Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.gao.spb.ru/russian/lg/at&f.html
Дата изменения: Mon May 21 17:42:36 2007
Дата индексирования: Mon Oct 1 20:13:39 2012
Кодировка: Windows-1251

Поисковые слова: вторая космическая скорость
AtomicTime
ЛАБОРАТОРИЯ     ГЕОДИНАМИКИ

Главная страница ГАО РАН Новости Структура Определение ПВЗ Сейсмология Инструменты База данных Публикации Любителям астрономии

Хранение времени и частоты

Зав.сектором Атомного времени и Частоты  -  В.А.Вытнов coper@gao.spb.ru

Задача службы точного времени состоит в определении, хранении и распространении точного времени. Вторая и третья задачи службы точного времени решаются научно-техническими средствами по созданию часов и соответствующих им по точности средств связи, без которых не может функционировать, например, РСДБ. Исторический аспект развития часов хорошо отражен в книге [ 1,   2 ]. Надо заметить, что в разные исторические периоды то средства определения времени, то средства хранения оказывались впереди по точности, оставаясь при этом близкими. К средине ХХ века эта точность составляла несколько миллисекунд времени как в области определения астрономического времени, так и в вариациях хода часов в течение нескольких суток. А затем наступил период, характеризуемый уже совсем другими точностями.

Маятниковые астрономические часы

Маятниковые часы Шорта В девятнадцатом столетии астрономы при наблюдениях звезд и планет применяли для отсчета времени различные маятниковые часы, которые имели большую вариацию хода. В период между наблюдениями хранимая ими шкала времени сильно искажалась.
С изобретением новых маятниковых часов Шорта точность хода часов повысилась, а также появилась возможность хранить шкалу времени на длительном интервале между наблюдениями. Эти часы состоят из двух маятников (см рис). Один из них, называется свободным. Он заключен в барокамеру и помещается в часовом подвале или в изотермическом помещении. Второй маятник называется вторичным или рабочим. Он расположен в футляре из дерева со стеклянной передней дверцей, может быть подвешен там, где это удобно для работы с часами, оба маятника инварные и компенсированы от изменения температуры. Импульсная подкачка энергии маятнику через механическую систему и электромагнит осуществляется от батареи постоянного тока. Погрешность хода часов не превышает 0.05 секунды в сутки.
Морские хронометры применяются также для хранения времени и определения показания времени при выполнении астрономических наблюдений планет, используются как переносные часы. Погрешность хода хронометров 0,1 секунды в сутки.

Кварцевые часы и их структурная схема.

Структурная схема кварцевых часов
Кварцевые часы основаны на кварцевом резонаторе (на кристалле кварца специальной обработки). Кварцевые резонаторы могут быть разных типов и добротности, на частотах 60, 100, 1000, 5000 килогерц. Чем выше добротность кварца тем стабильнее воспроизводимая им частота на длительном интервале времени. Частота кварцевого генератора делится электронной схемой до одного герца (секунды), нестабильность которой составляет 0,0001 секунды в сутки. Кварцевые часы не могут использоваться в качестве эталонного хранителя, так как кристалл кварца имеет старение.

Атомные стандарты частоты и времени (Атомные часы).

цезиевый стандарт частоты Применение в измерительной технике атомных (квантово-механических) процессов позволило создать атомные стандарты времени и частоты с высокими метрологическими характеристиками. Их применение позволяет хранить размеры единиц времени и частоты с высокой точностью. Во второй половине 20 века в основном приняты к эксплуатации три конструкции: это цезиевый стандарт, водородный и рубидиевый (см. рис.).

рубидиевый стандарт частоты

водородный стандарт частоты Основываясь на высокой стабильности воспроизведения размера единиц времени и частоты цезиевыми атомными стандартами, Международный комитет мер и весов в 1964 году принял решение о введении нового физического эталона времени, выбрав в качестве такового атомно-лучевые цезиевые часы, и принял новое определение секунды, которая равна 9 192 631 770 периодам излучения между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия- 133. Однако цезиевый стандарт не удовлетворяет современным требованиям по стабильности на коротких интервалах времени, что является недостатком в изучении кратковременных процессов, особенно это сказывается в системах РСДБ.

Служба времени и частоты.

