Defines some time scales for usage both in civil life and in science.
* *Any conversion is usually not bijective. That means that for example * an UTC-timestamp can be mapped in a unique way to UT1, GPS or TAI (provided * that there are no negative leap seconds) but in reverse not. More important: * Conversions often happen in millisecond-precision or worse so they are * more or less like approximation procedures.
* * @author Meno Hochschild */ /*[deutsch] *Definiert verschiedene Zeitskalen sowohl zur Verwendung im zivilen * Alltag als auch in der Wissenschaft.
* *Konvertierverfahren sind im allgemeinen nicht bijektiv. Das bedeutet, * daß z.B. zwar einem UTC-Zeitpunkt meist eindeutig ein UT1-, GPS- oder * TAI-Zeitpunkt zugeordnet werden kann (positive UTC-Schaltsekunden * vorausgesetzt), umgekehrt aber nicht. Noch wichtiger: Konversionen * erfolgen oft in Millisekundengenauigkeit (oder schlechter), sind * also grundsätzlich Näherungsverfahren.
* * @author Meno Hochschild */ public enum TimeScale { //~ Statische Felder/Initialisierungen -------------------------------- /** *Counts the seconds relative to UNIX-epoch 1970-01-01T00:00:00Z * which is two years before UTC-epoch.
* *Leap seconds are not counted but ignored according to POSIX-standard. * Before the UTC-epoch 1972-01-01 the second is effectively defined as * the 86400th part of mean solar day (UT1). After this UTC-epoch the * POSIX-second is with the exception of leap second events equal to * the SI-second based on atomic clocks, but in long term effectively * similar to the UT1-second based on mean solar time.
* *POSIX is more present in computer realms than UTC although there is * no precision in calculation of SI-seconds (a bug of UNIX-specification). * The definition of the reference timezone on zero meridian of Greenwich * is the same as in UTC.
* *During a leap second the transformation of POSIX-time to an * UTC-timestamp is not defined. An old convention in the UNIX world * tries to reset the clock by one second AFTER the leap second, so * effectively mapping the leap second to the next day despite of * its obvious written form as last second of current day (see also * Wikipedia-page). * The current description of POSIX-time * explicitly states however that the relation between the current day * time and the current POSIX-value is not specified and dependent on * the implementation. Time4J maps the leap second to the current day * as the last second. This corresponds to an UNIX-variation where a * clock is reset at the begin of a leap second instead of at the end * of a leap second.
*/ /*[deutsch] *Zählt die Sekunden relativ zur UNIX-Epoche 1970-01-01T00:00:00Z, * die zwei Jahre vor der UTC-Epoche liegt.
* *Schaltsekunden werden nicht mitgezählt, sondern gemäß * dem POSIX-Standard ignoriert. Vor der UTC-Epoche 1972-01-01 wird die * Sekunde effektiv als der 86400-te Teil des mittleren Sonnentags * interpretiert (UT1). Danach ist die POSIX-Sekunde mit der Ausnahme von * Schaltsekunden im Kurzzeit-Bereich die SI-Sekunde auf Atomuhrzeitbasis, * auf lange Sicht aber effektiv als UT1-Sekunde auf Basis der mittleren * Sonnenzeit zu interpretieren.
* *POSIX ist im Computer-Bereich präsenter als UTC, auch wenn von * einer Genauigkeit in der Berechnung von SI-Sekunden nicht mehr gesprochen * werden kann (ein Bug der UNIX-Spezifikation). Die Definition der * Referenzzeitzone auf dem Null-Meridian von Greenwich ist wie in UTC * gegeben.
