卫星导航中时间系统到底如何维持？如何输出？

卫星导航中的时间系统主要由各大卫星系统建立，分为中国北斗导航系统的BDT、美国GPS系统的GPST、欧洲GALILEO系统的GST、俄罗斯GLONASS系统的GLONASST，以及将各大系统统一化的协调世界时（UTC）时间系统，所以在整个GNSS导航模组内部，需要实现各大系统向UTC时间系统转换函数，个别模组以GPS作为主系统，主要依靠GPST来维持整个代码的时间算法逻辑。

首先了解下UTC时间的定义和来源。世界时（UT）是以地球自转形成的时间系统，其并不是一个严格均匀的时间系统，由于地球自转速度变慢，经过极移修正的世界时UT1在以每年1s的时间变慢。基于此，引入高精度时间侧标标准国际原子时（TAI），其基于全球数百个高精度原子钟（主要是铯原子钟）的读数加权平均。原子钟的振荡频率极其稳定，因此TAI是一个连续、均匀、高度稳定的时间尺度。它的秒长是固定不变的。将精密计数和真实观测结合在一起，即将UT1和TAI结合在一起使用，形成协调世界时UTC，其起始历元为1972 年1 月1 日00 时00 分00 秒TAI，当UTC和UT1差距超过±0.9s后，UTC采用闰秒的方式加插1s，使UTC尽量接近UT1，这也是我们在GPST/BDT/GST中导航电文中会遇到的闰秒操作基础。

闰秒区分正闰秒和负闰秒，只不过当前发生的调整均为正闰秒，闰秒的调整总是被安排在UTC时间6月30日或12月31日的的最后一分钟的最后一秒之后，即在23:59:59后的时间是23:59:60，该时间则为调整的闰秒，也就是该1分钟包含61s。从1972年建立UTC时间起到2025年11月，一共发生过27次闰秒，具体时间如下：

表1 闰秒发生时间

上一次闰秒发生在2016年年底，到现在2025年已经8年多没有宣布调整闰秒的时间节点，2022年曾有国际消息传出最晚于2035年停止引入闰秒的操作，但未来具体闰秒如何处理，还很未知。

1. 各大时间系统介绍

各大系统虽然初始时间点UTC不一致，但是原理基本一致，所以在此选择最熟悉的BDT做介绍和延伸。

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UTC时2006 年1 月1 日00 时00 分00 秒，记为BDT0，北斗系统的所有时间都是以此做为基准，BDS的周计数bds_week以该时间所在周开始计数。

BDT与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报，自2006年到2015年，发生过4次闰秒，可以从表1中看到，分别为：

即2017年1月1日后：BDT=UTC+4s，当前代码中在没有获取到BDS导航电文中的UTCmodel信息时，直接采用的方式就是使用4s作为BDT和UTC的时间转换函数；获取到有效的UTCmodel后，则使用UTCmodel中的闰秒信息进行时间转换。

1.1 BDS UTCmodel 解码

BDS导航电文的UTCmodel参数主要包括：

（1）A0UTC：32bit，BDT相对于UTC的钟差；
（2）A1UTC：24bit，BDT相对于UTC的钟速；
（3）ΔtLS：8bit，新的闰秒生效前BDT相对于UTC的累积闰秒改正数；
（4）WNLSF：8bit，新的闰秒生效的周计数，占8比特，为DN对应的整周计数模256。WNLSF在模256之前和WN之差的绝对值不超过127。
（6）DN：8bit，新的闰秒生效的周内日计数；
（7）ΔtLSF：8bit，新的闰秒生效后BDT相对于UTC的累积闰秒改正数。

