相对论框架下的时间系统.pptx

空间大地测量学空间大地测量学第二章、时间系统第二章、时间系统1相对论框架下的时间系统第1页第二章第二章 时间系统时间系统2.1、相关预备知识、相关预备知识2.2、恒星时和太阳时、恒星时和太阳时2.3、历书时、历书时2.4、原子时、原子时2.5、原子钟、原子钟2.6、脉冲星时、脉冲星时2.7、相对论框架下时间系统、相对论框架下时间系统2.8、时间传递、时间传递2.9、空间大地测量中惯用计时方法、空间大地测量中惯用计时方法2相对论框架下的时间系统第2页2.1 相关预备知识相关预备知识时间是一个非常主要物理量，比如：n GPS卫星以3.9 KM/S左右速度围绕地球高速运动。当我们要求观察瞬间卫星位置误差1CM时，所给出观察时刻误差应2.610-6秒。n 用测距码进行伪距观察时，若要求该距离误差0.1米，则信号传输时间测量误差应310-10秒。2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念3相对论框架下的时间系统第3页2.1 相关预备知识相关预备知识n 时间包含了两种概念，时间间隔和时刻。n 时间间隔是指事物运动处于两个(瞬间)状态之间所经历时间过程，它描述了事物运动在时间上连续情况。n 时刻是指发生在某一现象时间。n 时间系统要求了时间测量标准，包含时刻参考基准和时间间隔尺度基准。n 时间系统框架经过守时、授时和时间频率测量比对技术在某一区域或全球范围内来实现和维持统一时间系统。2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念2.1 相关预备知识相关预备知识2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念4相对论框架下的时间系统第4页1.时间基准时间测量所需要公共标准：时间起算基准时间起算基准和尺度基准一起决定事件发生时刻时间尺度基准尺度基准决定两事件之间时间间隔，也就是决定时段2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念5相对论框架下的时间系统第5页1.时间基准时间基准条件某种运动可作时间基准条件运动是连续、周期性运动周期充分稳定运动周期必须含有复现性沙漏游丝摆轮摆动石英晶体振荡原子谐波振荡2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念6相对论框架下的时间系统第6页1.时间基准n主要时间基准及其依赖运动:q地球自转-是建立世界时时间基准，其稳定度为110-8（UT2）2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念7相对论框架下的时间系统第7页1.时间基准n主要时间基准及其依赖运动:q行星绕太阳公转运动（开普勒运动）-建立历书时时间基准，其稳定度为110-102.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念8相对论框架下的时间系统第8页1.时间基准n主要时间基准及其依赖运动:q原子谐波振荡-建立原子时时间基准，其稳定度为110-10。2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念9相对论框架下的时间系统第9页2.守时系统n定义q被用来建立和维持时间频率基准，确定任一时刻时间系统（时钟）。n方法q经过时间频率测量和比对技术来评价和维持该系统不一样时钟稳定度和准确度，并据此给与不一样权重，方便用多台钟来共同建立和维持时间系统框架。2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念10相对论框架下的时间系统第10页3.授时n过程q经过授时设施向用户传递准确时间信息和频率信息。n服务用户q不一样用户有着不一样精度和方便程度需要，为此建立了不一样传递精度、和不一样方便程度授时方法，满足他们需求：n电话、网络、无线电、专用长波和短波电台，电视、卫星等n授时单位和机构 q国际计量局(BIPM)时间部(提供国际原子时和协议世界时)；q美国海军天文台(提供GPS时)；q我国时间服务由国家授时中心(NTSC)提供；2.1.1 相关时间一些基本概念相关时间一些基本概念11相对论框架下的时间系统第11页yZXrM2.1.2 天球基本概念天球基本概念 天球是为了研究天体视位置和视运动而引进一个假想天球，其定义为以任一点为球心，以无穷大为半径所做球体。