經常使用的幾種時間系統GMT、UTC等以及使用Python代碼GPS時間轉UTC時間

時間 2021-02-27

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時間標準

格林尼治標準時間GMT（Greenwich Mean Time）：它是指位於英國倫敦郊區的皇家格林尼治天文臺當地的平太陽時，由於本初子午線被定義爲經過那裏的經線。自1924年2月5日開始，格林尼治天文臺負責每隔一小時向全世界發放調時信息。格林尼治標準時間的正午是指當平太陽橫穿格林尼治子午線時（也就是在格林尼治上空最高點時）的時間。因爲地球天天的自轉是有些不規則的，並且正在緩慢減速，所以格林尼治平時基於天文觀測自己的缺陷，已經被原子鐘報時的協調世界時（UTC）所取代
世界時UT（Universal Time）：它是一種以格林威治子夜起算的平太陽時。世界時是以地球自轉爲基準獲得的時間尺度，其精度受到地球自轉不均勻變化和極移的影響，爲了解決這種影響，1955年國際天文聯合會定義了UT0、UT1和UT2三個系統：UTO表示未經改正的世界時，UT1表示通過極移改正的世界時，UT2表示進一步通過地球自轉速度的季節性改正後的世界時
國際原子時TAI（International Atomic Time）：英語簡稱爲IAT，法語簡稱爲TAI，最終使用法語簡稱TAI。它是根據秒的定義（1秒爲銫-133原子基態兩個超精細能級間躍遷輻射振盪9192631770周所持續的時間）的一種國際參照時標，是均勻的時間尺度，與地球的空間位置不關聯，起點爲1958年1月1日0時0分0秒。隨着時間的遷延，TAI和UT1兩種時間尺度的時間差愈來愈大。爲此，在UT1和TAI之間進行協調，這就產生了協調世界時UTC
協調世界時UTC（Coordinated Universal Time）：它是最主要的世界時間標準，基於國際原子時，並經過不規則的加入閏秒來抵消地球自轉變慢的影響。它又稱爲世界統一時間、世界標準時間、國際協調時間。因爲英文（CUT）和法文（TUC）的縮寫不一樣，做爲妥協，簡稱UTC。協調世界時（UTC）是世界上調節時鐘和時間的主要時間標準，是最接近格林威治標準時間（GMT）的幾個替代時間系統之一。對於大多數用途來講，UTC時間被認爲能與GMT時間互換。人們對該時間系統進行過數次調整，直到1972年引入了閏秒機制，調整工做得以簡化。閏秒在必要的時候會被插入到UTC中，以保證協調世界時（UTC）與世界時（UT1）相差不超過0.9秒
Unix或POSIX時間戳：它是UNIX或類UNIX系統使用的時間表示方式。通常定義爲從協調世界時(UTC時間)1970年1月1日0時0分0秒起至如今的總秒數（10位是精確到秒，13位是精確到毫秒）。考慮到閏秒的話，更精確的定義爲從協調世界時(UTC時間)1970年1月1日0時0分0秒起至如今通過閏秒調整以後的總秒數
GPS時間：它是GPS原子時，它的時間基準是1980年1月6日0時0分0秒與世界協調時刻UTC相一致，之後按原子時TAI秒長累積計時。GPS時間跟UTC時間之差爲秒的整倍數（由於UTC比TAI慢，而GPS是按照TAI來計時的，因此UTC也比TAI慢）。如1989年爲5秒，1996年爲11秒，2002年爲13秒，到如今2020年08月爲止爲18秒。

閏秒

它是在協調世界時（UTC）中增長或減小一秒，使它與平太陽時貼近所作調整。須要閏秒的部分緣由是由於平均太陽日（mean solar day）的長度正以很是緩慢的速度增長中，另外一個緣由是原子鐘賦予秒固定的時間長度。而當二者結合時，就已經比當時的太陽時的秒短少了一點點。時間如今是以穩定的原子鐘來測量（TAI或國際原子時），由於地球自轉有着許多的變數，因此之前的秒定義（地球繞着軸自轉和繞太陽的公轉，以平均太陽日的1/86400來定義）被廢除。當要增長正閏秒時，這一秒是增長在次日的00:00:00以前，效果是延緩UTC次日的開始。當天23:59:59的下一秒被記爲23:59:60，而後纔是次日的00:00:00。若是是負閏秒的話，23:59:58的下一秒就是次日的00:00:00了，但目前尚未負閏秒調整的需求
Leap_Second.dat能夠查看每次閏秒的時間和第幾回閏秒，主要內容以下：python

#    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換算

根據文件Leap_Second.dat能夠得知，截止2020年08月：
TAI = UTC + 37
因爲GPST從1980年1月6日0時0分0秒開始計時，因此1980年1月1日及之前的閏秒不考慮，則：
GPST = UTC + 18
另外，leapsecond能夠查看實時的UTC、GPST、TAI時間函數