考虑到导航电文中存在误码情况，并且UTCmodel直接影响时间维持，所以在存储计算的时候需要判断闰秒信息是否有效？

（1）判断DN是否在0~6的范围内？

（2）判断ΔtLS和ΔtLS，是否都为0？并且差值是否满足≤1？（当前闰秒一次只会调整1s）

仿照RTKLIB中的UBLOX.c，300bit frame存储在uint32_t bds_frame[10]里面，基于BDS D1电文解码：

#define P2_30 9.313225746154785E-10 /* 2^-30 */ #define P2_50 8.881784197001252E-16 /* 2^-50 */ typedef struct { /* utc struct */ double a0; double a1; int8_t ls,lsf,dn,wnlsf; unsigned char check; } utc_model_t, *putc_model_t; void decode_bdsd1_utc(uint8_t *bds_frame, putc_model_t pbds_utc){ unsigned char fraid = 0, pageid = 0; uint16_t i = 0; utc_model_t utc_temp; memset(utc_temp, 0, sizeof(utc_temp)); fraid = getbitu (bds_frame,i+ 15, 3); pageid = getbitu (bds_frame,i+ 43, 7); if(5 == fraid && 10 == pageid ){ utc_temp.ls = getbitu2(buff, i+50, 2, i+60,6); utc_temp.lsf = getbitu (bds_frame, i+66, 8); utc_temp.wnlsf = getbitu (bds_frame, i+74, 8); utc_temp.a0 = getbits2(bds_frame, i+90, 22, i+120, 10)*P2_30 ; utc_temp.a1 = getbits2(bds_frame, i+130, 12, i+150, 12)*P2_50; utc_temp.dn = getbitu (bds_frame, i+162, 8); if((0 <= utc_temp.dn) && (utc_temp.dn <= 6)){ if((0 != utc_temp.ls) && (0 != utc_temp.lsf)){ if(abs(utc_temp.ls - utc_temp.lsf) <= 1){ utc_temp.check = 1; memcpy(pbds_utc, utc_temp, sieeof(utc_temp)); } } } } }

1.2 BDS UTCmodel 使用

UTCmodel的使用，可以具体参见BDS ICD文件中的解释说明。

假设当前时间的北斗周计数和周内秒分别为week_bds和tow_bds，首先计算tow_bds在一周内的天计数dow=t_bds[模86400]；

(1) 当指示闰秒生效的周计数WNLSF和周内天计数DN还没到来时，而且用户当前时刻tE处在DN+2/3之前，则UTC与BDT之间的变换关系为：

（2）若用户当前的系统时刻tE处在指示闰秒生效的周计数WNLSF和周内天计数DN+2/3到DN+5/4之间，则UTC与BDT之间的变换关系为：

（3）当指示闰秒生效的周计数WNLSF和周内天计数DN已经过去，且用户当前的系统时刻tE处在DN+5/4之后，则UTC与BDT之间的变换关系为：

代码实现方面，需要考虑以下几个方面：

（1）和解码部分一样，也需要判断重点参数的有效性；

（2）考虑bds_week%256的mod_week和wnlsf之间关系的判断；

（3）考虑到dn和跨周同时发生的情况，所以在衡量DN+2/3和DN+5/4数值的时候，需要将当前时间week和周内天综合形成bds_day来判断；

（4）考虑只有wnls的第dn天的23:59:59之后的那一秒才能闰秒，形成235960，所以需要给出闰秒标志。

假设开发人员现在拿不到UTCmodel的相关参数，这个时候需要原生GNSS模组给出闰秒信息，比如上篇文章提到的UBX、和芯星通或者市面上可以遇到的其他GNSS模组，均需要特定语句拿到闰秒，但是有时候原生结果会晚一点时间输出，所以本来闰秒为UTC235959~235960~000000，就变成了UTC235959~000000~000000，假设高频率输出的时候，有可能也会出现闰秒时刻加载在000000中间，该措施需要注意和衡量。最好的解决方法就是需要GNSS模组直接输出子帧信息，算法内部解码获得UTCmodel，再做时间处理。

1.3 其他系统

与BDT规定类似，其他系统也有着时间初始零点的设置，BDS导航电文中week计数有13bit，最多可以计数到8192周，当前时间范围内暂时可以不用考虑周计数翻转的问题。

