要生成和传输实时的时间标准，因此需要一种基于TAI的实时UTC。实时的UTC通常用UTC（k）表示，其中k是时间实验室的标识，由相关GNSS授时中心维护。例如，UTC（USNO）是由美国海军天文台（United States Naval Observatory，USNO）实时预测的UTC。不包含k的UTC表示最终的综合值，由BIPM每月通过T通告发布，一般延迟2～4周可用，其与UTC（k）之间存在偏差。UTC（或TAI）相对于各天文台或实验室UTC（k）的偏移量，表示为：UTC（或TAI）-UTC（k），如图1-1所示。

UTC被公认为全球授时和电信应用的基础，是唯一能够实现和传播的时间基准。1978年的CCIR和1979年的世界无线电管理会议（日内瓦）建议所有国际电信行业采用UTC时间。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）无线电条例将UTC定义为基于国际标准秒的时间标准，具体见ITU-R TF.460-6建议书，并指出UTC等效于格林尼治平太阳时。

4.GNSS时间基准

卫星导航系统提供精确的定位、导航和授时服务需要统一、精确的时间基准，以保障服务不因时钟的调整而中断。GNSS为实现时间同步，必须在全球范围内为地面段提供稳定的公共时间基准，以便为地面运控系统和众多用户提供精确的观测值。这类时间基准的实现通常由各系统自己维持。先前的方式是建立一个主时钟提供参考时间，并将主时钟的信号作为所有观测量的时间参考。对于GNSS，通过主时钟在全球范围内实现高精度的实时时间同步是不可行的。

为解决GNSS全球范围实时时间同步问题，需要利用系统内的时钟建立系统时（System Time，ST）。一种方法是，GNSS的全球跟踪站网向相关处理中心实时提供观测数据，计算卫星星历、卫星和地面站的时钟参数以及其他导航相关信息，并综合时钟参数确定实时的系统时，如GPS时（GPS Time，GPST）。系统时与国际时间标准的计算过程类似，但二者之间的区别除实时方面外，系统时还必须处理不同特性的时钟。国际时间标准的确定通常基于相同或相似的时钟，而GNSS系统时的确定需要处理不同类型的时钟，各种特性的时钟组合处理过程更加复杂。另一种方法是，建立相关参数独立于系统的时间基准。这种方法通过卫星双向时间比对等技术直接测量每个星载或地面站的时钟，并对参与时钟进行独立于系统的监测和维护。这种双向时间比对技术通常用于通信卫星，以比较地面站点的时钟，也可用于GNSS。然而，实际应用中使用独立的时钟将忽略时钟参数与其他系统参数（如卫星星历）的相关性，进而降低GNSS测量的精准性。

各GNSS的星载时钟和地面观测站时钟共同维持各自连续的系统时间。北斗、GPS和Galileo（伽利略导航卫星系统）均采用不包含闰秒的系统时，分别为北斗时、GPST和GST，而GLONASS（格洛纳斯导航卫星系统）采用含闰秒的UTC（SU）偏移3h作为系统时间。北斗时的起点为2006年1月1日UTC 0时，并通过UTC（NTSC）与UTC相关；GPST的起点是1980年1月6日的UTC 0时；GST的起点为1999年8月22日UTC 0时，但被设置为比UTC提前13s，以便与GPST一致。此外，国际GNSS服务（IGS）也确定了一种时间基准，称为GNSS时（IGS Time），以使各机构和站点在全球收集的测量数据具有一致性，其建立方式类似于GPST。

在建立的时间基准内，利用观测模型、观测量和其他必要的修正模型，将GNSS内的时钟相互关联。同时，应用误差模型和时间基准算法，估计出各时钟相对于时间基准的误差，并将每颗卫星钟相对于系统时间的偏差信息，以导航信息的形式由卫星向地面播发。北斗卫星导航系统、GPS、GLONASS和Galileo等GNSS均采用这种形式传递时间基准。此外，导航信息中还包含GNSS时间基准之间，以及GNSS时间基准与某个时间实验室维持的UTC时之间相关联的参数。四大GNSS与UTC之间的偏移量由整数秒和分量Ci组成，四大GNSS的系统时与UTC之间的偏移量见表1-1。表1-1中，n=TAI-UTC表示国际原子时和协调世界时之间的整数秒偏移量（例如，n=36s，表示2015年7月1日TAI和UTC之间的偏移量为36s）。