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(jì)量測試研究所，北京 100086）

0 引言

2021年7月28日，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會發(fā)布了2021年度十項(xiàng)前沿科學(xué)問題，《地球以外有統(tǒng)一的時(shí)間規(guī)則嗎?》從400多項(xiàng)問題難題中脫穎而出，成為業(yè)內(nèi)熱議的科學(xué)問題[1]。時(shí)間規(guī)則是為統(tǒng)一時(shí)間而制定的測量和計(jì)算時(shí)間的方法，也稱為時(shí)間計(jì)量[2]。對于未來的月球基地、火星基地，以及深空任務(wù)的航天器來說，“動(dòng)鐘變慢，弱引力勢鐘快”的相對論效應(yīng)對原子鐘的影響不可忽略[3-4]，基于守時(shí)-授時(shí)的統(tǒng)一時(shí)間規(guī)則不適用于遠(yuǎn)離地球的空間。如何統(tǒng)一時(shí)間仍是天文學(xué)、計(jì)量學(xué)、空間科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域共同問題。

國際天文聯(lián)合會（IAU）以往的決議，引入了如地球時(shí)和地心坐標(biāo)時(shí)之間的變換常數(shù)（LG）、質(zhì)心動(dòng)力學(xué)時(shí)與太陽系質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)之間變換常數(shù)（LB），簡化了對相對論效應(yīng)的處理方法，給出地球上的時(shí)間到太陽系質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)的換算關(guān)系[5]。然而這些所謂的常數(shù)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(dòng)中，雖成功運(yùn)用了天地時(shí)間同步技術(shù)[7]，但此孤立系統(tǒng)無需與其他系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，沒有統(tǒng)一時(shí)間的必要。未來空間活動(dòng)需多系統(tǒng)相互協(xié)作，地-月-火星-星際探測器之間要建立互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的聯(lián)合觀測、空間預(yù)警偵察等與時(shí)間強(qiáng)相關(guān)的聯(lián)合任務(wù)，需在有相對論效應(yīng)的不同位置之間以及原點(diǎn)不同的坐標(biāo)系之間構(gòu)建統(tǒng)一時(shí)間的規(guī)則?？臻g計(jì)量正面臨著此類時(shí)間統(tǒng)一的問題[8]。前期基于廣義相對論的空間計(jì)量理論研究提出了有關(guān)時(shí)間計(jì)量的4方面推論[9]：同時(shí)性與坐標(biāo)系的關(guān)系；時(shí)間單位與時(shí)間測量的關(guān)系；國際單位制（SI）秒的約定常數(shù)；以及銫原子鐘和脈沖星兩個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。該理論進(jìn)一步提出了統(tǒng)一時(shí)間的兩種模式：“中心守時(shí)，局域授時(shí)”，和“局域原時(shí)，全域坐標(biāo)時(shí)”。該理論還原了愛因斯坦廣義相對論的初衷，把當(dāng)前的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間恢復(fù)成“原時(shí)”和“坐標(biāo)時(shí)”兩個(gè)時(shí)間，讓時(shí)間和空間不可分割。

1 當(dāng)前守時(shí)-授時(shí)技術(shù)不能應(yīng)用到地球以外的廣域空間

在守時(shí)-授時(shí)模式中，國際上有400多臺守時(shí)原子鐘，按SI秒的定義復(fù)現(xiàn)秒長基準(zhǔn)，經(jīng)過相對論修正，換算到大地水準(zhǔn)面上，獲得本地原時(shí)。國際計(jì)量局（BIPM）比對各地的原時(shí)，計(jì)算出國際原子時(shí)（TAI），再結(jié)合與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)聯(lián)的世界時(shí)（UT1），用閏秒的方式協(xié)調(diào)TAI和UT1，發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）[10]，以上是“中心守時(shí)”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(yīng)，其結(jié)果是出現(xiàn)原子鐘走速差異[11-12]。那些位于大地水準(zhǔn)面上，或修正后復(fù)現(xiàn)大地水準(zhǔn)面SI秒的鐘所測量的原時(shí)產(chǎn)生了地球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[13-14]，其他鐘都不能按SI秒定義的時(shí)間單位走時(shí)[15-16]。其他鐘必須放棄自己的原時(shí)，同步于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，這是“局域被授時(shí)”的過程。從工程實(shí)現(xiàn)的角度，考慮相對論效應(yīng)改正的現(xiàn)有時(shí)間規(guī)則，可以解決近地空間和類地行星空間的時(shí)間統(tǒng)一問題。例如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）以守時(shí)地面站為中心，按照“中心守時(shí)，局域授時(shí)”模式，向在軌衛(wèi)星發(fā)出授時(shí)信號，星載原子鐘無需再復(fù)現(xiàn)SI秒的定義，無需測量本地原時(shí)，馴服于授時(shí)信號，保證同步于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

據(jù)研究脈沖星計(jì)時(shí)方面的文獻(xiàn)報(bào)道[17]，部分脈沖星的周期穩(wěn)定性很高，可達(dá)10-21以上量級，脈沖星能夠提供更為穩(wěn)定的時(shí)間參考。