Задача службы точного времени, как уже отмечалось выше, состоит в определении, хранении и распространении точного времени. Современная служба времени с помощью атомных стандартов времени и частоты хранит размер единиц времени и частоты с высокой точностью, а распространение точного времени производится разными средствами, такими, как радио, телевидение и возимые часы. Следует отметить, что большинство потребителей предъявляют высокие требования к точности воспроизведения размера единиц времени и частоты.
Служба времени удовлетворяет самые высокие требования и обеспечивает разрешение многих научных задач, выдвигаемых астрономией, радиоастрономией, геодезией, геофизикой, геологией, космической навигацией, а также транспортом и связью. Служба времени имеет большое значение в определении скорости распространения радиоволн и ее вариаций во времени.

Организация и состав аппаратуры.

Состав аппаратуры ведомственных служб времени в основном зависит от необходимой потребности в высокой стабильности, в воспроизведении размера единиц времени и частоты. Например, для лазерных наблюдений (ЛЛС и ЛЛЛ) и РСДБ точность нужна очень высокая. Для обеспечения этих работ необходим рабочий эталон атомного времени и частоты способный воспроизводить размер единиц с заданной точностью. Рабочий эталон это комплекс средств измерений, состоящий из группы квантовых мер частоты и времени, атомных часов, аппаратуры внутренних и внешних сличений, и средств обеспечения. Среднее отклонение результатов воспроизведения и хранения единиц эталоном не должны превышать десяти наносекунд, а пределы допустимого расхождения шкалы времени, хранимой рабочим эталоном от шкалы Государственного эталона не должны превышать трех микросекунд .

Техническое оснащение службы времени ГАО РАН.

Служба времени ГАО оснащена следующими приборами и инструментами: астрономическим пассажным инструментом , с фотоэлектрическим микрометром для регистрации звезд на ЭВМ, эталоном атомного времени и частоты.
Эталон состоит из следующих приборов: водородных стандартов частоты и времени, рубидиевых стандартов, цезиевого стандарта, системы энергопитания, аппаратуры сличения контроля и управления.

Методика синхронизации шкал времени эталонов.

Хранители времени и эталонные часы, находящиеся в разных пунктах, разделенных порою тысячами километров, приходится сличать разными способами:
  • транспортирование часов,
  • использование наземных радиосредств, и искусственных спутников Земли.
Ниже изложены их достоинства и недостатки. Более детально эти вопросы освещены в [ 4].

Сличение по телевизионному вещанию.

Через систему телевизионного вещания, ведутся передачи эталонных сигналов, обеспечивающих совместную передачу размеров единиц частоты и времени (ЭСЧВ - эталонные сигналы частоты и времени), меток шкалы и информации о текущих значениях времени (ТЗВ), передаваемые по наземным и спутниковым каналам телевидения, содержат эталонные сигналы частоты (ЭСЧ), эталонные сигналы времени (ЭСВ) и кодовые сигналы ТЗВ.
Эти сигналы передаются в шестой строке каждого нечетного поля. Размах ЭСЧВ составляет 0,35 ± 0,05 от размаха полного видеосигнала. ЭСЧВ - эталонные сигналы частоты и времени Шестая строка разделена на три интервала, и в каждом интервале передается свой вид сигналов. Для передачи ЭСЧ предназначен интервал длительностью 15 микросекунд. ЭСЧ передаются в виде пакетов, состоящих из 15 периодов колебаний с частотой один мегагерц, фаза которой в пакете всегда начинается с положительного периода волны. Для передачи ЭСВ предназначен второй интервал строки длительностью 12 микросекунд. Информацию о шкале времени несет характерная точка, соответствующая середине положительного фронта ЭСВ. Частота повторения ЭСВ 1 Гц имеет положительную форму, длительностью 0,2 микросекунды. Характерная точка ЭСВ совмещена с метками шкалы UTC(SU) с погрешностью не более одной микросекунды, а срез первого синхронизирующего импульса нечетного поля ТВ сигналов, излучаемых по первой программе антенной радиотелевизионной передающей станции в Москве при передаче изображения циферблата стрелочных часов или показаний цифровых часов, опережает метка шкалы UTC(SU) на (327,5 ± 1,0мкс.). ЭСВ попадают во второй интервал шестой строки и течение 30-50% от середины второго интервала смещено относительно характерной точки ЭСВ не более чем на ± 5мкс. Эти сигналы принимаются с помощью специального устройства, блока телевизионной привязки шкал времени (БПВ). Принимая сигнал ЭСВ необходимо учитывать задержку сигнала на трассе, она определяется перевозимыми часами.

Спутниковые навигационные системы и их применение для сличения шкал времени.

