劉民，孫毅，古兆兵，高玉平，張升康

2020年再議協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC閏秒問(wèn)題

劉民1，孫毅1，古兆兵2，高玉平3,4，張升康5

（1. 北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086；2. 軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100141；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048；4. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；5. 北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100005）

國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟URSI電磁計(jì)量專業(yè)委員會(huì)Commission A準(zhǔn)備提交2020年關(guān)于UTC連續(xù)的問(wèn)題提案，草案征求意見(jiàn)期間，URSI中國(guó)委員會(huì)的電磁計(jì)量委員會(huì)表達(dá)了反對(duì)意見(jiàn)，引起國(guó)際組織的高度重視，引發(fā)了關(guān)于UTC是否繼續(xù)閏秒的再討論，這里揭示了UTC閏秒和時(shí)間連續(xù)性問(wèn)題的本質(zhì)，介紹了支持和反對(duì)取消閏秒的雙方觀點(diǎn)，比較了URSI聲明的初稿和最終稿，中國(guó)的反對(duì)意見(jiàn)對(duì)國(guó)際組織的提案和國(guó)際時(shí)間規(guī)則的修訂產(chǎn)生了重要影響。

閏秒；協(xié)調(diào)世界時(shí)；世界時(shí)；國(guó)際原子時(shí)；慣性坐標(biāo)系；非慣性坐標(biāo)系

0 引言

協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）是世界各國(guó)公認(rèn)的全球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，時(shí)間規(guī)則的制定和修改需要由相關(guān)國(guó)際組織達(dá)成一致意見(jiàn)，才能被各國(guó)政府共同采納，實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)量的全球統(tǒng)一。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）是全球時(shí)間統(tǒng)一重要的國(guó)際組織，ITU要求全球各守時(shí)實(shí)驗(yàn)室保持的時(shí)間基準(zhǔn)UTC（）與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC的偏差須控制在±100 ns以內(nèi)。另一個(gè)國(guó)際組織國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)國(guó)際計(jì)量局（BIPM）負(fù)責(zé)UTC的歸算和國(guó)際時(shí)間公報(bào)（T公報(bào)）的發(fā)布。UTC是否繼續(xù)閏秒的問(wèn)題由來(lái)已久[1]，不僅僅涉及科學(xué)技術(shù)層面，更影響管理層面，甚至涉及政治層面。2000年ITU的無(wú)線通信部（ITU-R）發(fā)起了“UTC的未來(lái)”的討論，該議題的核心就是是否取消閏秒的問(wèn)題，中國(guó)曾于2008年、2009年和2011年在ITU會(huì)議上，3次提交書(shū)面建議，并口頭發(fā)言，表示中國(guó)的態(tài)度是希望保持現(xiàn)有UTC的定義不變，即TAI與UT1的關(guān)系。2012年ITU大會(huì)沒(méi)有形成一致意見(jiàn)。2015年中國(guó)代表支持大多數(shù)國(guó)家代表的意見(jiàn)，在ITU大會(huì)上投了贊成票，通過(guò)了WRC15決議。但是由于英國(guó)和俄羅斯的反對(duì)，UTC至今還保持閏秒。國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI）是非政府間國(guó)際組織，是各國(guó)無(wú)線電科學(xué)家談?wù)摽茖W(xué)技術(shù)的平臺(tái)，1999年ITU-R向URSI征求關(guān)于UTC閏秒問(wèn)題的建議，從那時(shí)起，URSI的電磁計(jì)量專業(yè)委員會(huì)（Commission A，簡(jiǎn)寫(xiě)為Com A）便成為討論UTC閏秒問(wèn)題最活躍的平臺(tái)之一。2014年URSI-Com A的各國(guó)科學(xué)家一致通過(guò)了“建議保持UTC連續(xù)，不再增加閏秒”的提案，形成URSI-GASS2014大會(huì)決議，支撐了ITU-WRC15的655決議通過(guò)。按照WRC15-655決議，大家又在進(jìn)行新一輪的UTC閏秒議題研究。

1 UTC閏秒的由來(lái)

2 時(shí)間連續(xù)性問(wèn)題

閏秒的最大問(wèn)題是時(shí)間連續(xù)性問(wèn)題。一種觀點(diǎn)是“閏秒造成了時(shí)間不均勻，使時(shí)間不連續(xù)”[7-8]。這個(gè)問(wèn)題需要從不同角度來(lái)解讀。

國(guó)際原子時(shí)TAI，采用SI秒連續(xù)累計(jì)時(shí)間，這是連續(xù)的時(shí)間坐標(biāo)，若不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則坐標(biāo)刻度間隔是均勻的。