12相对论框架下的时间系统第12页（1）天轴和天极q过天球中心并平行于地球自转轴直线称为天轴；天轴与天球交点称为天极，其中：n北天极PNn南天极PS。（2）天球赤道面及天球赤道q经过天球中心M作一个与天轴垂直平面，该平面称为天球赤道面。q天球赤道面与天球交线称为天球赤道。PNrMPS天球赤道2.1.2 天球基本概念天球基本概念13相对论框架下的时间系统第13页（3）天顶和天底q过测站点铅垂线向上方延伸与天球交点称为该点(天文)天顶。q向下方延伸与天球交点称为该点(天文)天底。（4）天球子午面与子午圈q经过天轴及某点天顶所做平面称为天球子午面。q天球子午面与天球交线称为天球子午圈。rMPNPS天球赤道天球子午圈2.1.2 天球基本概念天球基本概念14相对论框架下的时间系统第14页（5）时圈q经过天轴平面与天球相交而形成半个大圆称为时圈。（6）黄道q地球绕日公转轨道平面与天球交线称为黄道。q在地球上观察太阳时，太阳在黄道上进行视运动。q黄道平面与赤道平面夹角称为黄赤交角，大约为23.5。MPNPS天球赤道天球子午圈黄道N S2.1.2 天球基本概念天球基本概念15相对论框架下的时间系统第15页（7）黄极q过天球中心作垂直于黄道平面垂线，该垂线与天球交点称为黄极。（8）春分点q黄道和赤道交点称为春分点和秋分点。q其中太阳从天球南半球穿越赤道进入北半球时交点称为春分点。春分点、北天极，以及天球赤道等是建立天球坐标系中主要基准点和基准面。MPNPS春分点秋分点天球子午圈黄道N S天球赤道2.1.2 天球基本概念天球基本概念16相对论框架下的时间系统第16页n 地球自转是一个连续性周期性运动。n 早期因为受观察精度和计时工具限制，人们认为这种自转是均匀，所以被选作时间基准。n 恒星时和太阳时都是以地球自转作为时间基准，其主要差异在于量测自转时所选取参考点不一样。2.2 恒星时和太阳时恒星时和太阳时17相对论框架下的时间系统第17页n 恒星时是以春分点作为参考点。春分点连续两次经过地方上子午圈时间间隔为一恒星日。以恒星日为基础均匀分割而取得恒星系统中“小时”、“分”和“秒”。n 因为章动影响，地球自转轴在空间方向是不停改变，故春分点有真春分点和平春分点之分。对应恒星时也有真恒星时和平恒星时之分。n 真恒星时也即真春分点地方时角记为LAST，平恒星时也即平春分点地方时角记为LMST，这二者只差即为真春分点和平春分点之差，为黄经章动，为黄赤交角。2.2 恒星时和太阳时恒星时和太阳时2.2.1 恒星时（恒星时（Sidereal Time,STSidereal Time,ST）2.2 恒星时和太阳时恒星时和太阳时2.2.1 恒星时（恒星时（Sidereal Time,STSidereal Time,ST）18相对论框架下的时间系统第18页1.真太阳时 真太阳时是以太阳中心作为参考点，太阳中心连续两次经过某地上子午圈时间间隔称为一个真太阳日；再均匀分割为小时、分和秒。因为地球围绕太阳公转轨道为一椭圆，其运动角速度是不相同，再加上地球公转是位于黄道平面，而时角是在赤道平面量度这一原因，故真太阳时长度是不相同。2.2 恒星时和太阳时恒星时和太阳时2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）19相对论框架下的时间系统第19页2.平太阳时 用一个假太阳来代替真太阳。这个假太阳也和真太阳一样在做周年视运动，但有两点不一样：u 其周年视运动轨迹位于赤道平面而不是黄道平面；u 它在赤道上运动角速度是恒定，等于真太阳平均角速度。我们称这个假太阳为平太阳；以地球自转为基础，以上述平太阳中心作为参考点而建立起来时间系统称为平太阳时。2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）20相对论框架下的时间系统第20页2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）2.平太阳时n 因为平太阳是一个假想看不见东西，所以能够经过直接观察真太阳然后再依据真太阳和平太阳之间关系将真太阳时化为平太阳时，但精度不高。n 也能够经过观察恒星，然后化算为平太阳时。n真太阳时 与平太阳时 之差称为 ，即其值 能够从天文年历中查取。一年中，其数值在-14m24s至+16m21s间改变 21相对论框架下的时间系统第21页4.世界时民用时是一个地方时。同一瞬间，位于不一样经线上民用时是不一样。1884年在华盛顿召开国际子午线会议决定,将全球分为24个标按时区。从格林尼治零子午线起，向东西各7.5为0时区，然后向东每隔150为一个时区，分别记为1、2、3、23时区。