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0学术讲座高精度标准时间的产生与保持中科院国家授时中心王正明2011-6-21提纲时间尺度的概念国际标准时间的产生和保持区域性标准时间的产生与保持UTC的未来2一.时间尺度的概念概念：一个表明事件发生的明确顺序的系统。该系统包含构成时间尺度的2个要素1.时刻原点2.时间间隔以及可能引入的修正等两种不同类型的时间尺度：动力学时间尺度积分时间尺度3两种不同类型的时间尺度：动力学时间尺度：时间尺度通过对一个动力学物理系统的观测，用数学模型来描述该系统，时间尺度是用于该模型中说明该系统结构的一个无二义性的参数，例如世界时和历书时。时间测量就变成了位置的测量，时间单位是特别定义的一个持续时间。UT1和ET。4ET：历书时由地球绕日公转理论（包含了月球绕地球运动）而定义，ET用太阳平黄经的公式导出。ET的初始点选择在1900年初ET和UT近似一致。ET秒定义为1900年1月0日12hET时可一个回归年长度的1/31556925.9747。这是1960～1967年的SI秒。UT：世界时由地球自传观测导出。正比于地球绕轴自传角，比例系数选择为UT1的24小时和平均日长近似，而其相位选择为UT1的0h平均来说对应于Greenwich子夜。平太阳时、平太阳日、平太阳秒1972年之前的全球参考时间尺度，各国法定时间的基础5地球自转产生的时间尺度的稳定性要求用作为时间尺度的动力学系统具有稳定的时间起算点和稳定的运动周期.地球自转的这两个要素是否稳定呢?扰动地球自转的各种力地球自转速率的变化引起日长(因而秒长)的不稳定有周年﹑半年﹑短周期等周期性变化,但周期不稳定,还有长期变化8地球自转长期减慢引起的日长变化月球引力引起的海洋潮汐潮汐作用相当于把地球自转向回拉使一天变长,将来终有一天的长度相当于现在一个月从1815BC至今少了14个小时–根据中国日食记录约1亿年前,一天只有现在的20小时长9•自转速率平均每世纪慢1.4ms，现在比1820年日长长了2.5ms,相当于大约每年1s。10地球自转产生的时间尺度的起算点的变化YXOO′．地方时的起算点为地方子午线与天赤道的焦点,国际标准时间的起算点为本初子午线与天赤道的焦点子午线是经过地极和天顶的大圆地极移动引起子午线位置变化,时间起算点随之而变11PolarMotion(1984-2002)Source:实测的世界时UT受到极移和自转速率变化两者的影响.UT改正了极移影响后,为UT1.日长的变化秒长不相等UT1（改正了极移影响但仍然受到地球自转速率变化的影响）D(t)=86400*ω0/ω(t)d(UT1)=ω(t)/ω0地球自转速率的不均匀性现代技术对时间稳定度的要求:计量﹑导航﹑航天……UT的稳定度:按每天变化量约为1ms10-8以卫星导航为例，对时间同步准确度的要求要保持准确度，就要求钟（产生时间尺度）的频率稳定度积分时间尺度:构成这种时间尺度的两个要素是，其起点为约定的一个固定历元（例如TAI的起点规定为1958年1月1日），它的时间单位由某种物理现象来定义（例如原子时秒长为铯原子133基态的两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间），时间单位无终止的连续积累就构成了时间轴。时间尺度、SI秒定义的改变，随着用户对其准确度的需求和科学技术的不断进步而发展。积分时间尺度和原子时秒的定义“位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9,192,631,770个周期所持续的时间为一个原子时秒。”时间频率的单位(f-f0)/f0=(T0-T)/T0归一化的频率17原子时应运而生UT：不均匀每天变化量约为1ms10-8历书时：以地球绕太阳的公转轨道运动为基础，是理论上均匀的时间尺度，它是由地球、月亮和行星的运动的牛顿运动学来定义的。历书时不容易实现，也不易发播。原子钟的迅速发展产生了新的时间尺度现在的铯钟5071ACs秒长的日变化量约为：(2-3)ns(2～3)-1418TAI国际原子时UTC协调世界时TA(k)地方原子时UTC(k)协调世界时的地方实验室实现原子时间尺度19UTC的定义和产生协调世界时CoordinatedUniversalTimeUTC是由BIPM和IERS保持的时间尺度，是世界各国时间服务的基础。UTC在1972年正式定义，它代表了TAI和UT1的结合。UTC具有与TAI完全相同的计量性质，是原子时，它的速率与TAI速率完全一致，但在时刻上与TAI相差若干整秒。UTC尺度是通过闰秒来调整的，以确保它和世界时UT1近似相同，差异不大于0.9秒(主要根据天文导航和天文望远镜指向的精度要求,需求时间误差小于1s)，它形成了标准时间信号和标准频率的协调发播基础。闰秒发生的日期由IERS决定和通知。BIPM在计算得到TAI时，根据IERS提供的UT1与UTC之差确定闰秒时刻。202008年12月31日23h59m59s—60s—2009年1月1日0h0m0sTAI-UTC=34s212008年12月31日23h59m59s—60s—2009年1月1日0h0m0sTAI-UTC=34s23二.国际标准时间的产生和保持1.国际原子时InternationalAtomicTime（TAI）由BIPM以分布于全世界的大量运转中的原子钟的数据为基础而建立和保持的一种时间尺度。它的初始历元设定在1958年1月1日，在这个时刻TAI与UT1之差近似为零。