授時(shí)是把標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間單位（秒長）傳遞給用戶的技術(shù)，授時(shí)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(jì)量理論的“同一坐標(biāo)系同時(shí)性”原理。有文獻(xiàn)計(jì)算，受相對論效應(yīng)影響，火星原時(shí)與地球質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)在1年內(nèi)的累計(jì)誤差可達(dá)0.2 s[18]。由此可知，在地球之外，現(xiàn)有的守時(shí)-授時(shí)技術(shù)在統(tǒng)一時(shí)間的問題上有理論缺陷。

2 相對時(shí)間觀與絕對時(shí)間觀

相對時(shí)間觀顛覆了傳統(tǒng)的絕對時(shí)間觀。要理解空間守時(shí)系統(tǒng)概念，先要了解兩種時(shí)間觀點(diǎn)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(quán)的，物理定律在任何坐標(biāo)系下形式都不改變，即具有廣義協(xié)變性”。局域坐標(biāo)系內(nèi)的參考時(shí)間是用SI秒測量的本地原時(shí)，原子鐘復(fù)現(xiàn)的原時(shí)是上述原理的基礎(chǔ)。不同局域坐標(biāo)系之間相互觀測對方的時(shí)間坐標(biāo)軸是不均勻的。他們的區(qū)別如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間惟一性：絕對時(shí)間觀認(rèn)同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的惟一性，用授時(shí)信號使用戶同步到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間上。相對守時(shí)觀認(rèn)為每個(gè)局域都有自己的原時(shí)和坐標(biāo)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不唯一；

（2）時(shí)間統(tǒng)一的技術(shù)：絕對時(shí)間觀利用授時(shí)信號實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)秒長的傳遞，達(dá)到時(shí)間統(tǒng)一的目的。相對時(shí)間觀用坐標(biāo)時(shí)來統(tǒng)一時(shí)間，認(rèn)為脈沖星能復(fù)現(xiàn)坐標(biāo)時(shí)，但是測量脈沖星必須使用自己的原時(shí)和軌道參數(shù)；

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

（4）均勻流逝的時(shí)間：絕對時(shí)間觀認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是均勻流逝的，各處均能用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間均勻刻度時(shí)間坐標(biāo)軸。相對時(shí)間觀認(rèn)為原時(shí)是均勻流逝的，別人的原時(shí)不均勻，所謂授時(shí)信號在跨越不同局域后變得不均勻；

（5）歷表的索引時(shí)間：絕對時(shí)間觀認(rèn)為天體的軌道參數(shù)歷表，其索引時(shí)間是地球動(dòng)力學(xué)時(shí)間和太陽系質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)時(shí)間。相對時(shí)間觀認(rèn)為歷表的索引時(shí)間應(yīng)該是觀者的原時(shí)；

（6）同時(shí)性的約束條件：絕對時(shí)間觀認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間可以不考慮空間位置，授時(shí)技術(shù)能夠同步處于不同位置上的時(shí)鐘。相對時(shí)間觀認(rèn)為空間和時(shí)間不可分割，同時(shí)性只能定義在同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，不同坐標(biāo)系之間的同時(shí)性沒有定義。

通過上述比較，澄清了現(xiàn)階段對時(shí)間的模糊理解。絕對時(shí)間觀和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間以及授時(shí)技術(shù)是當(dāng)前使用的最經(jīng)濟(jì)的、局部可實(shí)現(xiàn)的、普通大眾容易理解的時(shí)間統(tǒng)一方式，但是其理論基礎(chǔ)不是相對論，適用范圍受到限制。相對時(shí)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(shí)間統(tǒng)一方式。把現(xiàn)在惟一的僅在大地水準(zhǔn)面上復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間分成兩個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，一個(gè)是與各自軌道參數(shù)綁定的原時(shí)，另一個(gè)是在廣域坐標(biāo)系內(nèi)一致認(rèn)同的坐標(biāo)時(shí)，兩者不可相互替代。計(jì)量學(xué)把銫原子頻率常數(shù)作為約定的基本物理量，作為7個(gè)基本物理常數(shù)之一。對于兩個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，把脈沖星們的周期約定為常數(shù)（數(shù)組），再用脈沖星復(fù)現(xiàn)的坐標(biāo)時(shí)來統(tǒng)一地球以外時(shí)間，可以引領(lǐng)未來時(shí)間計(jì)量的新變革。

3 構(gòu)建空間守時(shí)系統(tǒng)

目前空間守時(shí)系統(tǒng)的定義[19]為“建立在太陽質(zhì)心坐標(biāo)系上，以SI秒定義、銫原子鐘和脈沖星為基礎(chǔ)，測量原時(shí)，統(tǒng)一坐標(biāo)時(shí)的時(shí)間測量系統(tǒng)”?？臻g守時(shí)系統(tǒng)，也稱為太陽系內(nèi)的守時(shí)系統(tǒng)。當(dāng)前守時(shí)-授時(shí)規(guī)則適用于局域內(nèi)部，也能照搬到其他天體，如火星的局域。兩種統(tǒng)一時(shí)間的方法有如下不同之處：