為什么我們不用TAI而熱衷于UTC呢？因?yàn)閁TC源自于UT1，影響人們最深的時(shí)間概念來(lái)自于年月日時(shí)分秒這套約定俗成的時(shí)間規(guī)則[9]。這種時(shí)間單位和時(shí)間進(jìn)制更適合描述周期性的自然規(guī)律，如地球自轉(zhuǎn)周期為1日，地球公轉(zhuǎn)周期為1年，60是2、3、4、5、6、10、15、20、30的公倍數(shù)，1 min = 60 s的六十進(jìn)制更適合于描述勻速周期變化和圓周運(yùn)動(dòng)。只有遵循傳統(tǒng)的時(shí)間規(guī)則，人們才有了時(shí)間的概念，方便了交流溝通。

天文學(xué)需要連續(xù)的時(shí)間坐標(biāo)，為了避免閏年、閏月不均勻的影響，采用了儒略日（Julian day）時(shí)間坐標(biāo)軸，起始點(diǎn)在公元前4713年1月1日中午12點(diǎn)，坐標(biāo)刻度是日，連續(xù)計(jì)算日期。這種連續(xù)的時(shí)間有利于科學(xué)研究，不利于生活使用，如某人的生日為2 443 781.5 JD，看起來(lái)很不方便。

時(shí)間在物理意義上是連續(xù)的，只是我們采用了一套邏輯規(guī)則，規(guī)定了進(jìn)位法則，才造成了時(shí)間不均勻不連續(xù)的錯(cuò)覺(jué)。當(dāng)前幾個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），如北斗、GPS等，都使用SI秒測(cè)量時(shí)間，都是連續(xù)的，也都是在導(dǎo)航報(bào)文中播發(fā)導(dǎo)航時(shí)間與UTC的差值，接收機(jī)讀報(bào)文中的信息，計(jì)算本地的UTC時(shí)間。導(dǎo)航系統(tǒng)不存在所謂UTC時(shí)間連續(xù)性問(wèn)題。

追根溯源，時(shí)間連續(xù)性問(wèn)題，是沒(méi)有區(qū)分兩種坐標(biāo)系上的時(shí)間，混淆使用時(shí)間單位造成的。離開(kāi)空間談時(shí)間是沒(méi)有意義的，絕對(duì)獨(dú)立于空間的時(shí)間是不存在的。時(shí)間和空間聯(lián)系在一起才是自然，古代稱為宇和宙。在地球上，一種坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)系，不隨地球旋轉(zhuǎn)，為了便于天體觀測(cè)和航天活動(dòng)，科學(xué)家定義了地心天球坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)是地球質(zhì)心，在原點(diǎn)上的時(shí)間稱為坐標(biāo)時(shí)（TCG），慣性坐標(biāo)系上除了坐標(biāo)原點(diǎn)和無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)外，其他各處都受到相對(duì)論效應(yīng)影響，造成時(shí)鐘走速不同。為便于測(cè)量，定義了大地水準(zhǔn)面，在大地水準(zhǔn)面上的相對(duì)論效應(yīng)的影響量為常數(shù)，國(guó)際原子時(shí)TAI在大地水準(zhǔn)面上復(fù)現(xiàn)SI秒，TAI與地球質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)（TCG）有固定走速偏差，本質(zhì)上都屬于慣性坐標(biāo)系上的時(shí)間，所以SI秒屬于慣性坐標(biāo)系的時(shí)間單位。另一種坐標(biāo)系是非慣性坐標(biāo)系，非慣性坐標(biāo)系是固定在地球上，且隨地球自轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系上以地球自轉(zhuǎn)軸為參考觀測(cè)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)周期，定義了一種時(shí)間稱為世界時(shí)，UT1就是非慣性坐標(biāo)系上的時(shí)間，UT1使用的時(shí)間單位（秒、分、時(shí)、日、月、年）和進(jìn)制規(guī)則都只適用于這種非慣性坐標(biāo)系，即符合周期變化和周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律。兩種坐標(biāo)系上的“秒”僅在TAI的起始時(shí)刻有相同的數(shù)值，本質(zhì)上是不同的，除了定義不同外，所適用的空間范圍和適用的對(duì)象也是不同的，這是最容易混淆之處。國(guó)際單位制定義SI秒后，只把UT1定義的非慣性坐標(biāo)系的“秒”形式上搬到了慣性坐標(biāo)系，讓“秒”與地球自轉(zhuǎn)脫鉤，卻仍繼續(xù)沿用非慣性坐標(biāo)系上的其他單位（分、時(shí)、日、月、年），這就造成了慣性坐標(biāo)系上的SI秒與非慣性坐標(biāo)系上的其他單位不兼容的矛盾。就像一臺(tái)機(jī)器只改變了動(dòng)力齒輪，卻沒(méi)有更新其他齒輪一樣，新舊齒輪之間不匹配出現(xiàn)了矛盾。解決這個(gè)矛盾最簡(jiǎn)單的辦法就是閏秒。從慣性坐標(biāo)系上看，閏秒造成了1min = 61s的現(xiàn)象，把此現(xiàn)象說(shuō)成不連續(xù)，或者非線性，其本質(zhì)是用錯(cuò)了時(shí)間單位，除已定義的SI秒外，把非慣性坐標(biāo)系上的其他時(shí)間單位照搬到了慣性坐標(biāo)系中。反過(guò)來(lái)從非慣性坐標(biāo)系上看，閏秒修正了慣性坐標(biāo)系的SI秒在地球自轉(zhuǎn)中的非整周期偏差，維持了其他單位與自然和諧的關(guān)系，就像閏年、閏月一樣，修正了地球公轉(zhuǎn)周期= 365.242 5 d的非整周期偏差，這種時(shí)間規(guī)則匹配了周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象?？臻g計(jì)量理論告訴我們“不同坐標(biāo)系之間不具備同時(shí)性”[10]。從不同坐標(biāo)系上看閏秒問(wèn)題，會(huì)有不同的結(jié)論。