TAI的速率（尺度单位）定义为，在地球质心参考框架下旋转大地水准面上实现的SI秒，即铯原子133基态的两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770个周期所持续的时间。24TAI是由全球60多个时间实验室合作产生的纸面时间。三种远程时间传递方式1.单向2.共视3.双向CA码、P码CV、AVCV（CommonView）时间传递在时频领域中，共视时间传递就是2个位于不同地点的观测者，用时间接收机在同一时刻接收同一个时间源发出的同一信号中的同一标志，实现两地间的时间比对[T(user1)-GNSS(i)]–[T(user2)-GNSS(i)]=T(user1)-T(user2)[UTC(PTB)–GNSS(i)]-[UTC(k)–GNSS(i)]=UTC(PTB)–UTC(k)[UTC(PTB)–T(GNSS)]-[UTC(k)–T(GNSS)]=UTC(PTB)–UTC(k)卫星轨道参数和电离层参数的精确确定大大提高了T(GNSS)的精度，从而可以采用Allinview，使得China和USA可进行直接的时间比对AV（AllinView）时间传递卫星全视时间传递就是2个位于不同地点的观测者，用各自的时间接收机在同一时刻接收本地上空所有可见的卫星的信号，综合处理得到各自的时间信号UTC(k)与卫星系统综合时间T(GNSS)之差：UTC(k)-T(GNSS)卫星双向时间比对(TWSTFT)UTC(A)–UTC(B)UTC(B)–UTC(A)TWSTFT的优点是发射和接收路径相同，方向相反，消除了卫星、测站位置误差的影响，最大限度地降低了电离层、对流层时延误差的影响，而且通信卫星较宽的带宽有利于信号设计，受温度影响小，TWSTFT时间传递的精度比GPS或GLONASS卫星（伪随机码）共视法的精度高一个数量级。卫星载波相位时间传递实际上卫星载波相位时间频率传递的原理从本质上来说也是一种卫星共视法，但是这种方法与前面所说的共视法不同之处在于，一个是进行码相关观测，而载波相位法是采用载波相关观测。采用码相关法观测的分辩力约为码元宽度的1/100，而载波波长只有码元宽度的1/100（P码）或1/1000（C/A码）。理论上载波相关观测的精度比码相关法的精度要高2～3个数量级。上面所说的卫星共视法的数据处理比较简单，而载波相位时间传递要用特殊的接收机，数据处理相当复杂，要用特殊研制的软件来进行归算。32每个月月初参加TAI合作的各时间实验室向BIPM发送上个月的UTC（k）–GNSStime（或由TWSTFT得到的UTC（j）﹣UTC（k））和UTC（k）–Clock(k,i)的数据(k为实验室代码，i为实验室k的原子钟的序号，i＝1，2，···，n)。BIPM按照下式计算UTC(PTB)–Clock(k,i)=[UTC(PTB)–GNSStime]–[UTC(k)–GNSStime]+[UTC(k)–Clock(k,i)]每个时间实验室每小时（或每秒）都记录其原子钟与地方时间的比对数据UTC(k)–Clock(k,i)BIPM按照确定的原子时算法（ALGOS）对UTC（PTB）–EAL=∑pi(UTC（PTB）–Clock（k，i）)∑pi进行加权平均处理，得到UTC（PTB）–EAL。EAL是全球参加TAI合作的300台左右原子钟加权平均得到的自由原子时。34BIPM再通过时间传递手段得到几个时间实验室的基准频标的频率（进行广义相对论和黑体辐射改正后）的加权平均，用于与EAL的频率进行比对，用分析函数来对EAL的频率进行驾驭而得到TAI。BIPM在每月计算TAI的同时得到参加TAI合作的每一台钟相对于TAI的速率差，以钟速率公报的形式在BIPM网站上发表。UTC=TAI–整秒由此导出UTC-UTC(PTB)根据已知的UTC(PTB)–UTC(k)就得到UTC–UTC(k)BIPM每月公布每隔5天的UTC–UTC(k)值各时间实验室发播的标准时间，是UTC在各时间实验室的物理实现：ITU要求:|UTC–UTC(k)|100nsUTC是纸面时间UTC(k)是物理时间信号三.区域性标准时间UTC(k)的产生与保持铯原子钟（约70万RMB）氢原子钟和辅助设备(200万RMB)2.实验室k的守时系统铯喷泉如何实现UTC(k)？UTC(k)的监控以什么为参考？42原子时TA（k）计算原则和方法43hi4445守时和原子时算法的研究内容•钟的稳定性能分析方法的研究•抑制钟的噪声方法的研究•加权平均中权系统的确定方法•不同性能原子钟（H和Cs）的综合使用•TA长期和短期稳定度的兼顾•可能的相对论改正•UTC（k）的驾驭方法•铯喷泉频率如何用于TA(k)的频率参考,独立自主的保证地方原子时的频率接近于SI秒•远程时间比对技术与算法研究以TA（k）为参考，保证UTC（k）的频率稳定度以铯喷泉的频率为参考，保证UTC（k）的频率准确度以UTC作参考，保证UTC（k）的时间准确度区域性综合原子时充分利用国家的原子钟资源远程时间传递技术发展的重要性四.UTC的未来闰秒带来的麻烦所有的钟都没有第60秒，必须人工调整电信、网络、电脑都需要人工调整第60秒卫星导航系统的时间同步要上传第60秒航天飞机运行中的时间同步航空系统中的时间同步时间信号阀播系统中的时间同步UTC用闰秒的麻烦：时间的不连续性地球自转不规则造成的闰秒发生的不可预报性需要人工操作正负跳秒一错错2秒全球不同地方时，不同时闰秒ITU工作组（经过10年的工作）的建议：UTC不再闰秒，保持与当前TAI的差将来闰时分或闰小时对于人们的生活，差一小时也无所谓（夏时制）天文望远镜的指向完全可以用现代技术来做自动校正连续的时间尺度对计量、电信、导航……都有万利•将提交2014年ITU大会投票表决52