常用的几种时间系统以及GPS时间转UTC时间

包括GMT、UT、TAI、UTC等时间系统

Posted by 晨曦 on August 19, 2020

目录

时间标准

  • 格林尼治标准时间GMT(Greenwich Mean Time):它是指位于英国伦敦郊区的皇家格林尼治天文台当地的平太阳时,因为本初子午线被定义为通过那里的经线。自1924年2月5日开始,格林尼治天文台负责每隔一小时向全世界发放调时信息。格林尼治标准时间的正午是指当平太阳横穿格林尼治子午线时(也就是在格林尼治上空最高点时)的时间。由于地球每天的自转是有些不规则的,而且正在缓慢减速,因此格林尼治平时基于天文观测本身的缺陷,已经被原子钟报时的协调世界时(UTC)所取代
  • 世界时UT(Universal Time):它是一种以格林威治子夜起算的平太阳时。世界时是以地球自转为基准得到的时间尺度,其精度受到地球自转不均匀变化和极移的影响,为了解决这种影响,1955年国际天文联合会定义了UT0、UT1和UT2三个系统:UTO表示未经改正的世界时,UT1表示经过极移改正的世界时,UT2表示进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时
  • 国际原子时TAI(International Atomic Time):英语简称为IAT,法语简称为TAI,最终使用法语简称TAI。它是根据秒的定义(1秒为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间)的一种国际参照时标,是均匀的时间尺度,与地球的空间位置不关联,起点为1958年1月1日0时0分0秒。随着时间的迁延,TAI和UT1两种时间尺度的时间差越来越大。为此,在UT1和TAI之间进行协调,这就产生了协调世界时UTC
  • 协调世界时UTC(Coordinated Universal Time):它是最主要的世界时间标准,基于国际原子时,并通过不规则的加入闰秒来抵消地球自转变慢的影响。它又称为世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间。由于英文(CUT)和法文(TUC)的缩写不同,作为妥协,简称UTC。协调世界时(UTC)是世界上调节时钟和时间的主要时间标准,是最接近格林威治标准时间(GMT)的几个替代时间系统之一。对于大多数用途来说,UTC时间被认为能与GMT时间互换。人们对该时间系统进行过数次调整,直到1972年引入了闰秒机制,调整工作得以简化。闰秒在必要的时候会被插入到UTC中,以保证协调世界时(UTC)与世界时(UT1)相差不超过0.9秒
  • Unix或POSIX时间戳:它是UNIX或类UNIX系统使用的时间表示方式。一般定义为从协调世界时(UTC时间)1970年1月1日0时0分0秒起至现在的总秒数(10位是精确到秒,13位是精确到毫秒)。考虑到闰秒的话,更精确的定义为从协调世界时(UTC时间)1970年1月1日0时0分0秒起至现在经过闰秒调整之后的总秒数
  • GPS时间:它是GPS原子时,它的时间基准是1980年1月6日0时0分0秒与世界协调时刻UTC相一致,以后按原子时TAI秒长累积计时。GPS时间跟UTC时间之差为秒的整倍数(因为UTC比TAI慢,而GPS是按照TAI来计时的,所以UTC也比TAI慢)。如1989年为5秒,1996年为11秒,2002年为13秒,到现在2020年08月为止为18秒。

闰秒

它是在协调世界时(UTC)中增加或减少一秒,使它与平太阳时贴近所做调整。需要闰秒的部分原因是因为平均太阳日(mean solar day)的长度正以非常缓慢的速度增加中,另一个原因是原子钟赋予秒固定的时间长度。而当两者结合时,就已经比当时的太阳时的秒短少了一点点。时间现在是以稳定的原子钟来测量(TAI或国际原子时),因为地球自转有着许多的变数,所以以前的秒定义(地球绕着轴自转和绕太阳的公转,以平均太阳日的1/86400来定义)被废除。当要增加正闰秒时,这一秒是增加在第二天的00:00:00之前,效果是延缓UTC第二天的开始。当天23:59:59的下一秒被记为23:59:60,然后才是第二天的00:00:00。如果是负闰秒的话,23:59:58的下一秒就是第二天的00:00:00了,但目前还没有负闰秒调整的需求
Leap_Second.dat可以查看每次闰秒的时间和第几次闰秒,主要内容如下:

#    MJD        Date        TAI-UTC (s)
#           day month year
#    ---    --------------   ------   
#
    41317.0    1  1 1972       10
    41499.0    1  7 1972       11
    41683.0    1  1 1973       12
    42048.0    1  1 1974       13
    42413.0    1  1 1975       14
    42778.0    1  1 1976       15
    43144.0    1  1 1977       16
    43509.0    1  1 1978       17
    43874.0    1  1 1979       18
    44239.0    1  1 1980       19
    44786.0    1  7 1981       20
    45151.0    1  7 1982       21
    45516.0    1  7 1983       22
    46247.0    1  7 1985       23
    47161.0    1  1 1988       24
    47892.0    1  1 1990       25
    48257.0    1  1 1991       26
    48804.0    1  7 1992       27
    49169.0    1  7 1993       28
    49534.0    1  7 1994       29
    50083.0    1  1 1996       30
    50630.0    1  7 1997       31
    51179.0    1  1 1999       32
    53736.0    1  1 2006       33
    54832.0    1  1 2009       34
    56109.0    1  7 2012       35
    57204.0    1  7 2015       36
    57754.0    1  1 2017       37