3 URSI-Commission A的草案征求意見(jiàn)

為推進(jìn)此問(wèn)題在ITU-R和CCTF再次表決，2020年2月19日URSI-Com A主席Y. Koyama起草了“URSI有關(guān)UTC需要連續(xù)的聲明”，再次征求各國(guó)官方委員的意見(jiàn)。Com A中國(guó)區(qū)主席在微信群中發(fā)起了討論，邀請(qǐng)了中國(guó)計(jì)量科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心、北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心、北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所、北京東方計(jì)量測(cè)試研究所、軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院軍標(biāo)所、國(guó)防科技大學(xué)等19位專家，還邀請(qǐng)了URSI中國(guó)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)作為觀察員。各位專家圍繞是否贊成UTC連續(xù)，討論形成了兩種對(duì)立的觀點(diǎn)，綜合考慮多數(shù)專家的意見(jiàn)，給URSI中國(guó)委員會(huì)建議“維持UTC現(xiàn)狀，繼續(xù)閏秒”，報(bào)中國(guó)電子學(xué)會(huì)URSI中國(guó)委員會(huì)批準(zhǔn)。URSI中國(guó)委員會(huì)認(rèn)為UTC閏秒的問(wèn)題涉及我國(guó)重大戰(zhàn)略基礎(chǔ)，時(shí)間規(guī)則的修改也是國(guó)際上重大基礎(chǔ)問(wèn)題，支持Com A中國(guó)委員會(huì)的建議，以URSI中國(guó)電子學(xué)會(huì)CIE正式意見(jiàn)報(bào)送到URSI Comission A。至3月1日草案征集意見(jiàn)結(jié)束后，只有中國(guó)1張反對(duì)票。URSI-Com A主席Y. Koyama非常重視這1票反對(duì)意見(jiàn)，他認(rèn)為URSI是世界無(wú)線電科學(xué)家們向ITU-R和CCTF反映此問(wèn)題意見(jiàn)的唯一平臺(tái)，我們不能錯(cuò)過(guò)難得的機(jī)會(huì)，為促成草案達(dá)成一致意見(jiàn)，提議再組織一個(gè)特別草案起草小組修改草案，特邀Com A的中國(guó)區(qū)主席劉民、BIPM時(shí)頻主任P. Tavella、原美國(guó)海軍天文臺(tái)時(shí)頻主任D. Matsakis參加小組，報(bào)名參加特別小組的還有美國(guó)2名、法國(guó)2名、印度5名、中國(guó)、日本、以色列、意大利、墨西哥各1名代表，中國(guó)計(jì)量科學(xué)院李天初院士和瑞典科學(xué)院C. Rieck兩位作為觀測(cè)員。最初的草案繼承了2014年URSI-GASS大會(huì)的觀點(diǎn)，題為“Statements from URSI on the need for continuous UTC”（國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟關(guān)于需要連續(xù)UTC的聲明），見(jiàn)圖1。

4 URSI中國(guó)委員會(huì)的建議

上述草案征求意見(jiàn)后，只有中國(guó)委員會(huì)提出不同意見(jiàn)。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)時(shí)頻領(lǐng)域19位專家討論，中國(guó)電子學(xué)會(huì)CIE國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟URSI中國(guó)委員會(huì)的主席吳健、副主席陶然、秘書(shū)長(zhǎng)林潤(rùn)華、國(guó)際合作部主任王桓召開(kāi)時(shí)頻會(huì)議，審議通過(guò)了正式報(bào)送國(guó)際組織的官方意見(jiàn)：

UTC應(yīng)該保持閏秒。我們的觀點(diǎn)是UTC應(yīng)該繼續(xù)插入閏秒保持|UTC-UT1|<0.9 s，直到我們已經(jīng)找到了一種明確的方案來(lái)解決UT1信息從標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間中消失的問(wèn)題。至今，中國(guó)的一些學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)和部門(mén)仍然不能對(duì)撤銷(xiāo)閏秒帶給他們潛在負(fù)面的影響給出準(zhǔn)確和廣泛的評(píng)估?？紤]這種情況，他們建議現(xiàn)在還不是討論此問(wèn)題的時(shí)機(jī)，他們?nèi)匀恍枰猆T1跟隨UTC一同被授時(shí)，因?yàn)閷?duì)其測(cè)控系統(tǒng)和軟件來(lái)說(shuō)UT1仍然非常重要。