在同一时区统一采取该时区中央子午线地方民用时，称为区时。2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）4.世界时n民用时是一个地方时。同一瞬间，位于不一样经线上民用时是不一样。n1884年在华盛顿召开国际子午线会议决定,将全球分为24个标按时区。从格林尼治零子午线起，向东西各7.5为0时区，然后向东每隔150为一个时区，分别记为1、2、3、23时区。n在同一时区统一采取该时区中央子午线地方民用时，称为区时。2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）22相对论框架下的时间系统第22页yZX4.世界时n格林尼治零子午线处民用时(即零时区区时)称为世界时。伴随科学技术发展，人们发觉：u地球自转轴在地球内部位置是在改变，即存在极移现象；u地球自转速度也是不均匀。它不但包含长久减缓趋势，而且还会有一些短周期改变和季节性改变，情况比较复杂。2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）23相对论框架下的时间系统第23页2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）4.世界时n为了填补上述缺点，从1956年起，便在世界时UT中加入极移更正 和地球自转速度季节性更正 。由此得到世界时分别称为UT1和UT2。式中，、分别为天文经度和天文纬度。是以贝塞尔年为单位日期，；为儒略日。24相对论框架下的时间系统第24页4.世界时n在UT2中含有地球自转速度长周期改变项和不规则改变项，所以它仍不是一个严格均匀时间系统。因为世界时与太阳时保持亲密联络，因而在天文学和人们日常生活中被广泛采取。不过这种时间系统在很多高科技高精度应用领域无法使用。2.2.2 太阳时（太阳时（Solar Time,STSolar Time,ST）25相对论框架下的时间系统第25页n定义n为了防止世界时不均匀性，1960年起引入了一个以地球绕日公转周期为基础均匀时间系统，称为历书时。历书时是一个以牛顿天体力学定律来确定均匀时间，并成为牛顿时。n历书时秒长n为1980年1月0.5日所对应回归年长度1/31556925.9747(地球绕日公转时两次经过春分点时间间隔为1回归年)。n历书时起点定义n以19初太阳平黄经为瞬间即191月0日世界时12h作为历书时191月0日12h。n历书时测量n将观察得到天体位置与用历书时计算得到天体历表比较，就能内插出观察瞬间历书时。2.3 历书时（历书时（Ephemeris Time,ET）26相对论框架下的时间系统第26页n缺点q太阳、月球、行星历表中位置与一些天文常数相关。若修改这些天文常数进行，将造成历书时不连续；q因为月球视面积很大，边缘又很不规则，极难准确找准其中心位置，所以求得历书时比理论精度要差多；q要经过较长时间观察和数据处理才能得到准确时间；q因为星表本身误差，同一瞬间观察月球与观察行星得出历书时ET可能不相同。n现实状况q1967年国际计量会议决定用原子时秒长作为时间计量基本单位；q1976年国际天文协会又决定从1984年起在计算天体位置，编制星历时用力课时取代历书时。2.3 历书时（历书时（Ephemeris Time,ET）27相对论框架下的时间系统第27页1.原子时定义 概念生产力发展，科技水平提升，要求高准确度和稳定度时间系统。原子能级跃迁时，会发射或吸收电磁波；电子波频率很稳定，以上现象很轻易复现，所以原子能够作为很好时间基准。20世纪50年代建立了以物质内部原子运动为基础原子时。秒长 铯133元子基态，在两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770周所持取得时间为一个原子秒。起点原子时起算历元1958年1月1日0h,其值与UT2相同。实际上(AT-UT2)1958.0=-0.0039s2.4 原子时（原子时（Atomic Time,AT）28相对论框架下的时间系统第28页2.国际原子时(Temps Atomigue InternationalTAI)原子时是由原子钟来确定和维持。但因为电子元器件及外部运行环境差异，同一瞬间每台原子钟所给出时间并不严格相同。为了防止混乱，有必要建立一个更为可靠、更为均匀、能被世界各国所共同接收统一时间系统国际原子时TAI。TAI是1971年由国际时间局建立。当前，依据全球58个时间试验室(截止12月)中大约240台自由运转原子钟所给出数据，采取ALGOS算法将得到自由原子时EAL，再经时间频率基准钟进行频率修正后求得；2.4 原子时（原子时（Atomic Time,AT）29相对论框架下的时间系统第29页3.