卫星导航定位中的时间之二：世界时UT1，协调世界时UTC，接收机如何获取UTC

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在上一个文章卫星导航定位中的时间之一：北斗时、GPS时，联合定位中的时间处理中我们介绍了北斗时（BDT）、GPS时（GPST）的基本概念、GPST和BDT在双系统联合定位中的应用。

本次我们将介绍：

• 世界时 UT1 与协调世界时 UTC 的定义；
• 北斗时、GPS时与 UTC 的关系；
• GNSS 接收机如何获取 UTC 时间。

国际原子时TAI

在上一个文章中我们提到了国际单位制（SI）秒的定义：

国际单位制SI秒定义

我们很自然的就会想到：虽然铯原子钟的精度非常高，但是个体之间仍然存在差异。作为国际标准的时间系统，肯定不可能只用某一个铯原子钟做基准，应该用很多的铯原子钟的时间做加权平均。

事实上也是这样的，作为国际标准的时间基准，国际原子时(TAI)，是由全球数百个原子钟的读数加权平均后形成的一种高度均匀、连续的时间尺度，每100万年误差不超过1秒。

世界时UT1和协调世界时UTC

世界时UT1

世界时（UT1），是基于地球自转所定义的时间尺度，反映了地球相对于遥远恒星的实际角位置，在实际应用中，UT1是相对于国际地球参考框架来确定的。

可以这么理解，世界时UT1的流逝速度与地球自转的速率密切相关。如果地球自转是匀速的，那么UT1的流逝速度也将是均匀的、稳定的。

但实际上，地球自转受到多种因素影响，例如：

• 月球和太阳的引力与潮汐作用；
• 地球内部物质运动（如地核与地幔的对流）；
• 大气和海洋质量分布的变化。

这些因素会导致 UT1 的流逝速度产生微小波动。虽然波动幅度较小，但在高精度的卫星导航领域仍不可忽略。

因此世界时UT1更多的被视为一种天文时间，不适合为日常生活中使用的“钟表时间”。

协调世界时UTC

UTC 时是目前国际上最主要的标准时间系统，我们日常生活中使用的手机、电脑、广播电视中等设备显示的时间，几乎都基于 UTC。

新闻报道中常提及的“格林威治时间 GMT”，在现代语境下通常也指的是 UTC。而北京时间则是 UTC+8 小时。

UTC时间是“既要又要”的时间系统。

• UTC采用 TAI 的稳定流逝速度，具有极高的均匀性和稳定性；
• 同时通过引入“闰秒”机制，使 UTC 与地球自转保持大致同步。

由于地球自转不均匀，UTC 与 UT1 的差异会逐渐增大。为了控制这种偏差，人们引入了 闰秒机制。

闰秒机制

UT1 与 UTC 之间的关系，可以用一个简单的公式来表示：UT1 - UTC = ΔT。这个差值ΔT直观地反映了地球自转相对于原子时标的快慢。

为了将ΔT控制在一个较小的、可接受的范围内，人们想到了采用闰秒的方法，通过在某个特定的时间点插入闰秒，确保 UTC时间既具备原子时的高度稳定性，又能与地球自转保持大致同步。

国际上有一个专门的组织：国际地球自转服务(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)，这是一个负责监测地球自转和维护全球参考框架的国际组织。他们会定期定期发布地球自转参数和闰秒信息，决定在什么时间点在UTC时间中插入闰秒。

按照IERS的相关公告：当 UTC 与 UT1 的差值接近 ±0.9 秒时， UTC时间插入或删除一秒（从历史上看绝大多数情况都是插入一秒），最终的目的是保持UTC和UT1的差值 ΔT永远在0.9s以内。