5 國(guó)內(nèi)專家主要意見(jiàn)

支持取消閏秒的正方意見(jiàn)，和建議保留閏秒的反方意見(jiàn)，綜合如下。

5.1 正方意見(jiàn)

1）閏秒的加入是非線性的

人們總希望時(shí)間是均勻流逝的，然而，總有平年、閏年、大月、小月，和閏秒這些不等長(zhǎng)的因素造成時(shí)間刻度不均勻。天文觀測(cè)的時(shí)間軸，為了避免年月的不等間隔，采用了儒略日時(shí)間軸，但是閏秒的不均勻性給高精度的天文測(cè)量帶來(lái)了麻煩，如脈沖星觀測(cè)的時(shí)間坐標(biāo)軸如果采用UTC將會(huì)出現(xiàn)脈沖周期跳變的現(xiàn)象，這也許是閏秒造成的；在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)加入閏秒會(huì)給計(jì)算軟件增添不少麻煩。所以不管是閏秒、閏分、還是閏小時(shí)，這些非均勻的時(shí)間坐標(biāo)軸，都會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)的非線性。

2）閏秒的未來(lái)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)

國(guó)際地球自轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)服務(wù)（IERS）于1988年1月開(kāi)始提供服務(wù)，提供國(guó)際天球框架（ICRF）和國(guó)際地球框架參考框架（ITRF），提供地球方向參數(shù)（EOP）和相關(guān)協(xié)議（如標(biāo)準(zhǔn)、模型和常數(shù)）。據(jù)IERS提供的網(wǎng)站數(shù)據(jù)，可預(yù)知未來(lái)6個(gè)月是否有閏秒。如果不精確計(jì)算的話，未來(lái)30年有多少個(gè)閏秒大概可知，因?yàn)橹涣私獾匠毕痛髿獾募竟?jié)變化對(duì)地球自轉(zhuǎn)的作用規(guī)律，其他影響還不清楚，如地震、火山、海嘯等，所以具體預(yù)測(cè)閏秒的時(shí)間還有難度[11]。

3）加入閏秒前后的時(shí)間可能無(wú)法同時(shí)

雖然地球上不同時(shí)區(qū)的國(guó)家按照自己對(duì)應(yīng)GMT時(shí)區(qū)，同時(shí)啟動(dòng)增加閏秒的操作，例如北京時(shí)間07:59:59/07:59:60增加閏秒，由國(guó)家授時(shí)中心統(tǒng)一為全國(guó)用戶增加閏秒。但是，授時(shí)到用戶還有一段時(shí)間，并不是所有用戶都能及時(shí)獲得授時(shí)信號(hào)，增加閏秒的同時(shí)性僅僅是理想狀態(tài)。那么，在調(diào)整了時(shí)鐘的用戶與尚未獲得授時(shí)信號(hào)仍按原來(lái)時(shí)間工作的用戶之間就會(huì)存在1 s的偏差。尤其對(duì)于不能及時(shí)獲得授時(shí)信號(hào)的短時(shí)間自主運(yùn)行的設(shè)備，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備1 s的差異將會(huì)造成很大的影響。

5.2 反方意見(jiàn)

1）UTC的協(xié)調(diào)作用無(wú)法替代

協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC字面中的coordinated譯為協(xié)調(diào)，有兩方面含義：第一是協(xié)商一致的意思，各行各業(yè)、各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都認(rèn)同UTC的規(guī)則和發(fā)布的主體，這種協(xié)調(diào)是人與自然、組織與組織、國(guó)家與國(guó)家之間達(dá)成的協(xié)議；第二是解決地球自轉(zhuǎn)時(shí)間周期與國(guó)際原子時(shí)TAI之間不和諧的問(wèn)題，UT1的秒長(zhǎng)是地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，地球自轉(zhuǎn)不斷減慢，如果不加入閏秒，我們所用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間將與地球自轉(zhuǎn)漸行漸遠(yuǎn)，約5 000年后就會(huì)|UTC-UT1|相差1h。所以UTC協(xié)調(diào)作用無(wú)法替代。

2）符合地球人類(lèi)的作息習(xí)慣

人類(lèi)對(duì)時(shí)間的約定，最早是建立在日升日落的基礎(chǔ)上。通過(guò)時(shí)間可知太陽(yáng)的角度。如果沒(méi)有閏秒U(xiǎn)TC將失去計(jì)時(shí)觀天象的作用，后人也很難計(jì)算早期發(fā)生的天文現(xiàn)象與時(shí)間的關(guān)系。閏秒對(duì)人們?nèi)粘Ｉ顩](méi)有太大影響，地球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間是不同于UTC的自成體系的時(shí)間系統(tǒng)，如北斗時(shí)間（BDT）不加入閏秒，僅在短報(bào)文中告知用戶BDT與UTC的差值，讓用戶自己參考使用。

