Unix、UTC、GPS时间戳及转换

UTC时间
UTC时间的英文全称：Universal Time Coordinated，中文名称：协调世界时。俗的理解为，这个时间是全世界通用的，即全世界都公用的一个时间。可以认为格林威治时间就是时间协调时间（GMT=UTC），格林威治时间和UTC时间均用秒数来计算的。
起始时间为：1970年1月1日

北京时间：UTC+8
在这里插入图片描述
本地时间
计算机显示的时间
本地时间 = UTC 时间 + 时区（北京时间是东八区，也就是 +8小时）
UTC + 时区差＝ 本地时间
时区差东为正，西为负。在此，把东八区时区差记为 +0800，

UNIX时间
在计算机中看到的UTC时间都是从（1970年01月01日 0:00:00)开始计算秒数的。所看到的UTC时间那就是从1970年这个时间点起到具体时间共有多少秒。这个秒数就是Unix时间戳，与时区无关。应用于大多数Unix系统（linux，Ubuntu，ros）

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。

所以Unix时间转换为本地时间，应该先将 Unix时间转换为UTC时间（UTC是0时区的时间），然后再将UTC时间转换为本地时间：

Unix时间戳转换为本地时间的在线工具

在这里插入图片描述

GPS时间系统
GPS使用UTC原子钟时间，起始时间为：1980年1月6日；

与unix两者相差：err=315964800秒

GPS时间表示：周数Weeks和周内秒Secs,转成秒：

sec = Weeks *7 * 24 * 3600 +Secs

和ros的时间转为同一时间基准：

s = sec + err - 闰秒次数

即
unix_timestamp = gps_timestamp + 315964800 - LEAPSEC

其中315964800 为两个时间起始相差的固定秒数
LEAPSEC ：闰秒

GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。

时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布。

GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地坐标系

闰秒
闰秒是在协调世界时（UTC）中增加或减少一秒，使得UTC时与原子时[5]之间的差不超过0.9秒。
需要闰秒的部分原因是因为一个太阳日并不总是86400秒。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。
最近的一次添加闰秒是在2016年12月31日23:59:60。

闰秒是对“协调世界时”(UTC)所做出的基本调整，以便令其与太阳时间保持同步。

2016年7月6日，法国国际地球自转组织发布公告：国际标准时间将在格林尼治时间2016年12月31日23时59分59秒实施一个正闰秒，即增加1秒，届时将出现59分60秒的特殊现象。由于北京处于东8区，所以中国将在2017年1月1日7：59：59后面增加1秒，出现7：59：60的特殊现象。2016年最后一天，全球多一秒！

一般来说，闰秒会被添加在某一年的6月30日或者12月31日。两次闰秒之间的时间间隔并不固定，最短的一次只隔了6个月，最长的一次隔了7年。多出来的一秒对于普通人的生活或许没有太多影响，但是对于时间连续精度有严格要求的航天、通讯、金融等领域有很大影响。比如一秒钟，飞船已经飞过了8公里！

本次闰秒调整后UTC时间与GPS时间的差将变为18秒，即UTC相对于GPS时慢了18秒。

UTC时间转UNIX时间戳

UTC时间转换成UNIX时间戳的方法其实很简单，因为此条件下输入的年月日是固定的。因此对于这个问题，我们可以直接按照年月日时分的形式进行计算，统计每它们的秒数之和。最后加入最后的秒数就可以得到当前的UNIX 时间戳了。我们知道闰年的秒数为31622400s，平年的秒数为31536000s。

程序的设计思路为：
1）统计从1970年至今一共过了多少平年，多少闰年，统计完成之后，根据闰年和平年的秒数计算出从1970年1月1日至今年一共经过了多少秒。
2）计算出当前年份是平年还是闰年，以此推算出从年初到上个月过去了多少天。计算完成之后，可以将本月的到昨天的天数一起统计进来，最终可以将年月日三个单位的秒数一起统计出来。
3）将剩余的时分秒利用同样的方式进行累加，最终得出当前的UNIX时间戳。

具体代码如下：

#include <stdio.h>
#include "timex_test1.h" 
time_tt stCurrentTime; 

int main(void)
{
  stCurrentTime.year = 2023;
  stCurrentTime.month = 4;
  stCurrentTime.date = 13;
  stCurrentTime.hour = 9;
  stCurrentTime.minute = 30;
  stCurrentTime.second = 3;
  printf("%ds", UTCToUnixTimeStamp(&stCurrentTime));
  return 0;
}