协调世界时(UTC：Universal Time Coordinated)稳定性和复现性都很好原子时能满足高准确度时间间隔测量要求，但有不少领域，如天文导航、大地天文学等又与地球自转有亲密关系，离不开世界时。为同时兼顾上述用户要求，国际无线电科学协会于20世纪60年代建立了协调世界时UTC。协调世界时秒长严格等于原子时秒长，而协调世界时与世界时UT间时刻差要求需要保持在0.9秒以内，不然将采取闰秒方式进行调整。2.4 原子时（原子时（Atomic Time,AT）30相对论框架下的时间系统第30页2.4 原子时（原子时（Atomic Time,AT）*IERSBULLETIN-A *Rapid Service/Prediction of Earth Orientation *30 August Vol.XX No.035GENERAL INFORMATION:To receive this information electronically,contact:ser7maia.usno.navy.mil or use MJD=Julian Date-2 400 000.5 daysUT2-UT1=0.022 sin(2*pi*T)-0.012 cos(2*pi*T)-0.006 sin(4*pi*T)+0.007 cos(4*pi*T)Where pi=3.14159265and T is the date in Besselian years.TT=TAI+32.184 secondsDUT1=(UT1-UTC)transmitted with time signals =-0.2 seconds beginning 14 June at 0000 UTCBeginning 1 January:TAI-UTC(BIPM)=33.000 000 secondsThe contributed observations used in the preparation of this Bulletin are available at.The contributed analysis results are based on data from Very Long Baseline Interferometry(VLBI)，Satellite Laser Ranging(SLR)，the Global Positioning System(GPS)Satellites，Lunar Laser Ranging(SLR)，and Meteorological predictions of variations in Atmospheric Angular Momentum(AAM).COMBINED EARTH ORENTATION PARAMETERS:IERS Rapid ServiceMJDxerroryerrorUT1-UTCserrors7 8 24 54336.20660.00009.27735.00009-.162636.0000137 8 25 54337.20470.00009.27498.00010-.162186.0000127 8 26 54338.20298.00009.27257.00010-.161904.0000157 8 27 54339.9.00009.27040.00010-.161906.0000137 8 28 54340.1.00009.26860.00010-.162235.0000137 8 29 54341.7.00009.26701.00009-.162853.0000487 8 30 54342.19941.00009.26548.00010-.163724.000057IERS所给出地球定向参数所给出地球定向参数31相对论框架下的时间系统第31页4.GPS时 GPS时是全球定位系统GPS使用一个时间系统。它是由GPS地面站和GPS卫星中建立和维持一个原子时。其起点为1980年1月6日0h00m00s。在起始时刻GPS时与UTC对齐。国际上有专门单位在测定并公布C0值。2.4 原子时（原子时（Atomic Time,AT）32相对论框架下的时间系统第32页5.GLONASS时nGLONASS为满足导航和定位需要也建立了自己时间系统。我们将其称为GLONASS时。nGLONASS时也存在跳秒，且与UTC保持一致。它们之间有以下关系：n全球时间中心和时间试验室都可用自己原子钟来建立和维持一个“局部”UTC。