3）暫無(wú)新的替代方案

地球上的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間公認(rèn)是UTC，如果不增加閏秒，則必須事先討論出一個(gè)公認(rèn)的替代方案，該方案主要是解決時(shí)間統(tǒng)一問(wèn)題。在沒(méi)有替代方案之前如果一些國(guó)家取消了閏秒，而另一些國(guó)家沒(méi)有取消，將會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。

4）UT1用戶對(duì)IERS的依賴

如果UTC授時(shí)信號(hào)中失去了與地球自轉(zhuǎn)的聯(lián)系，我們就必須依賴IERS獲得地球自轉(zhuǎn)信息，受制于人。這些受影響的行業(yè)涉及與地球參考系有關(guān)測(cè)量，如天體觀測(cè)中天文望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟蹤程序、潛艇水下自主導(dǎo)航程序、甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）觀測(cè)、地球同步軌道衛(wèi)星的軌位維持、空間碎片和航天器的軌道測(cè)定等，還有一些軍事活動(dòng)和軍工研制活動(dòng)也會(huì)受到影響。如果UTC不再閏秒了，就必須建設(shè)完善我們自己對(duì)UT1或地球軌道平面（EOP）的測(cè)定能力，對(duì)于一些沒(méi)有高準(zhǔn)確度測(cè)量能力的國(guó)家和組織，就必須依賴IERS。雖然目前IERS的服務(wù)是免費(fèi)的，未來(lái)不一定這樣。

5）管理問(wèn)題

關(guān)于統(tǒng)一時(shí)間的問(wèn)題，是相對(duì)而言的，在一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)內(nèi)可以自行定義時(shí)間的規(guī)則，比如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，軍用時(shí)間系統(tǒng)等，各自用自己守時(shí)中心，在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)授時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間統(tǒng)一，不會(huì)有時(shí)間沖突的問(wèn)題。如果跨越多個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)統(tǒng)一時(shí)間的問(wèn)題，就必須約定規(guī)則，達(dá)成共識(shí)。這里更多的不是技術(shù)問(wèn)題，而是管理問(wèn)題甚至是政治問(wèn)題。

6 Commission A中國(guó)區(qū)主席寫(xiě)給特別草案小組的補(bǔ)充說(shuō)明

我們知道目前UTC的分、時(shí)、天、年不是均勻間隔的時(shí)間坐標(biāo)軸，閏秒增加也很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，閏秒不可能同時(shí)變更，這些缺點(diǎn)給一些需要連續(xù)時(shí)間坐標(biāo)軸的用戶帶來(lái)一些麻煩。但是這些問(wèn)題可以用現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)很方便的解決。

另一方面，如果UTC不再閏秒將給另一些用戶帶來(lái)問(wèn)題。UTC是已經(jīng)達(dá)成共識(shí)的，使用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，用戶能夠很方便地從UTC發(fā)播信號(hào)中獲得兩種信息，一是全球時(shí)間同步和SI秒，二是地球自轉(zhuǎn)的信息如UT1。

1）如果UTC改為連續(xù)，不再閏秒，那么授時(shí)信號(hào)中將失去地球自轉(zhuǎn)的信息，那些需要地球自轉(zhuǎn)信息的用戶只能在一些網(wǎng)站上（如www.iers.org）查找。這些網(wǎng)站有多少訪問(wèn)承載能力，會(huì)不會(huì)阻塞和崩潰，沒(méi)有相關(guān)試驗(yàn)報(bào)道。已經(jīng)依賴UTC授時(shí)信號(hào)的硬件和軟件必須投入巨大改造經(jīng)費(fèi)。這些受影響的行業(yè)涉及與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)的測(cè)量和控制，如天體觀測(cè)中天文望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟蹤程序、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間控制、地球同步軌道GEO衛(wèi)星的軌位維持、和觀測(cè)天線的角度掃描和坐標(biāo)系換算算法等。

2）全球衛(wèi)星導(dǎo)航GNSS（如BDS、GPS、Glonass、Galileo）在報(bào)文中要給出GNSS時(shí)間與UTC的差值，如果UTC連續(xù)不再閏秒，那么差值就是一個(gè)固定的常數(shù)，導(dǎo)航報(bào)文中失去了地球自轉(zhuǎn)信息UT1。

3）協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC字面中的coordinated譯為協(xié)調(diào)，有三方面含義：第一是解決地球自轉(zhuǎn)時(shí)間周期與國(guó)際原子時(shí)TAI之間不和諧的問(wèn)題，維持TAI-UT1的差值不超過(guò)1s；第二是時(shí)間與空間的協(xié)調(diào)，時(shí)間不能離開(kāi)空間單獨(dú)存在，TAI是建立在地球慣性坐標(biāo)系上的時(shí)間，UT1是建立在地心地固坐標(biāo)系，非慣性坐標(biāo)系上的時(shí)間，UTC協(xié)調(diào)兩種坐標(biāo)系的時(shí)間，不能說(shuō)哪個(gè)坐標(biāo)系更重要，兩個(gè)都不可缺少；第三是協(xié)商一致的意思，各行各業(yè)、各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都認(rèn)同UTC的規(guī)則和發(fā)布的主體，這種協(xié)調(diào)是人與自然、組織與組織、國(guó)家與國(guó)家之間達(dá)成的協(xié)議。所以UTC協(xié)調(diào)作用無(wú)法替代，如果UTC不再閏秒，將失去協(xié)調(diào)的含義，我們?nèi)绾畏Q之為協(xié)調(diào)世界時(shí)呢？