В современной навигации определение точного времени и частоты представляют важную роль, которая постоянно возрастает в связи с повышением требований к надежности и точности навигационных средств. Применение искусственных спутников Земли в навигационных системах дает возможность производить надежные и точные навигационные измерения и в тоже время передавать сигналы точного времени. Существуют две навигационные системы - GPS (США)[ 5] и ГЛОНАСС (РОССИЯ). Коротко опишем параметры обоих систем.

Навигационная система GPS.

Навигационная система GPS Система состоит из трех основных сегментов: космический сегмент включает в себя 24 (21 активный и 3 резервных) орбитальных спутника расположенных на высоте чуть больше 19000 км с периодом обращения 12 часов. Эта система принадлежит министерству обороны США и называется NAWSTAR. Всего в системе существует шесть орбитальных плоскостей расположенных под углом около 55 градусов к полярной точке, на каждой плоскости находится четыре спутника. Все это позволяет получать данные как минимум по пяти спутникам в каждой точке земного шара. Каждый спутник передает сигналы на двух несущих частотах в дециметровом диапазоне волн. Сигналы на первой частоте F1 (1575,42 МГц.), включают информацию о местоположении и коде SPS, а сигналы на второй частоте F2 (1227,60 МГц) используются для измерения ионосферной задержки. В качестве метода модуляции применяется так называемая технология SST (Spread Spectrum Transmission) основанная на использовании широкополосных сигналов. Модуляция сигналов на частотах F1 и F2 осуществляется при помощи трех различных бинарных кодов. С/А - код (код стандартного определения местоположения) модулирует фазу несущей F1, размазывая спектр в полосе частоты один мегагерц. Он представляет собой повторяющейся с периодом один мегагерц PRN код. Каждому спутнику соответствует собственный С/А код. Код, модулирующий фазу несущей F1 (является основой гражданского стандарта) SPS. Р-код (точного определения местоположения) модулирует фазы обоих несущих F1 и F2. Он представляет собой длительный PKN-с периодом десять мегагерц. Каждому спутнику выделяется индивидуальный интервал семь дней Р-кода, причем начальное состояние таких кодов меняется каждую неделю для обеспечения защиты от несанкционированного доступа. Третий код-(навигационное сообщение) также модулирует фазу несущей F1 при помощи кода С/А. Это код с периодом пятьдесят герц передаваемый в виде шестисекундных кадров, каждый из которых состоит из пяти 300 битных субкадров. GPS представляет собой самый совершенный навигационный инструмент, с помощью которого можно легко, точно и быстро определить свое местоположение, естественно, если имеется специальное приемное устройство. Современная разовая точность определения координат места составляет около 6 метров для горизонтальных и 12 метров для вертикальных измерений и дает ошибку в измерении времени не более ста наносекунд.

Российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.

Принцип работы системы ГЛОНАСС ГЛОНАСС дает возможность пользователю определять координаты местоположения, скорость, проходящих в системе ГЛОНАСС. Важную роль играет также бортовая ЭВМ которая запоминает и обрабатывает принимаемую с наземных пунктов управления информацию и обеспечивает выполнение программы работы специальных бортовых систем. В передаваемом с борта сигнале содержится информация о положении всех других спутников на орбите. Эта информация включает в себя начальные условные ИСЗ, что позволяет пользователю с помощью навигационной аппаратуры выбирать оптимальные созвездия спутников для точного определения своего местоположения. Управление спутниками осуществляется с наземного комплекса. В него входит центр управления, который контролирует правильность движения и точное время.
Орбитальная группировка системы ГЛОНАСС В системе принято разделение каналов. Каждый спутник в диапазоне 1600 МГц излучает навигационный радиосигнал на своей несущей частоте, отличный от других спутников. Навигационные данные могут выводиться на табло в виде числовых значений координат, скорости и времени, а также отображаться на электронных картах в графическом изображении маршрута движения. Системы координат могут выбираться пользователем в зависимости от потребностей. В состав системы ГЛОНАСС входит орбитальная группировка из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте 19100 км. Спутники расположены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных на 120 градусов.
В каждой плоскости находится восемь спутников, которые удалены друг от друга на 45 градусов по широте. Период обращения каждого спутника вокруг Земли   -   11 часов 15 минут. Такое построение орбитальной группировки позволяет создать оптимальные условия для непрерывного и глобального обеспечения всей поверхности Земли радионавигационными сигналами. Это дает возможность пользователю со среднеквадратической ошибкой около 20 метров устанавливать свои координаты и с погрешностью не хуже чем 15 см/с определять скорость. Для этого на каждом спутнике имеется навигационный комплекс, который формирует навигационное сообщение и излучает его на Землю со скоростью 50 бит/с. Излучаемый радионавигационный сигнал содержит эфемериды спутника (данные о его местоположении на орбите на каждый момент времени), служебные данные, информацию об исправности бортового комплекса. На борту спутников установлены атомные стандарты частоты с относительной нестабильностью 5 . 10-13. Они служат основным источником для создания бортовой шкалы времени и обеспечивают синхронизацию всех процессов функционирования орбитальной группировки, измеряет параметры орбит ИСЗ передает на спутники программу работ и специальную информацию. Передача информации на наземный комплекс управления и передача навигационной информации пользователям производится по разным радиоканалам. Для того чтобы все процессы в такой сложной системе происходили в одной шкале времени в состав аппаратуры центра управления включен центральный синхронизатор. Его основой является высокостабильный водородный генератор частоты, обеспечивающий более высокую нестабильность 5 . 10-14 чем генератор, который установлен на спутнике. Таким образом бортовые шкалы времени системы ГЛОНАСС синхронизируются с центральным синхронизатором, через него с государственным эталоном времени и частоты.