* *Während einer Schaltsekunde ist die Transformation einer * POSIX-Zeit zu einem UTC-Zeitstempel im Prinzip undefiniert. * Eine alte Konvention in der UNIX-Welt versucht jedoch, erst am Ende * einer Schaltsekunde die zugehörige Uhr um eine Sekunde * zurückzusetzen, rechnet also die Schaltsekunde selbst entgegen * seiner offensichtlichen Schreibform zum Folgetag (so auch gelistet im * Wikipedia-Artikel). * Die aktuelle Beschreibung der POSIX-Zeit * sagt jedoch ausdrücklich, daß die Beziehung zwischen der * aktuellen Tageszeit und dem aktuellen POSIX-Wert unspezifiert und * implementierungsabhängig ist. Time4J rechnet die Schaltsekunde * immer zu dem Tag, der sie als letzte Sekunde enthält. Das * entspricht einer UNIX-Variante, in der eine Uhr zu Beginn statt * zum Ende einer Schaltsekunde zurückgesetzt wird.
*/ POSIX, /** *Counts the seconds relative to UTC-epoch which started at * midnight on the calendar days 1972-01-01 (1972-01-01T00:00:00Z) * inclusive all leap seconds.
* *Time4J handles all {@code UniversalTime}-timestamps before * the UTC-epoch as mean solar time (UT). The second is therefore * defined as the 86400th part of the mean solar day before 1972. * After the UTC-epoch 1972-01-01 the second is always the * SI-second based on atomic clocks.
* * @see UniversalTime */ /*[deutsch] *Zählt die Sekunden relativ zur UTC-Epoche, die zu Mitternacht * des Datums 1972-01-01 begann (1972-01-01T00:00:00Z in der UTC-Zeitzone), * inklusive aller Schaltsekunden.
* *Time4J behandelt in allen {@code UniversalTime}-Implementierungen * Zeitangaben vor der UTC-Epoche rückwirkend als mittlere Sonnenzeit * UT. Vor der UTC-Epoche 1972-01-01 wird also die Sekunde als der 86400-te * Teil des mittleren Sonnentags definiert. Danach ist die Sekunde stets * die SI-Sekunde auf Atomuhrzeitbasis.
* * @see UniversalTime */ UTC, /** *International atomic time which is based on the SI-seconds of an * atomic clock and presents a continuous scale relative to 1958-01-01.
* *There is no second which is interpreted respective labelled as * leap second. Hence this scale is decoupled from civil day and only * useful in a scientific context. As consequence the astronomic day has * no meaning on this scale.
* *Strictly spoken, the scale definition of TAI is a statistical * approximation to the definition of an SI-second because the average of * around 250 atomic clocks worldwide is used. But the deviations are * in picoseconds or smaller which is not in the focus of this API.
* *Users need to be careful about the period between 1958 and 1972 * because Time4J applies approximations here: First to note, the SI-second was * introduced in year 1967 so we can just speak about atomic seconds * before that date in an approximated way. Second, the nowadays used TAI-scale * had got its name on a conference in year 1971, third to note, the TAI-ancestors * were still directly synchronized with UT2 hence had still got a vague * astronomical reference. At the calendar date 1972-01-01, the difference * between TAI and UTC was defined as exactly 10 seconds (TAI = UTC + 10), * plus the count of atomic seconds between 1958 and 1972. This difference * is fixed for all timestamps in epoch seconds because both TAI and UTC * counts in pure SI-seconds since 1972. But note: If TAI and UTC are resolved * to an element-oriented notation (YYYY-MM-DD HH:MM:SS) then the difference * between TAI and UTC increases with every inserted leap second because of * the different labelling. A TAI day does not know leap seconds. In the year * 2017 this difference between a TAI day and an UTC day has increased to * 37 seconds.
*/ /*[deutsch] *Internationale Atomuhrzeit, die auf den SI-Sekunden einer Atomuhr * basiert und eine monoton fortlaufende Skala relativ zu 1958-01-01 * darstellt.
* *Es werden also keine Sekunden als Schaltsekunden interpretiert. * Somit ist diese Skala vom zivilen Alltag abgekoppelt und nur im * Wissenschaftsbetrieb von Bedeutung. Konsequenterweise hat der astronomische * Tag in dieser Skala keine Bedeutung.
* *Streng genommen ist auch das Skalenmaß von TAI nur eine * statistische Annäherung an die Definition einer SI-Sekunde als * einer bestimmten Anzahl von Cäsium-Atomschwingungen, denn es wird * über ca. 250 Atomuhren weltweit gemittelt. Jedoch liegt die * Abweichung im Bereich von Pikosekunden, was nicht im Fokus dieses API * liegt.
