Исследования эталона времени и частоты на основе первичных стандартов

С этого времени астрономические определения утратили свою главенствующую роль в измерениях времени. Однако эти работы продолжают составлять неотъемлемую крупную часть комплекса работ Государственной службы времени и частоты, так как именно всемирное астрономическое время необходимо знать для решения ряда научных и практических задач.

Важным этапом в работе ГСВЧ стало использование для целей синхронизации удаленных эталонов сигналов спутниковых навигационных систем (КНС) ГЛОНАСС (СССР) и GPS (США). В 90-х годах по мере оснащения служб времени приемниками сигналов GPS начали проводиться регулярные сличения шкалы времени ГЭВЧ со шкалами времени национальных эталонов зарубежных стран, включая сличения с групповой шкалой времени UTC (МБМВ). Анализ погрешностей сличений разнесенных шкал времени с использованием сигналов космических навигационных систем GPS и ГЛОНАСС показал высокие возможности этих каналов для целей синхронизации эталонов.

Прогресс в работе Государственной службы времени за годы принятия ХIII Генеральной конференцией мер и весов в 1967 г. нового определения секунды, отражен в следующих данных:

1. 
   Воспроизводимость размера атомной секунды (и Герца) улучшилась в 1000 раз, погрешность сличения эталонов более чем в 10000 раз, неисключенная систематическая погрешность почти в 1000 раз.
   
2. 
   Погрешность передач эталонных сигналов частоты и времен уменьшилась более чем в 100 раз, телевизионные каналы передач эталонных сигналов частоты и времени в зоне прямой видимости стали обеспечивать сличения (СКО) с погрешностью менее 1 мкс, получил широкое распространение глобальный высокоточный канал космической навигационной системы ГЛОНАСС, обеспечивающий сличения разнесенных эталонов со случайной погрешностью ~(5-20) нс.
   
3. 
   Расхождение национальной шкалы времени UTC (SU) со шкалой UTC (МБМВ) уменьшилось более чем в 1000 раз и достигло 100 нс.
   

Впервые определение Международного атомного времени (TAI) было дано Консультативным комитетом по определению секунды – рабочим органом Международного комитета мер и весов в1970 году и гласило:

Шкала TAI не распространена в ежедневной жизни – это шкала времени для метрологов и ученых. Время для повседневных нужд (передаваемое многочисленными специализированными и массовыми средствами по радио, телевидению, телефону и др.) опирается на шкалу Всемирного координированного времени (UTC) в соответствии с Резолюцией 5 (1975) 15 Генеральной конференции по мерам и весам. Шкала времени UTC отличается от TAI на целое число секунд. Что касается гражданского времени – времени по которому живут и работают люди в пределах национальных территорий, то большинство стран вводит дополнительную разность по отношению к UTC (часовые пояса, «декретное», «летнее» и «зимнее время»).

Методы сличения удаленных часов, основанные на приеме и посылке электромагнитных сигналов, в техническом воплощении достаточно многолики, но и они могут быть разделены на две основные группы.

Во-первых, это методы, основанные только на приеме сигналов часов, которые являются третьими по отношению к паре сличаемых. При должной организации таких приемов, характеристики часов, обеспечивающих передачу, не являются особенно существенными, по крайней мере, для задачи сличения часов. Наиболее существенным элементом здесь является строгая синхронность приемов излучаемых сигналов. Каждые из сличаемых часов должны принять в месте своего расположения строго одно и тоже число одних и тех же секундных сигналов. Каждые из сличаемых часов измеряют разность «местные часы – принятый сигнал», а затем, зная константы распространения сигнала от третьих часов, определяют разность, «местные часы – третьи часы». Если теперь найти вторую разность, то показания третьих часов аннулируются, и останется только разность показаний разнесенных часов. Степень исключения влияния третьих часов, а значит, систематическая составляющая погрешности сличений, определяется, с одной стороны, синхронностью приемов каждым из партнеров, а с другой – корректностью учета эффектов распространения сигнала от третьих часов до каждого из партнеров, включая приемные тракты. Работа по такому принципу называется дифференциальными сличениями или common view в западной литературе, особенно применительно к сличениям через GPS или ГЛОНАСС.

С учетом перечисленных факторов, а также работу эталонного комплекса Словацкой Республики нами для выполнения экспериментальных исследований в качестве методики сличения шкал времени выбрана методика с опорой на глобальную навигационную систему GPS. Большинство национальных служб времени также работают по такой методике.

