構建空間守時系統引領時間規則變革

劉 民，劉志宏，盧耀文，夏 天，王乾娟，劉碧野，朱振良，吳夢娟，何梓濱

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

0 引言

2021年7月28日，中國科學技術協會發布了2021年度十項前沿科學問題，《地球以外有統一的時間規則嗎?》從400多項問題難題中脫穎而出，成為業內熱議的科學問題[1]。時間規則是為統一時間而制定的測量和計算時間的方法，也稱為時間計量[2]。對于未來的月球基地、火星基地，以及深空任務的航天器來說，“動鐘變慢，弱引力勢鐘快”的相對論效應對原子鐘的影響不可忽略[3-4]，基于守時-授時的統一時間規則不適用于遠離地球的空間。如何統一時間仍是天文學、計量學、空間科學和技術領域共同問題。

國際天文聯合會（IAU）以往的決議，引入了如地球時和地心坐標時之間的變換常數（LG）、質心動力學時與太陽系質心坐標時之間變換常數（LB），簡化了對相對論效應的處理方法，給出地球上的時間到太陽系質心坐標時的換算關系[5]。然而這些所謂的常數僅適用于觀者在地球上的情況，不適用于地球以外觀者，IAU決議是“坐地觀天”的特例[6]。以往的月球、火星、木星和小行星探測活動中，雖成功運用了天地時間同步技術[7]，但此孤立系統無需與其他系統發生聯系，沒有統一時間的必要。未來空間活動需多系統相互協作，地-月-火星-星際探測器之間要建立互聯網絡，進行超遠距離的聯合觀測、空間預警偵察等與時間強相關的聯合任務，需在有相對論效應的不同位置之間以及原點不同的坐標系之間構建統一時間的規則?？臻g計量正面臨著此類時間統一的問題[8]。前期基于廣義相對論的空間計量理論研究提出了有關時間計量的4方面推論[9]：同時性與坐標系的關系；時間單位與時間測量的關系；國際單位制（SI）秒的約定常數；以及銫原子鐘和脈沖星兩個時間基準。該理論進一步提出了統一時間的兩種模式：“中心守時，局域授時”，和“局域原時，全域坐標時”。該理論還原了愛因斯坦廣義相對論的初衷，把當前的一個標準時間恢復成“原時”和“坐標時”兩個時間，讓時間和空間不可分割。

1 當前守時-授時技術不能應用到地球以外的廣域空間

在守時-授時模式中，國際上有400多臺守時原子鐘，按SI秒的定義復現秒長基準，經過相對論修正，換算到大地水準面上，獲得本地原時。國際計量局（BIPM）比對各地的原時，計算出國際原子時（TAI），再結合與地球自轉周期關聯的世界時（UT1），用閏秒的方式協調TAI和UT1，發布標準時間（UTC）[10]，以上是“中心守時”的過程。不同局域之間，他們的相對速度和所處位置的引力勢不一樣，形成不同的相對論效應，其結果是出現原子鐘走速差異[11-12]。那些位于大地水準面上，或修正后復現大地水準面SI秒的鐘所測量的原時產生了地球標準時間[13-14]，其他鐘都不能按SI秒定義的時間單位走時[15-16]。其他鐘必須放棄自己的原時，同步于標準時間，這是“局域被授時”的過程。從工程實現的角度，考慮相對論效應改正的現有時間規則，可以解決近地空間和類地行星空間的時間統一問題。例如全球衛星導航系統（GNSS）以守時地面站為中心，按照“中心守時，局域授時”模式，向在軌衛星發出授時信號，星載原子鐘無需再復現SI秒的定義，無需測量本地原時，馴服于授時信號，保證同步于標準時間。

據研究脈沖星計時方面的文獻報道[17]，部分脈沖星的周期穩定性很高，可達10-21以上量級，脈沖星能夠提供更為穩定的時間參考。

授時是把標準時間和標準時間單位（秒長）傳遞給用戶的技術，授時距離超過一定的空間范圍將不再適用，原理上不符合空間計量理論的“同一坐標系同時性”原理。有文獻計算，受相對論效應影響，火星原時與地球質心坐標時在1年內的累計誤差可達0.2 s[18]。由此可知，在地球之外，現有的守時-授時技術在統一時間的問題上有理論缺陷。

2 相對時間觀與絕對時間觀

相對時間觀顛覆了傳統的絕對時間觀。要理解空間守時系統概念，先要了解兩種時間觀點的差異。愛因斯坦提出了廣義相對性原理：“一切參考系都是平權的，物理定律在任何坐標系下形式都不改變，即具有廣義協變性”。局域坐標系內的參考時間是用SI秒測量的本地原時，原子鐘復現的原時是上述原理的基礎。不同局域坐標系之間相互觀測對方的時間坐標軸是不均勻的。他們的區別如下：

（1）標準時間惟一性：絕對時間觀認同標準時間的惟一性，用授時信號使用戶同步到標準時間上。相對守時觀認為每個局域都有自己的原時和坐標時，標準時間不唯一；

（2）時間統一的技術：絕對時間觀利用授時信號實現標準時間和標準秒長的傳遞，達到時間統一的目的。相對時間觀用坐標時來統一時間，認為脈沖星能復現坐標時，但是測量脈沖星必須使用自己的原時和軌道參數；

（3）相對論效應簡化常數：絕對時間觀認為相對效應影響可簡化為LG、LB等變換常數，用線性關系傳遞地球和太陽系的坐標時。相對時間觀認為相對論效應是受軌道參數影響的，而LG、LB等的所謂常數僅僅適用于地球軌道，不適用于地球以外；