* *Anwender müssen für Zeiten von 1958 bis 1972 vorsichtig * sein, denn Time4J verwendet hier lediglich Näherungen: Erstens wurde * die SI-Sekunde erst ab 1967 definiert, so daß vor jenem Jahr nur * näherungsweise von Atomsekunden gesprochen werden kann, * zweitens bekam die heutige TAI-Skala ihren Namen auf einer Konferenz * im Jahre 1971, drittens waren die Vorgänger von TAI noch direkt mit * UT2 synchronisiert, hatten also noch einen etwas vagen astronomischen Bezug. * Zum Datum 1972-01-01 wurde der Versatz zwischen TAI und UTC genau auf * 10 Sekunden festgelegt (TAI = UTC + 10), zuzüglich der Anzahl der * Atomsekunden zwischen 1958 und 1972. Diese Differenz gilt fest für * alle Zeitangaben in Epochensekunden, weil sowohl TAI als auch UTC in reinen * SI-Sekunden zählen. Aber: Werden TAI und UTC zu Zeitstempeln in einer * feldorientierten Notation (YYYY-MM-DD HH:MM:SS) aufgelöst, * dann ändert sich der Versatz seit 1972 laufend mit jeder * eingefügten Schaltsekunde, weil ein TAI-Tag keine Schaltsekunden * kennt. Im Jahr 2017 ist dieser Versatz zwischen TAI-Tag und UTC-Tag * auf 37 Sekunden angewachsen.
*/ TAI, /** *Is used by the GPS-navigation system and counts SI-seconds relative * to the start of GPS.
* *GPS was introduced on 6th of January 1980. All earlier timestamps * are not supported by Time4J. Between 1972 and 1980 there were 9 * leap seconds therefore following relation holds leaving aside the * different epoch reference: GPS + delta = UTC - 9 = TAI - 19 where * delta stands for the POSIX-difference between 1972-01-01 and * 1980-01-06.
* * @see #TAI */ /*[deutsch] *Wird vom GPS-Navigationssystem verwendet und wird relativ zum Start * von GPS in SI-Sekunden gezählt.
* *GPS wurde am 6. Januar 1980 eingeführt. Alle Zeitangaben davor * werden von Time4J mit einer Ausnahme quittiert. Zwischen 1972 und 1980 * gab es 9 Schaltsekunden, deshalb gilt abgesehen vom unterschiedlichen * Epochenbezug folgende Relation: GPS + delta = UTC - 9 = TAI - 19, wo * delta für die POSIX-Differenz zwischen 1972-01-01 und * 1980-01-06 steht.
* * @see #TAI */ GPS, /** *The Terrestrial Time is not bound to the rotation of the earth * and is a dynamic time derived from ephmerides (theoretical ideal).
* *This standard was redefined since 1991 taking into account the altitude * of an atomic clock relative to the surface of the earth. The predecessors * ET (Ephemeris Time) and TDT (Terrestrial Dynamic Time) are equivalent to TT * with millisecond precision. Time4J uses the approximation formula * TT = TDT = ET = TAI + 32,184 SI-seconds. See also: * Wikipedia.
* *Due to the uncertainty of estimating delta-T, this time scale is not * supported before the year -2000. Keep also in mind that this scale is NOT * always monotone for any time around the year 1972 or earlier. Users * should handle this scale as approximation for those ancient times.
* * @see #TAI * @see #deltaT(int, int) */ /*[deutsch] *Die Terrestrial Time ist nicht an die Erdrotation gebunden * und ist als dynamische Zeit aus Bewegungssätzen abgeleitet * (theoretisches Ideal).
* *Ab 1991 unter Berücksichtigung der Höhe einer Atomuhr * relativ zur Erdoberfläche (allgemeine Relativitätstheorie) * neu definiert. Die Vorgänger ET (Ephemeris Time) und TDT * (Terrestrial Dynamic Time) sind jedoch bis in den Millisekundenbereich * hinein nahezu gleich. Time4J verwendet als Näherung die Formel * TT = TDT = ET = TAI + 32,184 SI-Sekunden. Siehe auch: * Wikipedia.