如由美国海军天文台USNO所建立和维持UTC记为UTC(USNO)。而由BIPM建立和维持全球统一UTC则无需括号说明。2.4 原子时（原子时（Atomic Time,AT）Date0h UTCMJDC0/nsN0C1/nsN1JUN 2854279-5.247-825.976JUN 2954280-5.645-828.673JUN 3054281-8.246-836.371JUL 154282-7.844-834.783JUL 254283-5.846-819.178JUL 354284-3.445-826.780JUL 454285-3.646-838.872UTC(TAI)UTC(TAI)与与GPSGPS时、时、GLONASSGLONASS时之差时之差33相对论框架下的时间系统第33页n概念依据原子在能级跃迁时所产生或吸收电磁波固有而稳定频率所制作时钟称为原子钟。n组成通常由原子频标、石英晶体振荡器及伺服电路等部件组成。2.5 原子钟原子钟34相对论框架下的时间系统第34页2.5 原子钟原子钟2.5.1 发展历史n 1945年美国哥伦比亚大学物理学家教授塞多拉比(Sador Rabi)提出利用原子磁共振技术能够制造高精度时钟。n 1949年美国国家标准局NBS生产了世界上第一台用氨分子作为振荡源原子钟。n 1952年它又研制出以铯原子作为振荡源铯原子钟NBS1。n 1955年英国国家物理试验室NPL研制出第一台长束(longbeam)铯原子钟，英国皇家格林尼治天文台用它来维持时间。n 今后NPL又与美国海军天文台合作来测定在历书时1秒钟铯原子跃迁振荡次数，频率为9 192 631 770Hz。国际计量协会正是依据这一结果来定义国际制秒长。n 与此同时National Company开始研制世界上第一台商品化铯原子钟，这台钟于1956年完成，到1960年该企业共售出约50台原子钟得到了广泛应用。2.5 原子钟原子钟2.5.1 发展历史35相对论框架下的时间系统第35页2.5 原子钟原子钟2.5.1 发展历史 最近几十年来伴随半导体激光技术、原子激光冷却与囚禁技术、离子囚禁技术、相干布居囚禁理论、锁模飞秒脉冲技术(简称飞秒光梳)、原子光晶格囚禁理论和技术、超稳窄线宽激光技术等新理论和新技术应用,使原子钟处于飞速发展阶段。原子钟性能指标被不停刷新，精度平均每提升一个数量级。当前精度最好铯原子喷泉钟准确度已达(45)10-16。原子钟已成为国家战略资源，在相当大程度上反应了一个国家科学技术水平。2.5 原子钟原子钟2.5.1 发展历史36相对论框架下的时间系统第36页2.5 原子钟原子钟2.5.2 原子钟基本工作原理1.铯原子钟工作原理探测器铯原子输出信号反馈线路AB磁铁电炉磁铁晶体振荡器磁铁磁铁2.铷原子钟和氢原子钟工作原理2.5 原子钟原子钟2.5.2 原子钟基本工作原理37相对论框架下的时间系统第37页1.基准型原子钟基准型原子钟是在试验室环境中运行(对运行外部条件有很高要求)含有自我评价能力最高精度时间频率标准。当前在全球已经有15台正在运行或正在研制冷原子喷泉钟。巴黎天文台三台喷泉钟和美国家标准准与技术研究院研制喷泉钟精度和日稳定度都已进入10-16量级。中国计量科学研究院研制铯原子喷泉钟，在判定时准确度为8.510-15。经改进后当前精度已到达5.010-15。2.5 原子钟原子钟2.5.3 原子钟分类2.5 原子钟原子钟2.5.3 原子钟分类38相对论框架下的时间系统第38页2.5 原子钟原子钟2.5.3 原子钟分类2.应用型原子钟1）守时型原子钟守时型原子钟是一个在试验室环境下运行、能长久连续运行稳定可靠频标，用于时间统计和保持。2）星载原子钟当前星载原子钟数量已达400多台。2.5 原子钟原子钟2.5.3 原子钟分类39相对论框架下的时间系统第39页1.铯原子喷泉钟2.离子阱原子钟3.光钟巴黎天文台和美国JILA锶光钟准确度也到达了(23)10-15。即使当前精度仍比不上高精度铯原子喷泉钟，但改进空间还很大，预计其稳定度会比喷泉钟要好。2.5 原子钟原子钟2.5.4 原子钟发展现实状况及趋势40相对论框架下的时间系统第40页是一个快速自转中子星；恒星演化到晚期，原子中电子被压缩到原子核中与质子生成中子，这种星称为中子星。直径普通只有1020km，是宇宙中最小恒星质量和太阳等恒星相仿。