GPST的初始时间点是UTC时间1980年1月6日00 时00 分00 秒，记为GPST0，在GPS 导航电文中播发的week计数只有10bit，其最多只能表示1024周，所以在代码代码要做好GPS周翻转计数次数的存储，防止在week翻转的时候出现时间维持异常的问题。

GST的初始时间点是UTC时间1998年8月22日00 时00 分00 秒，记为GST0，Galileo导航电文中播发的week计数只有12bit，可表示范围到4096周。

GLONASS的时间跟随UTC时间，相差3hour，可以写成：

并且GLONSS的时间维持和其他系统都不一样，可以直接参见TRTKLIB中的解码函数：

tow=time2gpst(gpst2utc(geph->tof),&week); tod=fmod(tow,86400.0); tow-=tod; tof=tk_h*3600.0+tk_m*60.0+tk_s-10800.0; /* lt->utc */ if (tof<tod-43200.0) tof+=86400.0; else if (tof>tod+43200.0) tof-=86400.0; geph->tof=utc2gpst(gpst2time(week,tow+tof)); toe=tb*900.0-10800.0; /* lt->utc */ if (toe<tod-43200.0) toe+=86400.0; else if (toe>tod+43200.0) toe-=86400.0; geph->toe=utc2gpst(gpst2time(week,tow+toe)); /* utc->gpst */

1.4 RTKLIB 中相关时间转换

1.4.1 统一时间格式

在RTKLIB或者实际代码中，会比较bdt1和bdt0的时间大小，当week和tow都已知后，会直接将其转换到以UTC0点对应的数值轴上，即UTC0为0s，后续分别基于该数值进行直接累加，结构体形式如下：

//来源：RTKLIB typedef struct { /* time struct */ time_t time; /* time (s) expressed by standard time_t */ double sec; /* fraction of second under 1 s */ } gtime_t; /* beidou time (bdt) to time --------------------------------------------------- * convert week and tow in beidou time (bdt) to gtime_t struct * args : int week I week number in bdt * double sec I time of week in bdt (s) * return : gtime_t struct *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern gtime_t bdt2time(int week, double sec) { gtime_t t=epoch2time(bdt0); if (sec<-1E9||1E9<sec) sec=0.0; t.time+=86400*7*week+(int)sec; t.sec=sec-(int)sec; return t; }