（1）守時(shí)觀點(diǎn)不同?？臻g守時(shí)系統(tǒng)認(rèn)同相對時(shí)間觀，認(rèn)為原時(shí)不能統(tǒng)一，在時(shí)間單位的約定是一致的前提下，不同局域坐標(biāo)系上有各自獨(dú)立的守時(shí)系統(tǒng)?，F(xiàn)有守時(shí)系統(tǒng)則認(rèn)同絕對時(shí)間觀，認(rèn)為在大地水準(zhǔn)面上復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是惟一的，其他局域的鐘應(yīng)保持與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步；

（2）空間參考系不同?？臻g守時(shí)系統(tǒng)以太陽系的質(zhì)量中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，脈沖星發(fā)出的電磁波進(jìn)入太陽系內(nèi)可視為平面波。平面波經(jīng)過原點(diǎn)的時(shí)間為坐標(biāo)時(shí)，把坐標(biāo)時(shí)作為統(tǒng)一時(shí)間的共同觀測物理量，每個(gè)局域的軌道參數(shù)（位置、引力勢和相對速度）若能查表獲知，就可以建立獨(dú)立的局域守時(shí)系統(tǒng)?，F(xiàn)有守時(shí)系統(tǒng)是以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，約定了大地水準(zhǔn)面引力常數(shù)，把地心坐標(biāo)時(shí)（TCG）外推到大地水準(zhǔn)面上，稱為地球時(shí)（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(guān)系；

（3）基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的機(jī)理不同?？臻g守時(shí)系統(tǒng)用脈沖星復(fù)現(xiàn)坐標(biāo)時(shí)，用銫原子鐘復(fù)現(xiàn)原時(shí)，同時(shí)利用了微觀量子穩(wěn)定性和宏觀慣性穩(wěn)定性，讓兩者成為平等的、相互獨(dú)立的時(shí)間的基準(zhǔn)?，F(xiàn)有守時(shí)系統(tǒng)僅僅依賴多臺原子鐘的加權(quán)平均，脈沖星周期的穩(wěn)定性從屬于量子能級躍遷的穩(wěn)定性，不是平等關(guān)系；

（4）中心化與去中心化?？臻g守時(shí)系統(tǒng)是去中心化的開放系統(tǒng)，任何局域系統(tǒng)只要其軌道參數(shù)可測，就能成為獨(dú)立的局域守時(shí)系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間沒有授時(shí)關(guān)系。現(xiàn)有守時(shí)系統(tǒng)的中心是大地水準(zhǔn)面上的守時(shí)原子鐘，是以BIPM為中心的時(shí)間測量系統(tǒng)；

（5）閉環(huán)反饋機(jī)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?xì)v元，讓各子系統(tǒng)之間相互廣播某脈沖序號的脈沖到達(dá)原點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)間，依據(jù)少數(shù)服從多數(shù)、靠近平均值原則調(diào)整后，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的反饋?，F(xiàn)有的守時(shí)系統(tǒng)用加權(quán)平均值作為反饋，受到大地水準(zhǔn)面不穩(wěn)定的影響，長期來看存在整體性飄移。

空間守時(shí)系統(tǒng)與脈沖星導(dǎo)航兩者的關(guān)系是互逆的，空間守時(shí)系統(tǒng)把軌道參數(shù)作為已知量求解時(shí)間，而脈沖星導(dǎo)航把時(shí)間作為已知量求解軌道參數(shù)[20]。軌道參數(shù)是引力勢、速度和位置隨時(shí)間變化的函數(shù)，也叫歷表。一般情況下航天器或天體的歷表是周期性的。空間守時(shí)系統(tǒng)是脈沖星導(dǎo)航的基礎(chǔ)支撐，脈沖星導(dǎo)航是空間守時(shí)系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例[21]。

4 結(jié)語

在地球以外如何統(tǒng)一時(shí)間規(guī)則是空間計(jì)量領(lǐng)域最基礎(chǔ)的科學(xué)問題，空間守時(shí)系統(tǒng)可作為破解該難題的一個(gè)途徑，但不是惟一的，不論哪種途徑均離不開相對時(shí)間觀的指引。空間守時(shí)系統(tǒng)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(shí)空統(tǒng)一規(guī)則?？臻g守時(shí)系統(tǒng)不僅是深空探測器、脈沖星導(dǎo)航、飛出太陽系的航天器、引力波和黑洞探測等的重要基礎(chǔ)，而且能夠?yàn)樵虑?、火星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六、小行星等天體量身定制其本地時(shí)間坐標(biāo)軸和歷法規(guī)則，建立各局域守時(shí)系統(tǒng)之間時(shí)間換算的對照表?？臻g守時(shí)系統(tǒng)將為空間計(jì)量學(xué)科提供理論支撐，并為我國航天活動(dòng)邁向更遠(yuǎn)深空奠定重要基礎(chǔ)。