全球加一秒 你的GPS卫星定位腕表还准吗？

       [腕表之家 钟表文化] 午夜倒数，新年钟声，2016成为过去，2017悄然到来，然而少有人注意到的是，时间已经进行了一次调整。就在格林尼治时间2016年12月31日23:59:59（即北京时间2017年1月1日7:59:59），国际标准时间（UTC）实施了一个正“闰秒”（Leap Second），23:59:60的特殊现象出现了。

       可能大多数人听到后的第一反应，是这种事儿“谁在乎”，然而管理“闰秒”，对于诸如互联网的运行来说却是至关重要的。精确的GPS（全球定位系统）和运行的互联网，它们的重要性毋庸赘述。但既然管理GPS（全球定位系统）和互联网时间本身已经足够复杂，为什么还要添加一个“闰秒”呢？答案是国际标准时间（UTC）不是基于天文观测——至少，不再是。

       过去，国际标准时间（UTC）以地球绕轴自转为基础，“一天”等于太阳两次横穿格林尼治子午线的时间间隔，“一秒”也就是“一天”的1/86,400。到1950年代中期，时钟愈发精确，人们了解到地球绕轴自转是不规则的。因此1952年，国际天文学联合会决定将秒定义为1900年1月1日12时整回归年长度的1/31,556,925.9747。

第一座铯束原子钟，发明者路易斯·埃森和杰克·帕里，1955年，英国国家物理实验室

       简单地说，原子以特定的频率（具体频率取决于能阶）振荡。（在绝对零度时是静止的，而且在地面上的环境是零磁场）无论何时，无论何地，无论哪个铯原子，它的振荡频率都是相同的。所以忘记摇锤，忘记摆轮，忘记石英晶体，原子才是最稳定的振荡器（而且它们无处不在）。定义与原子振频挂钩后，秒的概念就确定下来。直到今天，我们仍然以此作为标准秒的国际官方定义。

       麻烦才刚刚开始。事实证明，原子钟远比地球绕轴自转和地球绕太阳公转更加稳定。以原子振频为基准的世界标准时间（UTC）当然值得赞颂，但这同时也意味着，它与以观测为基准的太阳时之间会有累积差异。为了保持和太阳时同步，世界标准时间（UTC）会不定期地增添“闰秒”。何时增添取决于地球旋转（受潮汐、地震以及海水浓度变化等现象影响）慢了多少，由国际地球自转服务组织（IERS）负责决定，一般在每年的6月30日或12月31日的最后一秒进行调整。

       那么，这对GPS精度意味着什么？

       GPS的运行依赖于距地约20,000公里的轨道上的卫星系统（当前有32颗），由美国军方控制。使用GPS接收器时，会接收来自（至少）四颗卫星的信号获得定位：其中来自三颗卫星的信号对接收器进行三角测量，第四颗卫星的信号用于提供实时校正。GPS定位非常精准，误差可以控制在30厘米内，但前提是卫星原子钟（以及更精准的地面原子钟）提供精确时间。

       整个系统原理并不复杂，计时精度是一切的关键。1纳秒（10亿分之1秒）时间误差意味着约1英尺位置误差，也即1秒时间误差意味着10亿英尺（折合约30.5万千米）位置误差，要知道地球和月球之间的距离也不过38.4万千米。由于相对论效应，每天GPS卫星时钟相比地面时钟要快约38微秒，位置累计误差10千米，这就需要超精密原子钟使整个系统保持同步。那么，GPS如何处理“闰秒”？GPS卫星时钟既没有23:59:60，也没有冻结一秒的时刻。相反，GPS系统发送GPS时间，并同时在信号中嵌入GPS和UTC的当前秒数差，由GPS接收器负责进行转换。

       幸而，不需要频繁实施正“闰秒”，自1972年以来，增添“闰秒”的情况总共发生了27次。过去，因为管理不当，增添“闰秒”曾经引发了一系列严重问题。那么，使用GPS接收器校正时间的腕表，都将“闰秒”纳入考量了吗？对于精工、卡西欧和西铁城腕表来说，答案是肯定的。例如，精工Astron腕表在每年的6月1日或12月1日后接收到第一个GPS信号即开始进入“闰秒”讯号接收模式。

       因为本身就是对不规则误差的修正，所以无论机械表，还是电子表，任何种类的时钟都不可能建立规律的“闰秒”修正机制。一种看法是国际标准时间（UTC）和未经“闰秒”修正时间（如GPS时间）之间的差异十分微小，增添“闰秒”又会引发严重的网络和导航问题，所以建议放弃“闰秒”修正。天文观测中地球旋转和轨道的固有非周期性变化，与原子钟恒定计时的差异，使得“闰秒”存在具有必要性。2015年举办的世界无线电通信大会通过决议，将推迟至2023年再次对闰秒的存废议题进行研究表决。（图/文 腕表之家 许朝阳）