1.4.2 各大系统时间转换

由于从2016年起闰秒信息再未更新， 所以大部分GPS和UTC之间的闰秒转换直接使用18s，RTKLIB中有根据闰秒表和年月日判断选择闰秒的操作：

const static double gpst0[]={1980,1, 6,0,0,0}; /* gps time reference */ const static double gst0 []={1999,8,22,0,0,0}; /* galileo system time reference */ const static double bdt0 []={2006,1, 1,0,0,0}; /* beidou time reference */ static double leaps[MAXLEAPS+1][7]={ /* leap seconds (y,m,d,h,m,s,utc-gpst) */ {2017,1,1,0,0,0,-18}, {2015,7,1,0,0,0,-17}, {2012,7,1,0,0,0,-16}, {2009,1,1,0,0,0,-15}, {2006,1,1,0,0,0,-14}, {1999,1,1,0,0,0,-13}, {1997,7,1,0,0,0,-12}, {1996,1,1,0,0,0,-11}, {1994,7,1,0,0,0,-10}, {1993,7,1,0,0,0, -9}, {1992,7,1,0,0,0, -8}, {1991,1,1,0,0,0, -7}, {1990,1,1,0,0,0, -6}, {1988,1,1,0,0,0, -5}, {1985,7,1,0,0,0, -4}, {1983,7,1,0,0,0, -3}, {1982,7,1,0,0,0, -2}, {1981,7,1,0,0,0, -1}, {0} }; extern gtime_t gpst2utc(gtime_t t) { gtime_t tu; int i; for (i=0;leaps[i][0]>0;i++) { tu=timeadd(t,leaps[i][6]); if (timediff(tu,epoch2time(leaps[i]))>=0.0) return tu; } return t; } /* utc to gpstime -------------------------------------------------------------- * convert utc to gpstime considering leap seconds * args : gtime_t t I time expressed in utc * return : time expressed in gpstime * notes : ignore slight time offset under 100 ns *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern gtime_t utc2gpst(gtime_t t) { int i; for (i=0;leaps[i][0]>0;i++) { if (timediff(t,epoch2time(leaps[i]))>=0.0) return timeadd(t,-leaps[i][6]); } return t; } /* gpstime to bdt -------------------------------------------------------------- * convert gpstime to bdt (beidou navigation satellite system time) * args : gtime_t t I time expressed in gpstime * return : time expressed in bdt * notes : ref [8] 3.3, 2006/1/1 00:00 BDT = 2006/1/1 00:00 UTC * no leap seconds in BDT * ignore slight time offset under 100 ns *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern gtime_t gpst2bdt(gtime_t t) { return timeadd(t,-14.0); } /* bdt to gpstime -------------------------------------------------------------- * convert bdt (beidou navigation satellite system time) to gpstime * args : gtime_t t I time expressed in bdt * return : time expressed in gpstime * notes : see gpst2bdt() *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern gtime_t bdt2gpst(gtime_t t) { return timeadd(t,14.0); } /* galileo system time to time ------------------------------------------------- * convert week and tow in galileo system time (gst) to gtime_t struct * args : int week I week number in gst * double sec I time of week in gst (s) * return : gtime_t struct *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern gtime_t gst2time(int week, double sec) { gtime_t t=epoch2time(gst0); if (sec<-1E9||1E9<sec) sec=0.0; t.time+=86400*7*week+(int)sec; t.sec=sec-(int)sec; return t; } /* time to galileo system time ------------------------------------------------- * convert gtime_t struct to week and tow in galileo system time (gst) * args : gtime_t t I gtime_t struct * int *week IO week number in gst (NULL: no output) * return : time of week in gst (s) *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern double time2gst(gtime_t t, int *week) { gtime_t t0=epoch2time(gst0); time_t sec=t.time-t0.time; int w=(int)(sec/(86400*7)); if (week) *week=w; return (double)(sec-w*86400*7)+t.sec; }

RTKLIB中将GPS作为主系统，所有的时间系统都是使用GPST做转换，即其他系统转换为gtime格式，需要将BDT/GST先转gtime格式，GPST再转为UTC时间。

1.4.3 输出时间格式

从上述来看，基本还是各大系统的内部时间，对外输出的时候，一般需要转换为年月日时分秒的格式来看，比如NMEA数据中的GGA/RMC语句、RINEX数据中的观测量时间，可以直接使用RTKLIB中的转换函数time2epoch(）。

/* convert calendar day/time to time ------------------------------------------- * convert calendar day/time to gtime_t struct * args : double *ep I day/time {year,month,day,hour,min,sec} * return : gtime_t struct * notes : proper in 1970-2037 or 1970-2099 (64bit time_t) *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern gtime_t epoch2time(const double *ep) { const int doy[]={1,32,60,91,121,152,182,213,244,274,305,335}; gtime_t time={0}; int days,sec,year=(int)ep[0],mon=(int)ep[1],day=(int)ep[2]; if (year<1970||2099<year||mon<1||12<mon) return time; /* leap year if year%4==0 in 1901-2099 */ days=(year-1970)*365+(year-1969)/4+doy[mon-1]+day-2+(year%4==0&&mon>=3?1:0); sec=(int)floor(ep[5]); time.time=(time_t)days*86400+(int)ep[3]*3600+(int)ep[4]*60+sec; time.sec=ep[5]-sec; return time; } /* time to calendar day/time --------------------------------------------------- * convert gtime_t struct to calendar day/time * args : gtime_t t I gtime_t struct * double *ep O day/time {year,month,day,hour,min,sec} * return : none * notes : proper in 1970-2037 or 1970-2099 (64bit time_t) *-----------------------------------------------------------------------------*/ extern void time2epoch(gtime_t t, double *ep) { const int mday[]={ /* # of days in a month */ 31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31, 31,29,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 }; int days,sec,mon,day; /* leap year if year%4==0 in 1901-2099 */ days=(int)(t.time/86400); sec=(int)(t.time-(time_t)days*86400); for (day=days%1461,mon=0;mon<48;mon++) { if (day>=mday[mon]) day-=mday[mon]; else break; } ep[0]=1970+days/1461*4+mon/12; ep[1]=mon%12+1; ep[2]=day+1; ep[3]=sec/3600; ep[4]=sec%3600/60; ep[5]=sec%60+t.sec; }