4）人類(lèi)對(duì)時(shí)間的約定，最早是建立在日升日落的基礎(chǔ)上的。通過(guò)時(shí)間可知太陽(yáng)的角度。60 s為1 min，60 min為1 h，24 h為1 d，這樣的六十進(jìn)制規(guī)則是適用于圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，是符合UT1的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而UTC連續(xù)不再閏秒后就不再與圓周運(yùn)動(dòng)的地球自轉(zhuǎn)有任何聯(lián)系，也就沒(méi)有不要占用秒—分—時(shí)—日的進(jìn)制規(guī)則，把此規(guī)則留給UT1，讓地球上的人類(lèi)繼續(xù)使用。TAI改用十進(jìn)制更能表現(xiàn)時(shí)間軸的線性?？梢粤硗饷粋€(gè)新的詞，也可以使用TAI。

5）需要連續(xù)時(shí)間的用戶可以很方便地從GNSS授時(shí)信號(hào)中獲得連續(xù)的時(shí)間軸，而且與TAI同步。若UTC連續(xù)后，需要UT1的用戶，將無(wú)法方便地獲得UT1。

6）如果UTC不再閏秒，那么全球授時(shí)信號(hào)將選擇哪種時(shí)間坐標(biāo)？播報(bào)新UTC還是UT1？授時(shí)系統(tǒng)如果要兼顧兩種需求的用戶，就必須研究同時(shí)授時(shí)兩種時(shí)間的技術(shù)，或者先解決了地球自轉(zhuǎn)和定向參數(shù)單獨(dú)發(fā)送問(wèn)題后，再來(lái)討論UTC連續(xù)的問(wèn)題。在沒(méi)有準(zhǔn)備好之前，建議不要改變UTC的現(xiàn)狀。

總之，UTC閏秒問(wèn)題不能簡(jiǎn)單地理解為連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間更加科學(xué)的問(wèn)題，鑒于UT1和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的重要性，當(dāng)前尚無(wú)很好的方案解決上述問(wèn)題，我們決定暫時(shí)保持UTC現(xiàn)狀。

7 URSI-Commission A的最終提案

特別草案小組以郵件群發(fā)的形式開(kāi)展了19天，主要改進(jìn)點(diǎn)在于：首先把題目中的“UTC”改成了“參考時(shí)間”，回避了“協(xié)調(diào)”的異議；其次表達(dá)了UT1用戶關(guān)切；最后提出了在衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)和網(wǎng)絡(luò)授時(shí)信號(hào)中增加UT1-UTC信息。而當(dāng)前的GNSS報(bào)文中播發(fā)的信息是導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間與UTC的差值，這需要衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)計(jì)者引以關(guān)注。