UnixTimeStamp_t UTCToUnixTimeStamp(time_tt *time)
{
  int FlatYearMonthDay[13] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
  int LeapYearMonthDay[13] = {0, 31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
  time_tt *tempTime;	//定义临时变量存储时间int i;
  tempTime = time;	//指向传入参数
  int LeapYearNumber;		//闰年
  int FlatYearNumber; //平年
  int ThisYear;
  int LastMonDays = 0;
  UnixTimeStamp_t TimeStamp = 0;

/*step1: 统计从1970年至今年，一共包含多少平年和闰年，并且计算其总秒数*/ 
for ( i = UNIX_TIME_STAMP_YEAR; i < tempTime->year; i ++ )
{
  if((((i % 4) == 0) && ((i % 100) != 0)) || ((i % 400) == 0))
  {
    LeapYearNumber ++;
  }
  else
  {
    FlatYearNumber ++;
  }
}
TimeStamp = LeapYearNumber * 31622400 + FlatYearNumber * 31536000;

/*step2: 判断今年是平年还是闰年*/
if((((tempTime->year % 4) == 0) && ((tempTime->year % 100) != 0)) || ((tempTime->year % 400) ==0))
{
  ThisYear = LEAP_YEAR;
}
else
{
  ThisYear = FLAT_YEAR;
}

for ( i = 1; i < tempTime->month; i ++)
{
  if(ThisYear == LEAP_YEAR)
  {
    LastMonDays += LeapYearMonthDay[i];
  }
  else if(ThisYear == FLAT_YEAR)
  {
    LastMonDays += FlatYearMonthDay[i];
  }
}
LastMonDays = LastMonDays + tempTime->date - 1; //统计当月到昨天为止的天数TimeStamp += LastMonDays * 86400;

/*step3. 计算出剩余的时分秒*/
TimeStamp += tempTime->hour * 3600; 
TimeStamp += tempTime->minute * 60; 
TimeStamp += tempTime->second;
return TimeStamp;
}

timex_test1.h

#ifndef   __TIMEX_TEST1_H_
#define   __TIMEX_TEST1_H_

#define UNIX_TIME_STAMP_YEAR  1970
#define LEAP_YEAR             1
#define FLAT_YEAR             0
typedef struct timex_test1
{
  int year;
  int month; 
  int date; 
  int hour;
  int minute; 
  int second;
} time_tt;

typedef unsigned int UnixTimeStamp_t;
UnixTimeStamp_t UTCToUnixTimeStamp(time_tt *time);
#endif

UNIX时间转UTC时间戳
1）时分秒的转换
当UNIX时间戳的计数值小于86400（24h）的时候，我们很容易就能写出转换成UTC时间的程序，因为小时数就是“UnixTimeStamp” 对3200 取模，分数就是将不能凑满小时的“UnixTimeStamp” 对60 取模，剩余不能凑满分数的“UnixTimeStamp” 即为当前时间的秒数。

2）年月日的转换
接下来，我们将要再对“日”的上一层单位进行讨论，即“月”数值，这也将是这个程序最为复杂的一部分内容。
这个复杂点主要体现在两个方面：
（1）每个月的天数不等。众所周知，一年中每个月的天数都是不同的，1，3，5，7，8， 10，12为大月，一个月有31天；4，6，9，11为小月，一个月有30天。
（2）闰年平年的影响。由于公历的偏差，导致了一年中最为特殊的一个月份2月，当此年为闰年时，2月份有29天，此年为平年时，2月份有28天。
上面两个原因，导致了年月日计算的复杂性。

但是，困难只是表面上的，我们仔细思考下，就很容易得出规律。这个规律的突破口即为闰年出现的时间，因为闰年每四年出现一次，那么我们可以列出从1970 年开始的几个年份。如下图所示：

在这里插入图片描述
由于闰年每四年出现一次，因此我们由图3中可以得出一个简单方法，即可以从1790年开始，每四年组成一个集合，每一个集合的都是由1年闰年加上3年平年组成的，它们的时间都是相等的，即126230400秒。

因此这个月数的求解步骤就可以变为：
（1）计算从1970 年开始到当前的UNIX时间戳为止，一共过了多少个“ 集合年（平年+ 闰年）”；
（2）计算出当前的UNIX时间戳位于本“集合年“的哪一年，这样就可以判断当年年份是平年
还是闰年；
（3）判断了当前年份是平年还是闰年之后，就可以推算出2月份有多少天，然后可以根据上述的递归法，求解出当前位于某一月，某一天。