（4）均勻流逝的時間：絕對時間觀認為標準時間是均勻流逝的，各處均能用標準時間均勻刻度時間坐標軸。相對時間觀認為原時是均勻流逝的，別人的原時不均勻，所謂授時信號在跨越不同局域后變得不均勻；

（5）歷表的索引時間：絕對時間觀認為天體的軌道參數歷表，其索引時間是地球動力學時間和太陽系質心坐標時時間。相對時間觀認為歷表的索引時間應該是觀者的原時；

（6）同時性的約束條件：絕對時間觀認為標準時間可以不考慮空間位置，授時技術能夠同步處于不同位置上的時鐘。相對時間觀認為空間和時間不可分割，同時性只能定義在同一個坐標系內，不同坐標系之間的同時性沒有定義。

通過上述比較，澄清了現階段對時間的模糊理解。絕對時間觀和標準時間以及授時技術是當前使用的最經濟的、局部可實現的、普通大眾容易理解的時間統一方式，但是其理論基礎不是相對論，適用范圍受到限制。相對時間觀是更接近愛因斯坦相對論的、更適用于廣域中不同局域觀者之間的時間統一方式。把現在惟一的僅在大地水準面上復現的標準時間分成兩個時間基準，一個是與各自軌道參數綁定的原時，另一個是在廣域坐標系內一致認同的坐標時，兩者不可相互替代。計量學把銫原子頻率常數作為約定的基本物理量，作為7個基本物理常數之一。對于兩個時間基準，把脈沖星們的周期約定為常數（數組），再用脈沖星復現的坐標時來統一地球以外時間，可以引領未來時間計量的新變革。

3 構建空間守時系統

目前空間守時系統的定義[19]為“建立在太陽質心坐標系上，以SI秒定義、銫原子鐘和脈沖星為基礎，測量原時，統一坐標時的時間測量系統”?？臻g守時系統，也稱為太陽系內的守時系統。當前守時-授時規則適用于局域內部，也能照搬到其他天體，如火星的局域。兩種統一時間的方法有如下不同之處：

（1）守時觀點不同?？臻g守時系統認同相對時間觀，認為原時不能統一，在時間單位的約定是一致的前提下，不同局域坐標系上有各自獨立的守時系統?，F有守時系統則認同絕對時間觀，認為在大地水準面上復現的標準時間是惟一的，其他局域的鐘應保持與標準時間同步；

（2）空間參考系不同?？臻g守時系統以太陽系的質量中心作為坐標原點，脈沖星發出的電磁波進入太陽系內可視為平面波。平面波經過原點的時間為坐標時，把坐標時作為統一時間的共同觀測物理量，每個局域的軌道參數（位置、引力勢和相對速度）若能查表獲知，就可以建立獨立的局域守時系統?，F有守時系統是以地球質心為坐標原點，約定了大地水準面引力常數，把地心坐標時（TCG）外推到大地水準面上，稱為地球時（TT），TT與TCG存在線性化的走速偏差。兩者使用范圍不同，是包含而不是排斥的關系；

（3）基準復現的機理不同?？臻g守時系統用脈沖星復現坐標時，用銫原子鐘復現原時，同時利用了微觀量子穩定性和宏觀慣性穩定性，讓兩者成為平等的、相互獨立的時間的基準?，F有守時系統僅僅依賴多臺原子鐘的加權平均，脈沖星周期的穩定性從屬于量子能級躍遷的穩定性，不是平等關系；

（4）中心化與去中心化?？臻g守時系統是去中心化的開放系統，任何局域系統只要其軌道參數可測，就能成為獨立的局域守時系統，各系統之間沒有授時關系?，F有守時系統的中心是大地水準面上的守時原子鐘，是以BIPM為中心的時間測量系統；

（5）閉環反饋機理不同。若已知脈沖周期、方位角、脈沖輪廓等信息，在約定初始歷元，讓各子系統之間相互廣播某脈沖序號的脈沖到達原點的坐標時間，依據少數服從多數、靠近平均值原則調整后，可實現整個系統的反饋?，F有的守時系統用加權平均值作為反饋，受到大地水準面不穩定的影響，長期來看存在整體性飄移。

空間守時系統與脈沖星導航兩者的關系是互逆的，空間守時系統把軌道參數作為已知量求解時間，而脈沖星導航把時間作為已知量求解軌道參數[20]。軌道參數是引力勢、速度和位置隨時間變化的函數，也叫歷表。一般情況下航天器或天體的歷表是周期性的?？臻g守時系統是脈沖星導航的基礎支撐，脈沖星導航是空間守時系統的典型應用案例[21]。

4 結語

在地球以外如何統一時間規則是空間計量領域最基礎的科學問題，空間守時系統可作為破解該難題的一個途徑，但不是惟一的，不論哪種途徑均離不開相對時間觀的指引?？臻g守時系統基于相對論理論和脈沖星觀測，建立宏觀宇宙空間尺度下的時空統一規則?？臻g守時系統不僅是深空探測器、脈沖星導航、飛出太陽系的航天器、引力波和黑洞探測等的重要基礎，而且能夠為月球、火星、木衛二、土衛六、小行星等天體量身定制其本地時間坐標軸和歷法規則，建立各局域守時系統之間時間換算的對照表?？臻g守時系統將為空間計量學科提供理論支撐，并為我國航天活動邁向更遠深空奠定重要基礎。