Сравнение частот и шкал времени эталонов

Качество часов характеризуется размерностью хода часов и его постоянством. Колебания хода часов разных конструкций имеют следующие погрешности; Маятниковые астрономические часы Шортта ± 0,002 секунды, кварцевые часы ± 0,0002 сек., хронометры ± 0,3 секунды. Среднеквадратическая погрешность атомных часов определяется их системой. Например, рубидиевые имеют погрешность ± 2 . 10-12, цезиевые ± 5 . 10-13, водородные стандарты частоты и времени ± 1 . 10-14. Из вышеприведенных результатов очевидно, что чем хуже погрешность часов, тем чаще придется сличать их с точными часами или с государственным эталоном по каналам связи разных назначений.

Методика построения и хранения шкалы времени.

Основной задачей ведения Эталона времени и частоты является хранение размеров единиц времени и частоты и ведение шкалы координированного времени UTC, максимально приближенной к единицам и шкале координированного времени государственного Эталона UTC(SU). Независимая атомная шкала используется для определения долговременных метрологических характеристик отдельных водородных стандартов и группы хранителей Эталона, а также для построения групповой шкалы времени.
Шкала атомного времени Эталона воспроизводится групповым хранителем, из которых выбирается ведущий. Для вычисления шкалы используются результаты взаимных сличений частоты и шкал времени хранителей Эталона - внутренние сличения. Ведущий хранитель сличается с государственным эталоном по каналам связи. Из результатов получаем прогнозы изменения частоты ведущего хранителя Эталона.
В дальнейшем применение данных прогноза производится только по результатам текущих сличений шкал времени хранителей друг с другом. При практической работе ведение атомной шкалы Эталона сводится к определению поправок по времени на ведущий водородный хранитель. Таковы общие положения.

Прием эталонных сигналов времени

Как известно, сигналы времени передаются через сеть звукового вещания, а также специальные радиостанции и навигационные системы, их технические данные изложены выше.
Приведем блок-схему приема сигналов времени по телевидению.
Блок-схема приема эталонных сигналов времени
1   -   Телевизионный приемник.
2   -   Блок выделения секундного импульса.
3   -   Частотомер.
4   -   Водородный стандарт частоты и времени.
5   -   Цифропечатающая машина.

Телевизионный сигнал, принятый приемником поступает в блок выбора параметров шестой строки, в которой содержится информация о времени и частоте. Этот блок позволяет выделить секунду, 50 герц кадровой развертки и один мегагерц стабильной частоты. Сигналы синхронизированы с ГСВЧ. В приведенной блок-схеме выделен один герц, который подается на стоп частотомера, работающего в режиме измерения интервалов времени. На старт частотомера идет сигнал герц (секунда) от водородных стандартов частоты и времени. Сличения проводились каждые сутки с 1.01 по 11.01 2001 года, за этот период времени получено 11 разностных отсчетов.

Вариация секундных сигналов принятых по тв.