脉冲星含有极端物理环境：中心密度可达1015g/cm3表面温度可达1亿度中心温度则高达600亿度中心压力可达1028个大气压磁场强度达108T以上2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.1 脉冲星2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.1 脉冲星41相对论框架下的时间系统第41页2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.1 脉冲星在这种难以想象极端物理条件下，星体将产生极强电磁波，其平均辐射能量为太阳100万倍。中子星自转轴与磁轴普通并不一致，伴随中子星自转，这些辐射束也将在空间旋转。中子星自转周期从数毫秒至数秒不等。毫秒脉冲星自转周期非常稳定，自转周期改变率可小于10-20 s/s。这些脉冲星可成为自然界中最好时钟。2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.1 脉冲星42相对论框架下的时间系统第42页2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.2 脉冲星时 脉冲星只是自然界中一个含有非常稳定自转周期天体。要利用它们自转周期作为时间基准进而来建立一个可供实用高精度时间系统，还有许多基础性工作要做。1.继续寻找脉冲星2.广泛开展长久高精度TOA计时测量n 脉冲信号抵达时间测定精度已达n 只有在广泛开展高精度长时间TOA测量基础上，我们才有可能建立各脉冲星钟模型：2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.2 脉冲星时43相对论框架下的时间系统第43页2.6 脉冲星时脉冲星时2.6.2 脉冲星时3.制订统一要求，协调各国工作，为建立统一脉冲星时创造条件n 当前国际计量局BIPM和美国海军天文台USNO正在开展这一工作。预计在未来5年内，利用全球脉冲星计时观察阵列资料，有望建立一个由10个左右脉冲星所组成综合脉冲星时间基准。为提升原子时精度和行星历表精度以及引力波探测研究等创造良好条件。n我国也开展了脉冲星观察和理论研究工作。在贵州山区建造口径为500m射电望远镜(FAST)必将大大增强我国巡天观察脉冲星能力。脉冲星计时观察精度有望提升到44相对论框架下的时间系统第44页2.7 相对论框架下时间系统相对论框架下时间系统n 牛顿力学认为时间 是与空间位置与能量无关一个独立变量。n 伴随观察技术和计时精度不停改进，这种经典理论与观察结果之间矛盾就开始显现。n 1976年第16届IAU大会作出决议，正式在天文学领域中引进了相对论时间尺度，给出了地球动力课时TDT和太阳系之心动力课时TDB详细定义。n 1991年召开第21届IAU大会上又决定将地球动力课时TDT改称为地球时TT，并引入了地心坐标时TCG和太阳系质心坐标时TCB。45相对论框架下的时间系统第45页2.7 相对论框架下时间系统相对论框架下时间系统1.相对论框架下几个时间系统定义（1）地球动力课时(Temps Dynamigue Terrestre，TDT)地球动力课时是用于解算围绕地球质心旋转天体(如人造卫星)运动方程，编算其星历时所用一个时间系统。地球动力课时TDT与国际原子时TAI间有以下关系：。当前计算卫星位置、编制卫星星历时所用时间都采取地球时TT。（2）太阳系质心动力课时(Temps Dynamigue BarycentrigueTDB)太阳系质心动力课时有时也被简称为质心动力课时。这是一个用以解算坐标原点位于太阳系质心运动方程(如行星运动方程)并编制其星表时所用时间系统。（3）地心坐标时(Temps Coordinate GeocentrigueTCG)地心坐标时是原点位于地心天球坐标系中所使用第四维坐标时间坐标。它是把TDT从大地水准面上经过相对论转换到地心时类时变量。（4）质心坐标时(Temps Coordinate BarycentrigueTCB)质心坐标时TCB是太阳系质心天球坐标系中第四维坐标。46相对论框架下的时间系统第46页2.8 时间传递时间传递 时间传递方法和伎俩很多，不一样方法传递精度、方便程度、所需付出代价及应用范围各不相同。2.8.1 短波无线电时号n 频率普通为3MHZ30MHZ。n 比对方法有耳目法、停表法、电子计数器法和时号示波器法。n 若经时间比对后侧当地钟秒信号与接收到秒信号间时间差为e，则当地钟钟差u可用下式计算：为时号超前发射时间，是一个已知要求值；为无线电信号传输时间，由信号在无线电发射机中时间延迟 、信号在无线电接收机中时间延迟 及信号在空间传输时间 三部分组成。