北斗系统时BDT解析.docx

2014 年 2 月宇航计测技术feb ，2014第 34 卷 第 1 期journal of astronautic metrology and measurementvol 34，no 1文章编号: 1000 7202( 2014) 01 0042 04中图分类号: p228文献标识码: a北斗系统时 bdt 解析孙辉1王辽杰2陈洪卿2，3( 1 海军驻天津地区航保军事代表室，天津 300042; 2 海华电子企业( 中国) 有限公司，广州 510656; 3 中国科学院国家授时中心，西安 710600)摘 要 通过解析术语北斗系统时 bdt，讨论与北斗授时应用相关的时间尺度、系统时间、定时误差等问 题，有利于北斗 pnt 组合应用与标准化。关键词北斗( 系统) 时间 周内秒计数 周( 星期) 数 年内分钟计数+ 协调世界时discussing the meaning of beidou system timesun hui1wang liao-jie2chen hong-qing2，3( 1 the navigation guarantee department of chinese navy headquarters，tianjin 300042; 2 haihua electronics enterprise ( china) corporation，guangzhou 510656;3 national time service center，chinese academy of science，xian 710600)abstract it has been shown this paper that there are the differences of the definition explain for beidou system time ( bdt) among various timing specifications in china the cognition resolution for the meaning of bdt has been made clear it may be useful for standardizing application of pnt for beidou and other gnsskey words beidou ( system) time second of week week number minute of year + coor- dinated universal time1引言北斗卫星导航系统时间( bdt) 也称之为北斗 “系统时”，是北斗系统定 位导航授时 ( pnt) 的基 础。作为在授时、定时、时间同步、时间标准化以及 定位导航领域广泛使用的时间术语，bdt 已使用 10 多年了。由于技术和历史的缘故，北斗系统时 bdt 的概念在不同的技术文献或不同场合的曾有过不同 的解读。因此，本文探讨“从一个术语及其标准化 的意义上”去准确、全面解读 bdt，形成一致的概念 和理解，避免歧义。2不同解释的北斗系统时 bdt10 多年 来，在不同文献或不同场 合，北 斗 时bdt 曾有以下不尽相同的定义与解释。2006 年，在北斗卫星导航定位系统授时协议中 有: 北斗时 ( bd time) 是由 bd 1 系统的中心控制系统主用原 子钟提供的时间，北斗时秒长为主用原子钟的秒长， 北斗时 2001 年 1 月 1 日 00h00m00s 为协调世界时 2001 年 1 月 1 日 00h00m00s。北斗时与 utc 同步 精度为 1s。2008 年在报批的 gb“卫星导航定 位系统的时间系统”中有: 北斗导航卫星系统时间( beidou navigation satellite system time，即 bd time， bdt) 与 gps 时一样无闰秒，其起始历元为 2001 年 1 月 1 日 00h( utc) ，即bdt utc( tai utc) 32s“北斗一号”通过设在中国科学院国家授时中 心( ntsc) 的标校站作 bdt 与 utc( ntsc) 的时间 比对，从而将 bdt 溯源到 utc( ntsc) 。