所以，我们先求出当前的年份，得出当前年份之后，我们就可以很容易使用“ 能被4 整除且不能被100 整除，或者能被400 整除的年份是闰年”这一条规则算出当年年份是闰年还是平年。接着，我们可以直接将当前年份剩余的时间戳结合平年还是闰年，查表计算出当前的月份。

#include <stdio.h>
#include "timex_test2.h" 
utc_t UtcTime;
int main(void)
{
  int retVal;
  int u32UnixTimeStamp = 0; int hour, minute, sec;
  int flat_year_month_day[13] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
  int leap_year_month_day[13] = {0, 31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
  int year_temp = 0; 
  int day_temp = 0;
  unsigned int cnt_temp = 0; 
  int is_leap_or_flat_year; int i;
  printf("input the UNIX time stamp:"); 
  scanf("%d", &u32UnixTimeStamp);

  cnt_temp = u32UnixTimeStamp;
/*判断当前UNIX时间戳经过了多少个4年*/ 
  while(cnt_temp >= 126230400)
  {
    year_temp ++;
    cnt_temp = cnt_temp - 126230400;
  }
  /*计算出当前的4年周期起始年份*/
  UtcTime.year = UNIX_TIME_YEAR + (4 * year_temp);
  /*计算出当前的年份*/
  /*这部分代码可使用循环做精简，为了直观，我将其写开*/
  if(cnt_temp >= 31536000)
  {
    UtcTime.year ++;
    cnt_temp -= 31536000;
    /*Flat year*/
    if(cnt_temp >= 31536000)
    {
      UtcTime.year ++;
      cnt_temp -= 31536000;
    /*Leap year*/
    if(cnt_temp >= 31622400)
    {
      UtcTime.year ++;
      cnt_temp -= 31622400;
    /*Flat year*/
    if(cnt_temp >= 31536000)
    {
      UtcTime.year ++;
      cnt_temp -= 31536000;
    }
    }
    }

/*计算当前年份是平年还是闰年*/
if((((UtcTime.year % 4) == 0) && ((UtcTime.year % 100) != 0)) || ((UtcTime.year % 4) ==0))
{
  is_leap_or_flat_year = LEAP_YEAR;
}
else
{
  is_leap_or_flat_year = FLAT_YEAR;
}
/*计算出不足一年剩余的天数*/
day_temp = cnt_temp / 86400;

/*剩余不足86400s的时间戳，计算出时间*/
UtcTime.hour = (cnt_temp - day_temp * 86400) / 3600;	//Calculate hours 
UtcTime.minute = (cnt_temp - day_temp * 86400 - UtcTime.hour * 3600) / 60; //Calculate minutes 
UtcTime.second = cnt_temp % 60;

/*将天数结合平年还是闰年查表计算出当前的月份*/
if(is_leap_or_flat_year == FLAT_YEAR)
{
  if(day_temp >= flat_year_month_day[i + 1])
  {
    UtcTime.month ++;
    day_temp -= flat_year_month_day[i + 1];
  }
}
else if(is_leap_or_flat_year == LEAP_YEAR)
{
  if(day_temp >= leap_year_month_day[i + 1])
  {
    UtcTime.month ++;
    day_temp -= leap_year_month_day[i + 1];
  }
}
}

/*由于天数从1开始，因此需要加1*/
UtcTime.date = day_temp + 1;
printf("\nTime transform successfully\n");
printf("++++++++++++++++++++++++++++++++++\n");
printf("\nUTC time is : %dy - %dm - %dd\n", UtcTime.year, UtcTime.month, UtcTime.date); 
printf("\nUTC time is : %dh - %dm : %ds\n", UtcTime.hour, UtcTime.minute, UtcTime.second); 
printf("++++++++++++++++++++++++++++++++++\n");
printf("\n");
printf("\n"); 
return 0;
}

timex_test2.h

#ifndef   __TIMEX_H_
#define   __TIMEX_H_

/*定义UTC时间结构体类型*/ 
typedef struct
{
int year; 
int month; 
int date; 
int hour;
int minute; 
int second;
} utc_t;

/*定义UNIX时间戳的起始UNIX时间*/
#define UNIX_TIME_YEAR	1970
#define UNIX_TIME_MONTH	1
#define UNIX_TIME_DATE	1
#define UNIX_TIME_HOUR	0
#define UNIX_TIME_MINIUTE	0
#define UNIX_TIME_SECOND	0
#define LEAP_YEAR	1
#define FLAT_YEAR

#endif