可用下式计算：47相对论框架下的时间系统第47页2.8 时间传递时间传递2.8.1 短波无线电时号依据传输距离不一样，D可分别按以下方法来计算：（1）传输距离在1000km之间 可将地球视为圆球，用球面公式来解算两地之间球面距离式中 为地球半径，为发射机地理经纬度，为接收机地理经纬度。为无线电信号在大气层中传输速度，其经验值为28.5万KM/s。（2）距离大于km 按椭球面上大地线长度公式来计算距离2.8 时间传递时间传递2.8.1 短波无线电时号48相对论框架下的时间系统第48页2.8 时间传递时间传递2.8.1 短波无线电时号（3）距离小于1000km D=2L我国国家授时中心NTSC也在发波短波信号BPM。发射台位于山西省蒲城，发射频率为2.5MHZ、5.0 MHZ、10 MHZ、15 MHZ，交替在全天发播。2.8 时间传递时间传递2.8.1 短波无线电时号49相对论框架下的时间系统第49页2.8 时间传递时间传递2.8.2 长波无线电时号n 主要以地面波形式传输，含有衰减小、传输稳定优点，但传输距离较短。其精度可达1us或更加好。n 假如将长波发射台组成一个台链，则可进行地基无线电导航。其中最有代表性是罗兰C系统。n 导航台链通常是有一个主台和两个以上副台组成。主台和副台均按事先要求时延依次用同一频率发射信号。流动用户只需用接收机测定这些信号抵达时间差后，即可依据发射台已知站坐标用距离差交会(双曲交会)方法来测定自己位置，精度普通可达0.20.5海里。n 80年代后期，我国又先后在南海、东海等沿海地域建立了长波导航台链，既可用于导航也能够负担长波授时服务。2.8 时间传递时间传递2.8.2 长波无线电时号2.8 时间传递时间传递2.8.2 长波无线电时号50相对论框架下的时间系统第50页有源比对n在电视信号空白段插入时间信号编码。用户接收信号并经译码和比对后即可确定当地钟钟差。n20世纪80年代，NTSC和中国计量科学研究院共同制订了有源电视比正确法规。在电视垂直消隐期间空行中插入时频信号，并在中央1、2、4套节目中发播。n时间比对方法：q独立定时法：授时精度约为0.1ms；q共视法：用户在UTC时间0h或12h进行卫星电视时刻比对后，再依据“时间频率公报”上提供数据进行更正，精度为0.1s 2.8 时间传递时间传递2.8.3 电视比对2.8 时间传递时间传递2.8.3 电视比对51相对论框架下的时间系统第51页无源比对q直接采取电视信号中某一行同时脉冲来进行时间比对。q因为该行信号是直接由电视台提供，精度较差，故时间服务部门还需对该行信号进行监测，求得其误差更正数并提供给用户进行修正。q我国选取第6行同时脉冲来进行时间比对。经屡次取平均后，无源比正确精度可达1s。2.8 时间传递时间传递2.8.3 电视比对2.8 时间传递时间传递2.8.3 电视比对52相对论框架下的时间系统第52页 将便携式原子钟搬运至A地与钟A进行比对，然后再将其搬运至B地与钟B进行比对，从而求出A、B两台钟之间相对钟差方法称为搬运钟法。为了提升精度，普通遵照下述标准进行时间比对：尽可能缩短两次比对间时间间隔，因而搬运工作普通均用飞机来完成，也称为飞行钟比对法。在搬运工程中便携式原子钟应处于很好外界环境中。采取往返测方法对搬运钟本身误差进行更正。工作量大，费时耗钱，普通仅用于高精度原子钟间时间比对。2.8 时间传递时间传递2.8.4 搬运钟法2.8 时间传递时间传递2.8.4 搬运钟法53相对论框架下的时间系统第53页提出自20世纪中叶以来，利用卫星进行长距离高精度时间比对技术快速发展，得到了广泛应用，成为一个主要卫星应用领域，利用卫星进行时间比对可分以下两种方法：卫星中继法利用卫星导航定位系统进行精密授时和时间比对2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对54相对论框架下的时间系统第54页1.卫星中继法n 卫星上无需配置原子钟，只转发来自地面站时间信号。n 单向中继法经过电视直播卫星来传递时间信号。其原理与电视无源比对法相同。因为受到用户和卫星坐标误差，大气传输误差及中继时间延迟等原因影响，故精度不是很高，普通为 20s左右。2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对55相对论框架下的时间系统第55页1.卫星中继法双向中继法A、B两站都经过卫星独立地向对方发射时间信号。两站均把当地钟秒信号作为计数器开门信号，把接收到来自于对方经卫星转发信号作为计数器关门信号，分别测得时间差eA和eB。因为双方所受到时间传输延迟误差大小相同、符号相反，故用户和卫星坐标误差、大气延迟误差（对流层延迟，电离层延迟等），以及卫星中继时延等误差均可消去，故时间比对精度可大幅提升，普通可优于10 ns。