2011 年 12 月公布的测试版北斗 icd 文件1 中有: “北斗系统 时间，简称北斗时( bdt) ，是一个连续的时间系统， 秒长取国际单位制 si 秒，起始历元为 2006 年 1 月 1 日 00h00m00s 协调世界时( utc) 。bdt 与 utc 的 偏差保持在 100ns 以内 ( 模 1s) ”。在 最近报批的卫星导航定位系统术语中有: “北斗时( beidou / compass time，bdt) ”北斗卫星导航系统建立、保 持、使用的时间参考标准。采用原子时“秒”为基本 单位，不闰秒。时间起点为 2006 年 1 月 1 日 utc 00h00m00s。在北斗 nss 业务中，bdt 以“整周计 数( wn) ”和“周 内秒计数 ( sow) ”表 示。在北斗 dss 业务中，bdt 以“整年计数( yn) ”和“年内分 钟计数( moy) ”表 示。北斗时与 utc 的偏差 ( 模 1s) 小于 100ns。2012 年 12 月公布的北斗卫星导航系统 空间 信号接口控制文件 公开服务信号 b1i( 1 0 版) 2 中有: 北斗系统的时间基准为北斗时( bdt) 。bdt 采用国际单位制( si) 秒为基本单位连续累计，不闰 秒，起始历元为 2006 年 1 月 1 日协调世界时( utc) 00h00m00s，采用周和周内秒计数。bdt 通过 utc ( ntsc) 与国际 utc 建立联系，bdt 与 utc 的偏差 保持在 100ns 以内( 模 1s) 。bdt 与 utc 之间的闰 秒信息在导航电文中播报。由上述 5 个代表性的文件，不难看出其间的解 读 bdt 的差异和歧义。3北斗系统时解析3 1时间尺度与时间系统时间含有“时刻”和“时间间隔”两层有区别又 密切相关的涵义。时刻是指时间坐标轴上瞬间的 “点”，时间轴的起始“点”称为“原点”。时间轴上 两“点”之间的“时间差”称为“时间间隔”。时间轴 上某一瞬间“点”的时刻( 值) 是用该“点”到“原点” 之间的“时间间隔”( 包含不同的“时间计量单位”) 进行度量表征。因此，任何一个用以表征时间的 “时间尺度”或“时间系统”，必须包括“一维时间坐 标轴、时间原点和时间计量单位”三要素。在时间 长轴上确定或规定计时原点并选用不同的计时单位 ( 如日、年、秒) ，就得到不同的时间计量系统或时间 尺度。3 2 导航系统的时间尺度系统时卫星导航系统，如同地面的罗兰 c 导航系统， 是构成天基定位导航授时( pnt) 功能的基础设施。 导航系统所使用的“坐标系”和“系统时”是系统产 生 pnt 能力的基础。坐标系为 pnt 提供大地基准， 系统时为 pnt 提供时间尺度。导航卫星定轨计算 中所用的监测站坐标、重力场模型和地球定向参数 ( 极移、地球旋转角、岁差、章动) 等决定了导航系统 所使用的坐标系，导航电文中的卫星星历是该“坐 标系”的体现。卫星信号( 如伪随机码测距信号) 时 标和钟差改正数，则是“系统时”的体现。由“坐标 系”和“系统时”构成的导航系统，其时空架构是一 体的、密不可分的。由时间同步角度看，卫星导航系 统就是一个时间同步系统，系统时是影响其定位精 度和授时精度的关键。不同的卫星导航系统都有各自的系统时间。如 同北斗系统时 bdt 一样，gps 系统时为 gpst，gali- leo 系统时为 gst，glonass 系统时为 glot。他们 都可溯源到 utc / tai。由于溯源误差的存在，由不 同导航系统得到的 utc / tai 是不同的，他们之间的 偏差就是系统时间偏差。3 3 系统时的作用各个卫星导航系统的“系统时”的作用有以下 四项。1) 为卫星钟的精密预报( 改正数) 提供稳定的 时间参考;2) 计算卫星位置状态、预测卫星星历改正数;3) 支持时间业务和服务;4) 支持不同导航系统之间兼容换算要 求 “系统时”与 tai / utc 之间的同步精度应在允许的 误差范围之内; 利用 tai / utc 的长期稳定性保证 “系统时”的长稳( 至 1 月) ，监测“系统时”与 utc 的偏差，提供系统时相对于 utc 的改正数，监测每 个星载钟相对于 utc 的改正数，便于与其它 系统 ( 导航系统、时间计量系统) 兼容和换算。