这个插入闰秒的时间点通常在某年的6 月 30 日或 12 月 31 日的最后一分钟进行。

比如：

在插入闰秒时，UTC 时间会从 23:59:59 直接跳到 23:59:60，然后再进入下一天的 00:00:00。

而UT1时间始终是连续的，会按照正常的、连续的流逝速度跨过午夜。UT1时间从 23:59:59 直接跳到下一天的 00:00:00。

通过这种闰秒协调机制，UTC 既保持了原子时的高稳定性，又最大程度地贴合了地球自转的实际情况，为全球各个领域提供了可靠的时间基准。

北斗时、GPS时和UTC时

在上一个文章中，我们提到了北斗时是北斗卫星导航系统内部维持的时间系统，而GPS时是GPS卫星导航系统内部维持的时间系统。北斗时和GPS时都是基于原子钟的，是连续的时间尺度，不存在闰秒，一旦开始计数，就始终以原子时的速率均匀的前进，不会因为地球自转速度的不均匀而调整。

GPS时间是UTC时间1980年1月6日00:00:00时刻开始的，在那个时刻，GPST=UTC，两者是同步的，但是由于UTC会在某些时刻插入闰秒，而GPST时间没有闰秒，所以UTC和GPST之间会产生一个整数秒的累计差值，这个差值就是当前的闰秒数。在2017年1月1日，UTC累计引入了18个闰秒，而2017年至今，UTC没有引入新的闰秒，所以目前UTC=GPST-18。

同理，北斗时间是UTC时间2006年1月1日00:00:00时刻开始的，在那个时刻，BDT=UTC，两者是同步的。由于UTC会插入闰秒，所以UTC和BDT之间也会产生一个整数秒的差值。从2006年1月1日到今天，UTC引入了4次闰秒（2008年12月31日、2012年6月30日、2015年6月30日和2016年12月31日），所以目前UTC=BDT-4；

GNSS接收机如果获得卫星时间和UTC的差值

GPS卫星和北斗卫星播发的导航电文中带有卫星时间GPST、BDT和UTC的差值，GNSS接收机在接收到卫星信号后，会解析导航电文，并从导航电文中读取UTC修正参数。利用UTC修正参数，GNSS接收机可以将自己内部计算出的GPST或BDT转换为标准的UTC时间，并输出给用户。

当UTC发生新的闰秒时，国际地球自转服务(IERS)会提前公布，GNSS主控站也会更新导航电文中的闰秒参数，卫星也会广播这些更新后的信息，GNSS接收机在收到这些更新后会自动调整其UTC转换逻辑。

由于卫星时间GPST、BDT和UTC的差值修正参数是在卫星广播的电文中播发，但是差值修正参数重新播发的周期较长。为了避免GNSS接收机上电之后，由于没有及时收到电文中的UTC修正参数导致刚开始定位的时候，输出的UTC时间出现错误。卫星播发的电文中会提前告知UTC闰秒发生的时刻，给GNSS接收机留出足够的时间来调整UTC闰秒。

根据GPS官方的ICD文件IS-GPS-200 §20.3.3.5.2.4 。在GPS卫星播发的导航电文中会广播UTC修正参数，包括：

• A0(UTC与GPST的非整数秒偏移量)；
• A1(偏移量的变化率)；
• WN(闰秒生效的GPS周数)和DN(闰秒生效的GPS周内天数)
• △Ts(当前的闰秒总数)
通过这些参数，GNSS接收机可以精确地计算出当前的UTC=GPST-(当前的闰秒总数+A0+A1×(tepsT-tref)。

同理，在北斗卫星播发的导航电文中，有北斗时BDT和UTC的时间同步参数。

北斗导航电文中的北斗时和UTC修正参数

其中闰秒参考时间周计数WNlsf和闰秒参考时间日计数DN，就代表了闰秒发生的时刻。只要GNSS接收机收到了这个信息，就可以把信息存储在存储器中。下次上电开机的时候，即使GNSS接收机没有收到导航电文中的UTC修正参数，也能从存储器中读取UTC闰秒发生的时刻，从而决定当前是否需要调整输出的UTC闰秒。

GNSS接收机读取UTC修正参数之后，按照给定的公式，就可以计算出北斗时和UTC时间的差值，然后输出定位信息。目前GNSS接收机输出的数据信息中，时间一般都用UTC时间。比如NMEA0183语句中，时间就是UTC时间。

GGA语句中的UTC时间时分秒