2. 如何维持时间系统

本篇文章区分自研GNSS模组以及GNSS算法/大融合算法对于时间系统的维持，两者是不一样的维持思路。

2.1 GNSS模组

对于GNSS模组而言，即就是在模组内部需要完成卫星信号的捕获跟踪、帧同步、计算观测量、维持时间系统的功能，在维持时间系统模块的具体流程为：

（1）帧同步获得frame_tow，基于frame_tow+estimate_path=tow来更新本地时间tow，如果是多个卫星在同时在一个历元均帧同步成功，则选择一个最高CNR的卫星做为初始化本地时间tow的参考卫星；

（2）解码星历获得周计数week，不同系统一定要做区分，week周计数出现的频率也要做部分。举例：假设BDS系统只有2个卫星获得week，判断week1和week2是否一致，一致则更新rcv_week，否则则不更新，假设当前有3个及以上的卫星获得week后，需要判断n个week中出现频率最多的week，并且出现频率>1/2的week才用来更新rcv_week;

（3）根据各大系统之间的week计数关系做相互校验，比如GPS_week和BDS_week相差1356，GPS_week和Galileo_week相差1024周，因为BDS_week的数据有效位比较长，所以常用来转换计算GPS的周翻转次数。

注意点：
（1）跨周的维持，个别模组直接采用的方式是tow采用累加方式，一直到604800.0s，将tow翻转为0，week+=1;

（2）接收机调钟，因为计算接收机钟差一直在累加，常用的方式是在钟差累积到一定数值的时候直接调整，此时baseband需要对于上报观测量间隔进行调整。

（3）观测量调整，在RINEX那一节也提到，在输出伪距、载波、多普勒的时候将钟差、钟漂调整量修正，可以参考RTCM协议中的计算公式：

2.2 GNSS 算法/融合算法

对于GNSS算法，即直接使用外部模组输出的RTCM/UBLOX数据做PVT/RTK计算/与INS融合等算法，不同GNSS模组输出的时间信息有差异，在此区分下RTCM和UBLOX数据流程。

对于RTCM数据，其观测量数据中只有tow时间，没有week时间，所以无法对齐时间，所以在使用RTKLIB中的rtkcov解码RTCM数据的时候需要输入时间信息，在代码中常用的方法是：

（1）基于RTCM星历获得week，首先基于tow和eph_toe的差值做星历有限期的判断，才能使用星历的week，后续判断和GNSS模组一致，不同系统一定要做区分，week周计数出现的频率也要做部分。举例：假设BDS系统只有2个卫星获得week，判断week1和week2是否一致，一致则更新rcv_week，否则则不更新，假设当前有3个及以上的卫星获得week后，需要判断n个week中出现频率最多的week，并且出现频率>1/2n的week才用来更新rcv_week;

（2）基于从GNSS模组定位信息中的时间信息week、tow和从星历中拿到的week做校验判断，防止跨周出现异常。

对于UBLOX数据，观测量中有week和tow信息，直接使用，所增加的步骤就是从GNSS模组定位信息中的时间信息week、tow和从星历中拿到的week做校验判断，防止跨周出现异常。

注意点：

（1）整点对齐功能，举例：个别模组在输出观测量数据的时候，并不是标准的5hz，在0.0、0.2、0.4、0.6、0.8的时候输出，而是在0.12、0.32、0.52、0.72、0.92的时刻输出，所以要做要整点观测量数据的归算；

（2）跨周功能非常重要，在代码内部维持的时候需要做重点关注！