3 4 解析北斗系统时 bdt由前述几种对北斗系统时 bdt 的定义解释，可 以看出，不同时期、不同场合解读的 bdt 不尽相同。44宇航计测技术2014 年bdt 作为一个实际使用的时间( 尺度) 参考，其定义 解读还将影响北斗系统 的“授 时精 度”、“定 时 精 度”、“授时不确定度”、“定时不确定度”等术语。因 此，有必要认真界定、解读系统时 bdt。3 4 1 bdt 的原点bdt 的起始历元为 2006 年 1 月 1 日协调世界 时( utc) 00h00m00s，该时刻为 bdt 的原点; 此刻， bdt utc = 0。该时刻，国 际规定 dtai = tai utc = 33s。所以bdt tai = 33sbdt 是原子时，不闰秒，任何时候都与 tai( 在 整数秒上) 相差 33s。3 4 2 bdt 的基本计时单位秒长bdt 采用国际单位制( si) 秒为基本单位连续 累计，位于北斗地面中心站的主( 原子) 钟是其物理 实现，并受中国 utc( k) 驾驭，得到 bdt 的实际“秒 长”( 基本计时单位) 。3 4 3 bdt 的导出计时单位在 bdt 基本秒长的基础上得出多个导出计时 单位。在北斗导航电文中体现北斗系统时的就有 bdt 的“分”、“日( 天) ”、“周( 星期) ”、“年”等导出 计时单 位。 累 积 bdt 的 60s 为 1m，累 积 bdt 的 86 400s 为 1 日，累积 bdt 的604 800 s 为 1 个 bdt 的星期( 周) 。1 个 bdt“年”包含 52 个整数“周”和 1 个小数( 尾数) “周”。该尾数值不固定，随该年尾 数周的“历元”和是否是闰年而变化。3 4 4 bdt 的“周”与“周( 计) 数”bdt 的“周”是北斗 nss 业务( 导航电文) 中 最频繁出现使用的计时单位，其长度规定为604 800 s( bdt) ，规定 2006 年 1 月 1 日的 0h ( utc) ( 也是 bdt 的 0h_ ) 所在的“星期”为起始周 ( 0 周) 。bdt 的“周数”( week number，wn) 不间断累加计数，累 千进万。在北斗 nss 业务导航电文中之所以出现返转 “置零”，是由于为不同用途 的“消 息”设 计的存置 “wn 周数”的二进制“比特( bit) ”位数是受限的，如 “wn”消息限为 13bit，就只能是( 0 8 191 ) 周( 约 158 年) ; 而“wna ”消息、“wnlsf ”消息各是 8bit，对 应的就是( 0 255) 周( 约 5 年) 。因存置消息的比 特位数受限，导致“返转”重新置零，也会使北斗电 文消息中的“wn”数值复现“0 周”，产生类似 gps 的所谓“千年虫”问题。不过，北斗 wn 电文中复现 0 周的概率远比 gps 的小，150 年后才会有一次。这是从 gps“千年虫”吸取的教训。必需明确的是， 在 bdt 时间坐标长轴上，bdt 周数是无穷大，不存 在导航电文 wn 数值周期性出现的返转“置零”问 题。3 4 5bdt 的“周内秒”bdt 的“周内秒”是“周内秒计数”( “second of week”，sow) 的简称，也是北斗系统使用频繁的计 时手段。在北斗 nss 业务 d1、d2 卫星导航电文 中，每一子帧的第( 19 26) bit 和第( 31 42) bit( 共 20bit) 给出 sow 计数。其值最小为 0，最大不超过604 800s，与 bdt 的 秒 一 一 对 应。 它 在 每 星 期 日00h00m00s( bdt) 从 0 开始该周的 sow 计时，累加 递增，经过 1 周( 604 800s) 后又返转为 0; 与此同时， bdt 的“周数”( wn) 也递增 1。有时也将星期日的 0s ( bdt ) 称 之 为 该 星 期 sow 计 时 的“参 考 原 点”周内秒计时的“历元”。