欄目草案征求意見(jiàn)稿2020年2月19日特別小組的最終提案稿2020年3月26日 題目國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟關(guān)于需要連續(xù)UTC的聲明關(guān)于需要一個(gè)連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度的來(lái)自URSI的聲明 考慮到a）當(dāng)前用不定期的閏秒維持協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC和地球自轉(zhuǎn)角度時(shí)間尺度UT1在0.9 s內(nèi)保持一致的實(shí)際操作，從1990年代討論至今。a）當(dāng)前用不定期的閏秒維持協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC和地球自轉(zhuǎn)角度時(shí)間尺度UT1在0.9s內(nèi)保持一致的實(shí)際操作，從1990年代討論至今。 b）國(guó)際電信聯(lián)盟ITU在其2015年世界 無(wú)線電會(huì)議（WRC-15）和WRC-15的655號(hào)決議中討論了時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)和通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)授時(shí)問(wèn)題，需要與國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟URSI和其他相關(guān)國(guó)際組織合作，更長(zhǎng)遠(yuǎn)、更廣泛地研究當(dāng)前和未來(lái)潛在的不同領(lǐng)域未來(lái)參考時(shí)間尺度，包括其影響和應(yīng)用。b）國(guó)際電信聯(lián)盟的無(wú)線通信部門(mén)（ITU-R）在其 2015年世界無(wú)線電會(huì)議（WRC-15）和WRC-15的655號(hào)決議中討論了時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)和通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)授時(shí)問(wèn)題，需要與國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟URSI和其他相關(guān)國(guó)際組織合作，更長(zhǎng)遠(yuǎn)、更廣泛地研究當(dāng)前和未來(lái)潛在的不同領(lǐng)域未來(lái)參考時(shí)間尺度，包括其影響和應(yīng)用。 c）在2018年第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)CGPM上形式上確認(rèn)了國(guó)際原子時(shí)TAI和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的定義，還請(qǐng)求所有相關(guān)國(guó)際組織和聯(lián)盟一起協(xié)作在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度上達(dá)成共同理解，它們的產(chǎn)生和授時(shí)要考慮目前的在UT1-UTC的最大幅值上的限值，為了滿足當(dāng)前和未來(lái)用戶群體的需求。c）在2018年第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)CGPM上形式上確認(rèn)了國(guó)際原子時(shí)TAI和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的定義，還請(qǐng)求所有相關(guān)國(guó)際組織和聯(lián)盟一起協(xié)作在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度上達(dá)成共同理解，它們的產(chǎn)生和授時(shí)要考慮目前的在UT1-UTC的最大幅值上的限值，為了滿足當(dāng)前和未來(lái)用戶群體的需求。 d）URSI-Com A組織了更廣泛的咨詢，向來(lái)自不同領(lǐng)域的專家征求他們對(duì)于采納連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度的意見(jiàn)。 注意到d）引入閏秒已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的問(wèn)題，也在世界范圍內(nèi)導(dǎo)致一些應(yīng)用的中斷，如衛(wèi)星導(dǎo)航和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等需要連續(xù)時(shí)間參考的應(yīng)用。為了減弱問(wèn)題的影響，不同的用戶采取了一些替代方法，或者使用了非標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)時(shí)間參考（如GPS時(shí)間），或者采用了不同制造商提供的與UT1同步時(shí)間的方法。這些做法反過(guò)來(lái)又給用戶造成混亂和錯(cuò)誤。e）引入閏秒已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的問(wèn)題，也在世界范圍內(nèi)導(dǎo)致一些應(yīng)用的中斷，如衛(wèi)星導(dǎo)航、分布式測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等需要連續(xù)時(shí)間參考的應(yīng)用。為了減弱問(wèn)題的影響，不同的用戶采取了一些行動(dòng)，或者使用了非標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)時(shí)間參考（如GPS時(shí)間），或者采用了不同制造商提供的與UT1同步時(shí)間的方法。這些做法反過(guò)來(lái)又給用戶造成混亂和錯(cuò)誤。 f）在插入閏秒的期間，由于模棱兩可，計(jì)量溯源到UTC的用戶經(jīng)常不能實(shí)現(xiàn)。 g）改變當(dāng)前保持UTC與UT1在0.9 s內(nèi)一致規(guī)則，仍然有不可預(yù)測(cè)的顧慮。 h）UT1對(duì)于諸如航天工業(yè)、地球基地觀測(cè)等領(lǐng)域，以及對(duì)于在固定與旋轉(zhuǎn)參考系之間信息轉(zhuǎn)換是必須的；并且對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)授時(shí)UT1信號(hào)也是需要的。 i）UT1-UTC的定義值可由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)服務(wù)（IERS）網(wǎng)站、其他無(wú)線信號(hào)的時(shí)間授時(shí)技術(shù)、GNSS和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議提供。 j）TAI應(yīng)該不被考慮作為一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)參考時(shí)間尺度的選項(xiàng)；在它的當(dāng)前狀態(tài)下，它只提供頻率參考，不被時(shí)鐘授時(shí)。 認(rèn)識(shí)到e）于1996年，在法國(guó)里爾（Lille），URSI大會(huì)上通過(guò)了鞏固URSI與ITU關(guān)系的決議，決定URSI理事會(huì)必須在共同關(guān)心的具體問(wèn)題方向上同ITU合作，這樣的議題以適當(dāng)?shù)男问綔?zhǔn)備URSI的聲明。k）于1996年，在法國(guó)里爾（Lille），URSI大會(huì)上通過(guò)了鞏固URSI與ITU關(guān)系的決議，決定URSI理事會(huì)必須在共同關(guān)心的具體問(wèn)題方向上同ITU合作，這樣的議題以適當(dāng)?shù)男问綔?zhǔn)備URSI的聲明。 f）2002年成立了URSI擴(kuò)大工作組，已經(jīng)識(shí)別出來(lái)偶發(fā)的閏秒調(diào)整帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。l）2002年成立了URSI擴(kuò)大工作組，已經(jīng)識(shí)別出來(lái)偶發(fā)的閏秒調(diào)整帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。 g）1999年URSI Commission A（電磁計(jì)量）表達(dá)了意見(jiàn)，插入閏秒的程序必須被停止，UTC應(yīng)該成為一個(gè)連續(xù)的參考時(shí)間尺度，這個(gè)觀點(diǎn)在2014年由Com A的決議確認(rèn)下來(lái)。m）1999年URSI Commission A（電磁計(jì)量）表達(dá)了意見(jiàn)，插入閏秒的程序必須被停止，UTC應(yīng)該成為一個(gè)連續(xù)的參考時(shí)間尺度，這個(gè)觀點(diǎn)在2014年由Com A的決議確認(rèn)下來(lái)。 URSI作出決定的聲明A）所有GNSS被要求在資金支持、能力和發(fā)展?jié)摿Φ确矫婵紤]廣播UT1-UTC，以1 ms或更高精度。此外，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供UT1-UTC的系統(tǒng)需要加固以防范黑客攻擊，還必須補(bǔ)充第二個(gè)來(lái)源，常年滿足僅要求UT1-UTC信息的用戶的需求。 國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟URSI的無(wú)線電科學(xué)家們已經(jīng)識(shí)別到由未來(lái)長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)的插入閏秒導(dǎo)致的各種風(fēng)險(xiǎn)，還識(shí)別到在無(wú)線電領(lǐng)域的科學(xué)研究和相關(guān)活動(dòng)中，一個(gè)獨(dú)一無(wú)二且連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是至關(guān)重要的。進(jìn)一步得出結(jié)論，與適應(yīng)系統(tǒng)和軟件需要有關(guān)的技術(shù)顧慮能被解決，一個(gè)連續(xù)參考時(shí)間尺度的好處，科學(xué)性與可操作性相比，挑戰(zhàn)是正常的，因此URSI的意見(jiàn)是在公布通知的適當(dāng)時(shí)間之后， |UT1-UTC|允差寬度應(yīng)該不再被限制。B）國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟URSI的無(wú)線電科學(xué)家們已經(jīng)識(shí)別到由于在UTC未來(lái)長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)閏秒調(diào)整導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，還識(shí)別到在無(wú)線電領(lǐng)域的科學(xué)研究和相關(guān)活動(dòng)中，一個(gè)獨(dú)一無(wú)二且連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是至關(guān)重要的。進(jìn)一步得出結(jié)論，大多數(shù)與適應(yīng)系統(tǒng)和軟件需要有關(guān)的技術(shù)顧慮能被解決，一個(gè)連續(xù)參考時(shí)間尺度的好處，科學(xué)性與可操作性相比，挑戰(zhàn)是正常的，因此URSI的意見(jiàn)是在公布通知，且實(shí)時(shí)授時(shí)UT1-UTC已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，且到2023年沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有致命問(wèn)題之后的適當(dāng)時(shí)間，取消當(dāng)前對(duì)UT1-UTC最大幅值的限制。