時區劃分

時區是指地球上的某一個區域使用同一個時間定義。GMT時間或者UT時間，都是表示地球自轉速率的一種形式。從太陽升起到太陽落下，時刻從0到24變化。這樣，不一樣經度的地方時間天然會不相同。爲了解決這個問題，人們把地球按經度劃分爲不一樣的區域，每一個區域內使用同一個時間定義，相鄰的區域時間差爲1個小時。時區又分爲理論時區和法定時區code

理論時區：按經度，每15°爲一個時區，將地球劃分爲24個時區，以本初子午線爲中心，向東西兩側各延伸7.5°的區域爲0時區
法定時區：法定時區是在理論時區的基礎上，根據某些地區的國界線作了調整以後的時區。爲實際使用的時區。例如中國橫跨東五區到東九區五個時區，但統一使用東八區時間（北京時間）
時差：某個地方的時刻與0時區的時刻差稱爲時差，時差東正西負。以本初子午線爲中心，每向東一跨過一個時區，時刻增長一個小時，每向西跨過一個時區，時刻減小一個小時
國際日期變動線：大致以180度經線爲日界線。當自西向東穿過日期變動線時，日期須要減小一天，反之，日期增長一天

UTC時間轉本地時間（東八區）

根據此代碼，修改最後一行fromtimestamp(timestamp, timezone(timedelta(hours=8)))便可實現UTC轉不一樣時區orm

from datetime import datetime, timedelta, timezone

# UTC時間轉本地時間（北京）時間
# 1. 把utc的str轉爲datetime（無時區信息）
# 2. 添加時區信息爲utc時區
# 3. datetime轉爲時間戳
# 4. 從時間戳獲得本地時間datetime
# 輸入格式爲：'2020-08-05 02:03:03.815650'
# 輸出格式爲：datetime.datetime(2020, 8, 5, 10, 3, 3, 815650)
def utc_to_local(utc_time):
    datetimeformat = "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f"
    # 獲得不包含時區的datetime
    dt_no_tz = datetime.strptime(utc_time, datetimeformat)
    # 設置時區爲UTC
    # timezone.utc與timezone(timedelta(hours=0))同樣
    utc_datetime = dt_no_tz.replace(tzinfo=timezone(timedelta(hours=0)))
    t = utc_datetime.timestamp()
    # 根據時間戳獲得UTC時間
    # datetime.utcfromtimestamp(t)
    # 若是要將時間戳轉化爲東八區datetime
    # fromtimestamp(timestamp, timezone(timedelta(hours=8)))
    # 根據時間戳獲得本地時間fromtimestamp(t, tz=None)
    return datetime.fromtimestamp(t)

本地時間（東八區）轉UTC

根據此代碼，修改replace(tzinfo=timezone(timedelta(hours=8)))便可實現某個時區轉UTC時間htm

from datetime import datetime, timedelta, timezone

# 本地時間轉UTC時間
# 輸入格式爲：'2020-08-05 10:03:03.815650'
# 輸出格式爲：datetime.datetime(2020, 8, 5, 2, 3, 3, 815650)
def local_to_utc(local_time):
    datetimeformat = "%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f"
    # 獲得不包含時區的datetime
    dt_no_tz = datetime.strptime(local_time, datetimeformat)
    # 設置時區爲本地時區（北京，東八區）
    # timezone.utc與timezone(timedelta(hours=0))同樣
    local_datetime = dt_no_tz.replace(tzinfo=timezone(timedelta(hours=8)))
    t = local_datetime.timestamp()
    # 根據時間戳獲得UTC時間
    return datetime.utcfromtimestamp(t)

GPS時間轉UTC時間

將GPS時間轉換爲UTC時間blog

from datetime import datetime, timedelta

# 閏秒
LEAP_SECONDS = 18

# 輸入：GPS周、GPS周內秒、閏秒（可選，gps時間不一樣，閏秒值也不一樣，由Leap_Second.dat文件決定）
# 輸出：UTC時間（格林尼治時間）
# 輸入示例： gps_week_seconds_to_utc(2119, 214365.000)
# 輸出示例： '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函數會處理seconds爲負數的狀況
    elapsed = timedelta(days=(gpsweek*7), seconds=(gpsseconds-leapseconds))
    return datetime.strftime(epoch+elapsed, datetimeformat)

UTC時間轉GPS時間

將UTC時間轉換爲GPS時間get

from datetime import datetime, timedelta

# 閏秒
LEAP_SECONDS = 18

# 輸入：UTC時間（datetime類型）
# 輸出：GPS周、周內日、周內秒、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