3 4 6bdt 的“日( 计) 数”由于 sow 周内秒数值成千累万，在表征某天新 闰秒生效等特殊事件不便记忆和操作，所以在北斗 nss 业务导航电文中同时引入 bdt 的“( 周内) 日 ( 计数) ”计时，简称“( 周) 日数”( day number，dn) 。 在 d1、d2 导航电文的子帧 5 都有 8 比特发播 dn 信 息。其值最小为 0，最大不超过 7。3 4 7bdt 的“年( 计) 数”与“年内分”北斗 dss 业务中，bdt 也以“( 整) 年( 计) 数” ( year number，yn) 和“年内分 ( 计数) ”( minutes of year，moy) ，简称“年内分”标识、计量时间。dss 业务每个超帧的第 1 帧 第 129 帧，广播与授时相 关的参数标记本超帧第 1 帧所对应的 bdt 时 刻moy“年内分( 计数) ”和 yn 年数; 同时还给 出 bdt 与 utc 之间的整数秒差和小于 1s 的小数秒 时差改正值等。3 4 8bdt 与星载钟时间北斗系统时 bdt 目前由位于地面中心站的主 ( 原子) 钟实现，通过卫星双向时间传递技术传递给 系统的监测站钟和卫星星载钟。由星载钟的时间驱 动卫星信号发射，在导航电文中发播 74bit 的星载 钟的钟差参数( toc ，a0 ，a1 ，a2 ) 。用户终端正是通过 接收测量解算码元相位和星载钟钟差参数改正，通 过星载钟( 时间) 溯源复现得到 bdt。3 5bdt 与国际标准时 utcbdt 通过 utc( ntsc) 与国际标准时 utc 建立 联系，bdt 与 utc 时间差( 值) 分为“整数秒部分”和“小数秒部分”( 也称“秒内偏差”) 。bdt 与 utc 的秒内偏差要求保持在 100ns 以内。北斗导航电文 有 88bit 发布 bdt 与 utc 时间同步参数bdt 相对于 utc 的钟差 a0 utc 和钟速 a1 utc 以及闰秒信 息等等。用户终端利用这些参数，可以获得更高的、 相对于 utc 的定时精度。bdt 与 utc 之间的整数秒差值( 变值) 的关系式为bdt utc + dtai 33s( 1)式中: dtai由国际权度局 bipm 和国际地球自 转服务组织 ies 协作规定的、随 utc 发生闰秒事 件而变化的变量，由国际授时组织适时预报和公布， dtai = tai utc( 整秒) 。2013 年 12 月，dtai = 35s，bdt utc + 2s，即某一事件发生时刻，用 bdt 计 量 标 示，要 比 用 utc 计量的日期、时刻，提前 2s。同样，bdt 的“星 期”历元也比日常用 utc 的“星期”历元要早 2s。 随着 utc 闰秒事件发生，该值会变，不是常数。其 它如岁首、月初、闰秒发生时刻等等，都存在这样的 差别。3 6bdt 与其他系统时各国的卫星导航系统都有各自的系统时间。北 斗系统时 bdt 属于不发生闰秒的原子时，由主时钟 方式产生，通过 utc( ntsc) 溯源到 utc。gps 系统 时 gpst 也是不闰秒的原子时，由综合时钟方式产 生，由 utc ( usno) 溯 源 到 utc。 galileo 系 统 时 gst 也是不闰秒的原子时，以主时钟方式产生，直接 溯源到 tai。glonass 系统时 glot 是与 utc 同 步发生闰秒的系统时，通过 utc( su) 溯源到 utc。 北斗和 gps，galileo 系统都在导航电文中广播各自 系统时相对于 utc 以及其他系统时之间的“秒内偏 差”( 预报值) 。gpst 与 gst 的系统时间偏差可能 是几十纳秒。北斗导航电文除给出 bdt 与 utc 时 间同步参数外，还将用 30 比特分别给出与 gpst 的 同步参数 a0 gps ，a1 gps ，与 gst 的同步参数 a0 gal ， a1 gal ，与 glot 的同步参数 a0 glo ，a1 glo 。利用这些 同步参数修正系统时之间的偏差，将减小溯源偏差 和减小多模用户终端 pnt 解的结果偏差。bdt 与 utc，tai 及其他卫星系统时之间( 整秒 数)