8 結(jié)論

UTC是否繼續(xù)閏秒的問(wèn)題，已經(jīng)在國(guó)際上討論20多年，中國(guó)代表在ITU上和CGPM上也曾表達(dá)過(guò)明確意見(jiàn)，那時(shí)支持了國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家的意見(jiàn)，讓UTC不再閏秒。但是隨著我國(guó)國(guó)際地位的提升，承擔(dān)了更多的國(guó)際責(zé)任，尤其是新時(shí)代以來(lái)國(guó)際形勢(shì)發(fā)展變化，許多學(xué)者重新審視了UTC閏秒的利弊，本次給出了不同以往的建議。本次再議閏秒問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)借助微信群，在國(guó)際上借助電子郵件群，廣泛組織代表不同觀點(diǎn)的專家，開(kāi)展了高效而熱烈的討論，達(dá)到了科學(xué)、民主、公開(kāi)、透明、集中統(tǒng)一的效果。在URSI國(guó)際組織中僅有來(lái)自中國(guó)的1票反對(duì)意見(jiàn)，中國(guó)的意見(jiàn)引起國(guó)際組織高度重視，最終提案是折衷的結(jié)果，納入了我國(guó)學(xué)者的部分意見(jiàn)，達(dá)到了表達(dá)UT1用戶關(guān)切的目的。在這個(gè)過(guò)程中提升了我國(guó)的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，在國(guó)際時(shí)間規(guī)則的制定中發(fā)揮了積極推動(dòng)作用。同時(shí)，也意識(shí)到發(fā)展獨(dú)立自主的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)EOP測(cè)量能力是非常重要的。

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Re-discussed about leap second in coordinate universal time in 2020

LIU Min1, SUN Yi1, GU Zhao-bing2, GAO Yu-ping3,4, ZHANG Sheng-kang5

(1. Beijing Orient Institute of Measurement and Test, Beijing 100086, China;2. System Engineering Research Institute of Chinese Academy of Military Sciences, Beijing 100141, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101048, China;4. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;5. Beijing Radio Institute of Metrology and Test, Beijing 100005, China)

The electromagnetic metrology Commission A of the Union of Radio Science International (URSI) is about to draft a resolution about continuing Coordinate Universal Time (UTC) in 2020. During the period of time for taking advice, China Commit of URSI expressed its oppositive opinion. This drew much attention in the URSI, and led to a debate about whether inserting leap second into UTC is necessary or not. This paper revealed here the nature of the problem about UTC’s leap second and time continuity, introduced the views pro and con, and compared the initial and final drafts of the statement by URSI. The oppositive opinion from China created significant impact on the resolution of the international organization and the emending of the international time rule.

leap second; coordinate universal time(UTC); universal time(UT1); international atomic time(TAI); inertial coordinate; non-inertial coordinate

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-03-0153-10

劉民, 孫毅, 古兆兵, 等. 2020年再議協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC閏秒問(wèn)題[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(3): 153-162.

2021-06-06；

2021-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（42030105；11973046；91736207）