* *Wegen der Unsicherheiten in der Bestimmung von delta-T wird diese Zeitskala * nicht vor dem Jahr -2000 unterstützt. Es ist auch zu berücksichtigen, * daß diese Skala um das Jahr 1972 herum oder früher NICHT immer monoton * ist. Anwender sollten daher diese Skala in jenen alten Zeiten als Näherung * betrachten.
* * @see #TAI * @see #deltaT(int, int) */ TT, /** *Mean solar time with variable seconds bound to the rotation of the earth.
* *UT is technically labelled as UT1 and often mixed up with UTC because leap seconds * are rare events and hardly noticed in civil life. The deviation of UT relative to TT * is called "delta-T" (difference TT - UT) and is regularly published by IERS. * Time4J uses polynomial expressions for the estimation of delta-T. These expressions * are based on the work of the Belgian astronomer Jean Meeus and allow the limited conversion * between UT and the other scales not bound to the rotation of the earth.
* *Due to the uncertainty of estimating delta-T, this time scale is not * supported after the year +3000. Keep also in mind that this scale is NOT * monotone, especially not after the start of year 1972. Users should generally * handle this scale as approximation.
* * @see #UTC * @see #deltaT(int, int) */ /*[deutsch] *Mittlere Sonnenzeit mit variabler erdrotationsgebundener Sekunde.
* *UT wird technisch auch als UT1 bezeichnet und wird häufig mit UTC verwechselt, * weil Schaltsekunden selten auftreten und im zivilen Alltag mit seinen meist deutlich * geringeren Anforderungen an die Genauigkeit kaum wahrnehmbar sind. Die Abweichung * von UT1 relativ zu TT (historisch eigentlich zu ET, Differenz TT - UT1) * wird in der Astronomie als Delta-T bezeichnet und wird laufend vom IERS * veröffentlicht. Time4J verwendet zum Abschätzen von Delta-T * polynomiale Ausdrücke, die auf den belgischen Astronomen Jean Meeus * zurückgehen und kann so begrenzt zwischen UT1 und den anderen * nicht an die Erdrotation gebundenen Zeitskalen umrechnen.
* *Wegen der Unsicherheiten in der Bestimmung von delta-T wird diese Zeitskala * nicht nach dem Jahr +3000 unterstützt. Es ist auch zu berücksichtigen, * daß diese Skala NICHT monoton ist, besonders nicht nach dem Start des Jahres * 1972. Anwender sollten im allgemeinen diese Skala als Näherung betrachten.
* * @see #UTC * @see #deltaT(int, int) */ UT; /** *Estimates the delta between TT and UT1 in decimal seconds depending on given year and month.
* *The estimation is mainly based * on a polynomial expression of the NASA.
* * @param year gregorian/julian year from -2000 until +3000 * @param month gregorian/julian month in range 1-12 * @return estimated difference deltaT = TT - UT in seconds * @throws IllegalArgumentException if any parameter is out of range * @since 3.33/4.28 */ /*[deutsch] *Liefert eine Schätzung der Differenz zwischen TT und UT1 in dezimalen Sekunden * abhängig von den angegebenen Parametern Jahr und Monat.
* *Die Schätzung basiert hauptsächlich auf einem * Polynom-Ausdruck der NASA.
* * @param year gregorian/julian year from -2000 until +3000 * @param month gregorian/julian month in range 1-12 * @return estimated difference deltaT = TT - UT in seconds * @throws IllegalArgumentException if any parameter is out of range * @since 3.33/4.28 */ public static double deltaT( int year, int month ) { if ((month < 1) || (month > 12)) { throw new IllegalArgumentException("Month out of range: " + month); } double y = year + (month - 0.5) / 12; return deltaT(year, y); } /** *Estimates the delta between TT and UT1 in decimal seconds depending on given date.
* *The estimation is mainly based * on a polynomial expression of the NASA.