TAI、GPST、UTC换算

根据文件Leap_Second.dat可以得知,截止2020年08月:
TAI = UTC + 37
由于GPST从1980年1月6日0时0分0秒开始计时,所以1980年1月1日及以前的闰秒不考虑,则:
GPST = UTC + 18
另外,leapsecond可以查看实时的UTC、GPST、TAI时间

时区划分

时区是指地球上的某一个区域使用同一个时间定义。GMT时间或者UT时间,都是表示地球自转速率的一种形式。从太阳升起到太阳落下,时刻从0到24变化。这样,不同经度的地方时间自然会不相同。为了解决这个问题,人们把地球按经度划分为不同的区域,每个区域内使用同一个时间定义,相邻的区域时间差为1个小时。时区又分为理论时区和法定时区

  • 理论时区:按经度,每15°为一个时区,将地球划分为24个时区,以本初子午线为中心,向东西两侧各延伸7.5°的区域为0时区
  • 法定时区:法定时区是在理论时区的基础上,根据某些地区的国界线做了调整之后的时区。为实际使用的时区。例如中国横跨东五区到东九区五个时区,但统一使用东八区时间(北京时间)
  • 时差:某个地方的时刻与0时区的时刻差称为时差,时差东正西负。以本初子午线为中心,每向东一跨过一个时区,时刻增加一个小时,每向西跨过一个时区,时刻减少一个小时
  • 国际日期变更线:大体以180度经线为日界线。当自西向东穿过日期变更线时,日期需要减少一天,反之,日期增加一天

UTC时间转本地时间(东八区)

根据此代码,修改最后一行fromtimestamp(timestamp, timezone(timedelta(hours=8)))即可实现UTC转不同时区

from datetime import datetime, timedelta, timezone

# UTC时间转本地时间(北京)时间
# 1. 把utc的str转为datetime(无时区信息)
# 2. 添加时区信息为utc时区
# 3. datetime转为时间戳
# 4. 从时间戳得到本地时间datetime
# 输入格式为:'2020-08-05 02:03:03.815650'
# 输出格式为:datetime.datetime(2020, 8, 5, 10, 3, 3, 815650)
def utc_to_local(utc_time):
    datetimeformat = "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f"
    # 得到不包含时区的datetime
    dt_no_tz = datetime.strptime(utc_time, datetimeformat)
    # 设置时区为UTC
    # timezone.utc与timezone(timedelta(hours=0))一样
    utc_datetime = dt_no_tz.replace(tzinfo=timezone(timedelta(hours=0)))
    t = utc_datetime.timestamp()
    # 根据时间戳得到UTC时间
    # datetime.utcfromtimestamp(t)
    # 如果要将时间戳转化为东八区datetime
    # fromtimestamp(timestamp, timezone(timedelta(hours=8)))
    # 根据时间戳得到本地时间fromtimestamp(t, tz=None)
    return datetime.fromtimestamp(t)

本地时间(东八区)转UTC

根据此代码,修改replace(tzinfo=timezone(timedelta(hours=8)))即可实现某个时区转UTC时间

from datetime import datetime, timedelta, timezone

# 本地时间转UTC时间
# 输入格式为:'2020-08-05 10:03:03.815650'
# 输出格式为:datetime.datetime(2020, 8, 5, 2, 3, 3, 815650)
def local_to_utc(local_time):
    datetimeformat = "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f"
    # 得到不包含时区的datetime
    dt_no_tz = datetime.strptime(local_time, datetimeformat)
    # 设置时区为本地时区(北京,东八区)
    # timezone.utc与timezone(timedelta(hours=0))一样
    local_datetime = dt_no_tz.replace(tzinfo=timezone(timedelta(hours=8)))
    t = local_datetime.timestamp()
    # 根据时间戳得到UTC时间
    return datetime.utcfromtimestamp(t)

GPS时间转UTC时间

将GPS时间转换为UTC时间

from datetime import datetime, timedelta

# 闰秒
LEAP_SECONDS = 18

# 输入:GPS周、GPS周内秒、闰秒(可选,gps时间不同,闰秒值也不同,由Leap_Second.dat文件决定)
# 输出:UTC时间(格林尼治时间)
# 输入示例: gps_week_seconds_to_utc(2119, 214365.000)
# 输出示例: '2020-08-18 11:32:27.000000'
def gps_week_seconds_to_utc(gpsweek, gpsseconds, leapseconds=LEAP_SECONDS):
    datetimeformat = "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f"
    epoch = datetime.strptime("1980-01-06 00:00:00.000", datetimeformat)
    # timedelta函数会处理seconds为负数的情况
    elapsed = timedelta(days=(gpsweek*7), seconds=(gpsseconds-leapseconds))
    return datetime.strftime(epoch+elapsed, datetimeformat)

UTC时间转GPS时间

将UTC时间转换为GPS时间

from datetime import datetime, timedelta

# 闰秒
LEAP_SECONDS = 18

# 输入:UTC时间(datetime类型)
# 输出:GPS周、周内日、周内秒、毫秒
def utc_to_gps_week_seconds(utc, leapseconds=LEAP_SECONDS):
    datetimeformat = "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f"
    epoch = datetime.strptime("1980-01-06 00:00:00.000", datetimeformat)
    tdiff = utc - epoch + timedelta(seconds=leapseconds)
    gpsweek = tdiff.days // 7
    gpsdays = tdiff.days - 7*gpsweek
    gpsseconds = tdiff.seconds + 86400*(tdiff.days -7*gpsweek)
    return gpsweek, gpsdays, gpsseconds, tdiff.microseconds

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