2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对56相对论框架下的时间系统第56页2.利用卫星导航定位系统进行精密授时和时间比对n 20世纪50年代后，各种卫星导航定位系统相继建立，如Transit、GPS、GLONASS等。单向观察法u授时精度受各种误差影响。以GPS为例，在无SA情况下，授时精度普通只能到达1040 ns左右;共视法u因为卫星星历误差和卫星钟差可得以消除，大气传输误差也能大幅消弱，因而精度可大幅提升。u以GPS为例，比对时其精度可达几个ns或更加好。激光测卫法进行星钟检测精度可达100 ps，进行远距离时间比正确精度可达20 ps，比其它方法精度要高12个数量级。2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对2.8 时间传递时间传递2.8.5 利用卫星进行时间比对57相对论框架下的时间系统第57页NTSC经过专用电话时码服务，计算机加调制解调器方式和语言授时服务 采取电话时码服务（02983890342），用户经过NTSC电话时码接收机即可自行取得标准北京时显示和输出。u工作可靠，成本低廉，可满足中等精度用户需求，为地震台网、水文监测、电力、通信、交通管理等行业提供服务;u精度优于1 ms。计算机加调制解调器方式可提供自动计算机时间服务。电信号码为02983894117。u用户计算机经过调制解调器与电话线连接后，在指定网站(NTSC时间科普网络)中下载专用拨号授时软件NTSC Time，安装后即可拨打NTSC服务专线，同时校正用户计算机时钟;u精度优于0.1s。2.8 时间传递时间传递2.8.6 电话和计算机授时2.8 时间传递时间传递2.8.6 电话和计算机授时58相对论框架下的时间系统第58页n一个数字化邮戳，由公正第三方提供为电子文件和电子交易所作时间证实。以表明该文件或交易于某一时刻已存在，为用户提供可靠时间确认和验证服务。n在数字署名、电子商务/政务、数字产品专利和版权等方面有广泛应用。n详情可参阅NTSC主页面(http:/www.NTSC)。2.8 时间传递时间传递2.8.7 网络时间戳服务（Time Stamp）59相对论框架下的时间系统第59页历法是要求年、月、日长度以及它们之间关系，制订时间序列一套法则。因为地球绕日公转周期和月球绕地球公转周期均不为整天数，而历法中要求年和月长度则只能为整天数，所以需要有一套适当方法来加以编排。主要分为阳历（公历）以回归年为基本单位。阴阳历（农历）以朔望月计月，以回归年计年，二者兼顾。阴历（回历）以朔望月为基本单位2.9 空间大地测量中用到一些长时间计时空间大地测量中用到一些长时间计时方法方法2.9.1 历法(calendar)2.9 空间大地测量中用到一些长时间计时空间大地测量中用到一些长时间计时方法方法2.9.1 历法(calendar)60相对论框架下的时间系统第60页1.阳历（solar calendar）阳历并称公历，是以太阳周年视运动为依据而制订。太阳中心连续两次经过春分点所经历时间间隔为一个回归年，其长度为：其中t为从J.0起算儒略世纪数，即：1月1日所对应回归年长度为365.24218913日2.9 空间大地测量中用到一些长时间计时空间大地测量中用到一些长时间计时方法方法2.9.1 历法(calendar)61相对论框架下的时间系统第61页1.阳历（solar calendar）1）儒略历儒略历是古罗马皇帝儒略恺撒在公元前46年指定一个阳历。一年分为12个月。其中1、3、5、7、8、10、12月为大月，每个月31日；4、6、9、11月为小月，每个月30日；2月在平年为28日，闰年为29日。凡年份能被4整除定为闰年，不能被4整除年份为平年。按照上述要求年平年长度为365日，闰年为366日，其平均长为365.25日。2）格里历格里历又称公历，现被世界各国广泛采取。要求对世纪年而言只能被400整除世纪年才算闰年，公历中每4就要比儒略世纪中4少3天，平均每年长度为365.2425日。2.9.1 历法(calendar)1.阳历（solar calendar）1）儒略历儒略历是古罗马皇帝儒略恺撒在公元前46年指定一个阳历。一年分为12个月。其中1、3、5、7、8、10、12月为大月，每个月31日；4、6、9、11月为小月，每个月30日；2月在平年为28日，闰年为29日。凡年份能被4整除定为闰年，不能被4整除年份为平年。按照上述要求年平年长度为365日，闰年为366日，其平均长为365.25日。2