* * @param date gregorian date from year -2000 until year +3000 * @return estimated difference deltaT = TT - UT in seconds * @throws IllegalArgumentException if the date is out of range * @since 3.33/4.28 */ /*[deutsch] *Liefert eine Schätzung der Differenz zwischen TT und UT1 in dezimalen Sekunden * abhängig vom angegebenen Datum.
* *Die Schätzung basiert hauptsächlich auf einem * Polynom-Ausdruck der NASA.
* * @param date gregorian date from year -2000 until year +3000 * @return estimated difference deltaT = TT - UT in seconds * @throws IllegalArgumentException if the date is out of range * @since 3.33/4.28 */ public static double deltaT(GregorianDate date) { int year = date.getYear(); int len = GregorianMath.isLeapYear(year) ? 366 : 365; int doy = 0; for (int m = 1, max = date.getMonth(); m < max; m++) { doy += GregorianMath.getLengthOfMonth(year, m); } doy += date.getDayOfMonth(); if (doy > len) { throw new IllegalArgumentException(date.toString()); } if ((year == -2001) && (doy == 365)) { // edge case year = -2000; doy = 1; } double y = year + ((doy - 1.0) / len); return deltaT(year, y); } private static double deltaT( int year, double y ) { if ((year < -2000) || (year > 3000)) { throw new IllegalArgumentException("Year out of range: " + year); } if (year > 2050) { double t = (y - 1820) / 100; return -20 + 32 * t * t; } else if (year >= 2018) { double t = y - 2000; return 64.16 + (0.0533 + 0.012125 * t) * t; // prediction for near future } else if (year >= 2005) { double t = y - 2000; return 63.5934 + (0.171417 + (0.014201 + (-0.00112745 + 0.000042060317 * t) * t) * t) * t; // old imprecise nasa expression: return 62.92 + (0.32217 + 0.005589 * t) * t; } else if (year >= 1986) { double t = y - 2000; return 63.86 + (0.3345 + (-0.060374 + (0.0017275 + (0.000651814 + 0.00002373599 * t) * t) * t) * t) * t; } else if (year >= 1961) { double t = y - 1975; return 45.45 + (1.067 + (-1 / 260 - t / 718) * t) * t; } else if (year >= 1941) { double t = y - 1950; return 29.07 + (0.407 + (-1 / 233 + t / 2547) * t) * t; } else if (year >= 1920) { double t = y - 1920; return 21.20 + (0.84493 + (-0.076100 + 0.0020936 * t) * t) * t; } else if (year >= 1900) { double t = y - 1900; return -2.79 + (1.494119 + (-0.0598939 + (0.0061966 - 0.000197 * t) * t) * t) * t; } else if (year >= 1860) { double t = y - 1860; return 7.62 + (0.5737 + (-0.251754 + (0.01680668 + (-0.0004473624 + t / 233174) * t) * t) * t) * t; } else if (year >= 1800) { double t = y - 1800; return 13.72 + (-0.332447 + (0.0068612 + (0.0041116 + (-0.00037436 + (0.0000121272 + (-0.0000001699 + 0.000000000875 * t) * t) * t) * t) * t) * t) * t; } else if (year >= 1700) { double t = y - 1700; return 8.83 + (0.1603 + (-0.0059285 + (0.00013336 + t / 1174000) * t) * t) * t; } else if (year >= 1600) { double t = y - 1600; return 120 + (-0.9808 + (-0.01532 + t / 7129) * t) * t; } else if (year >= 500) { double t = (y - 1000) / 100; return 1574.2 + (-556.01 + (71.23472 + (0.319781 + (-0.8503463 + (-0.005050998 + 0.0083572073 * t) * t) * t) * t) * t) * t; } else if (year >= -500) { double t = y / 100; return 10583.6 + (-1014.41 + (33.78311 + (-5.952053 + (-0.1798452 + (0.022174192 + 0.0090316521 * t) * t) * t) * t) * t) * t; } else { double t = (y - 1820) / 100; return -20 + 32 * t * t; } } }