Из приведенных значений построен график в соответствии с формулой, Тп = Тм - Т. Выше изложенном способом сигналы времени принимались с целью контроля передаваемых сигналов времени телевидением. Если имеется необходимость привязки местных часов к сигналам телевидения то их момент определяется по следующей формуле; Т пр = Т р - r - t з.   T р. - показания местных часов в момент поступления сигнала времени на регистрирующею аппаратуру.; r - длительность прохождения сигнала от передатчика до приемника. tз - время задержки сигнала в приемном тракте.

Прием сигналов времени системы ГЛОНАСС

Для приема сигналов системы используется специальная аппаратура, содержащая ряд приборов специального назначения. В составе ее содержатся следующие приборы: 1 - аненное устройство, 2 - СВЧ приемник, 3 - ЭВМ, 4 - индикаторное устройство отображения результатов приема, 5 - панель управления, частотомер и часы. Аппаратура для приема сигналов.

Методика приема сигналов

Порядок приема следующий; с помощью панели управления вводим в ЭВМ время начала работы, день, месяц и год, а также координаты места приема ( широту, долготу и высоту над уровнем моря.). Далее при помощи панели управления определяем наличие спутника в зоне приема и вводим в ЭВМ временной режим и номер спутника. После введения всех данных, приемное устройство начнет выдавать временной код и секундный сигнал, который согласно приведенной блок-схемы поступает на стоп частотомера. На запуск идет сигнал от местных часов. Таким образом имеем разность показаний сигналов на частотомере и на индикаторе приемника. Измерения с помощью частотомера выполняются в режиме интервалов времени.
Пример: 017021,43 микросекунды на индикаторе приемника и 017020,33 на частотомере из принятых значений имеем разность между сигналами местных часов и ГЛОНАСС. 017021,43-017020,33 =1,10 мкс.

Сличения часов эталона между собой и фазовый прием сигналов радиостанции РНС-Е

Передача сигналов времени и образцовых частот станции РНС-Е (Европейская цепочка) и РНС-В (Восточная цепочка) производится непрерывно за исключением профилактики. Радионавигационные сигналы этих станций привязаны ко времени и передаются на образцовой несущей частоте 100 килогерц. В состав цепочек входит одна ведущая станция (А) и несколько ведомых (Б,В,Г,Д). Радионавигационные сигналы передаются всеми станциями цепочки в виде пачек импульсов на одной и той же частоте. Первой передается пачка импульсов ведущей станции, а пачки ведомых станций смещены относительно нее на постоянную величину задержки. Пачка импульсов ведущей станции состоит из девяти, а ведомых из восьми импульсов. Информацию о времени несет восьмой импульс пачки. К нулю шкалы времени привязано начало четвертого периода частоты заполнения восьмого импульса пачки ведущей станции.

Схема расположения импульсов в пачке. Методика приема сигналов. Ведущими часами в блок-схеме представлены водородные стандарты частоты ВС-2.Сличение производится в следующей последовательности. Секундные сигналы с разных часов и приемника РНС-Е поступают на коммутатор, в котором заложены временные интервалы поочередного поступления сигналов от разных хранителей на измеритель интервалов времени (частотомер), а далее на ЦПМ. Запуск частотомера осуществляется ведущими часами. На стоп поступают сличаемые часы или сигналы радиостанции РНС-Е. Сличения сигна-лов происходит автоматически, два раза в сутки в 9 часов 53 минуты и 21 час 53 минуты всемирного времени, а сигналов РНС-Е через каждые 30 минут - круглосуточно. Информация сличений снимается с ленты ЦПМ и обрабатывается оператором. На графиках представлены результаты сличений. Методика приема сигналов.
График взаимных сличений часов по секундным сигналам содержит информацию измерений за 11 суток, на котором представлена взаимная суточная вариация хода водородных стандартов частоты и времени.
Сигналы времени радионавигационной станции РНС-Е (а) так же принимались каждые сутки с 1 по 11 января 2001 года. Из полученных значений построен график вариации сигналов относительно ведущих часов эталона.

ЛИТЕРАТУРА.

  1. В.Н. Пипуныров, "История часов", М., Наука, 1982.
  2. В.С.Флигельман, И.Ю.Рогинский, "Часовые механизмы", Л., 1947.
  3. Эталонные сигналы частоты и времени. Бюллетень "В" ИМВП ГП ВНИИФТРИ
  4. Время и частота, Мир, 1973.
  5. К.Одуан, Б.Гино, Измерение времени. Основы GPS., Москва:Техносфера, 2002.

Главная страница ГАО РАН Новости Структура Определение ПВЗ Сейсмология Инструменты База данных Публикации Любителям астрономии