Для обеспечения работы аппаратуры внешних сличений в дифференциальном режиме «common view» разработано программное обеспечение. Программное обеспечение состоит из двух независимых частей. Одна часть программного обеспечения предназначена для мониторинга состояния приемного устройства (GPS приемник типа VP ONCORE, Motorola), другая для работы приемного устройства в качестве аппаратуры внешних сличений по разработанному расписанию с формированием файлов, установленного формата Международного бюро по мерам и весам. Расписания сличений разработаны на основе расписаний, рассылаемых Международным бюро по мерам и весам.

Детальные исследования по определению точностных характеристик канала сличений по материалам многолетних сличений показывают, что случайная погрешность для GPS составляет величину порядка 5 нс. Это позволяет осуществлять сличения шкал не только на интервалах больших 5 суток, но и на коротких интервалах сличений.

Результаты работы приведены в данных, приведенных в формате Международного бюро по мерам и весам, а также в графиках поведения государственного эталона времени и частоты. Так из графиков поведения эталонов видно, что шкала времени эталона Словацкого метрологического института имеет расхождение со шкалой времени КНС GPS 0,2021 нс в сутки(линия тренда на графике), а шкала времени эталона Республики Казахстан имеет расхождение со шкалой времени КНС GPS 0,294нс в сутки (линия тренда на графике). Взаимное расхождение шкал времени эталонов составляет 0,2021нс - 0,294нс = 0,09 нс в сутки (относительная разность частот на уровне ~ 9х10^-16). Это результат на уровне шкал времени ведущих лабораторий.

Вместе с тем на отдельных интервалах наблюдений (MJD ) можно видеть расхождение, равное величине ( 0,4314 нс – ( – 1,177 нс) =1,6084 нс в сутки, что также не выходит за пределы значений определяемые как довольно высокой стабильности хода часов:

Данные, полученные за отчетный период, указывают на высокие метрологические характеристики эталона на интервалах наблюдения. Представленные величины составляют результат из суммы двух физических процессов – нестабильности канала сличений, который превалирует для небольших времен усреднения и собственно нестабильности сличаемых шкал времени, которая доминирует на интервалах 30 и более дней. Расхождение шкал времени на интервалах наблюдений составляет единицы наносекунд, что позволяет с высокой достоверностью подтвердить метрологические характеристики государственного эталона времени и частоты и выработать ряд мероприятий по его совершенствованию.

Сравнение шкалы UTC (KZ), формируемой государственным первичным эталоном времени и частоты Республики Казахстан со шкалой эталона времени Словацкого метрологического института UTC (SMU) необходимо для подготовки таблиц калибровочных возможностей аккредитованной по международному стандарту ИСО/МЭК:17025 калибровочной лаборатории на базе эталона времени. Эталон времени Словацкого метрологического института обеспечивает вклад в формирование шкалы Международного атомного времени, что позволяет получать независимые оценки долговременных метрологических характеристик государственного первичного эталона времени и частоты Республики Казахстан.

Прорыв в точности измерений времени и развитие квантовых стандартов частоты обусловили многие изменения в фундаментальной метрологии и технологии.

Результаты НИР позволяют с высокой достоверностью подтвердить метрологические характеристики государственного эталона времени и частоты и выработать ряд мероприятий по его совершенствованию.

• 
  На современном уровне и с применением новых технологий временной информацией будут обеспечены:
  

• 
  «Электронное Правительство Республики Казахстан»
  
• 
  Министерство обороны Республики Казахстан
  
• 
  Министерство образования и науки
  
• 
  Министерство транспорта и коммуникаций
  
• 
  Министерство энергетики и минеральных ресурсов
  
• 
  Министерство по чрезвычайным ситуациям
  
• 
  Агентство по информатизации и связи
  
• 
  Агентство по управлению земельными ресурсами
  
• 
  АО «Казахтелеком»
  
• 
  НК «КАЗКОСМОС»
  
• 
  Казахстанско-Российский проект «Байтерек»
  
• 
  Космический комплекс «Байконур»
  
• 
  АО «Республиканский центр космических связей и мониторинга электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств»
  
• 
  КНС ГЛОНАСС
  
• 
  РГП «Центр астрофизических исследований»
  
• 
  Институт сейсмологии
  
• 
  РГП «Казаэронавигация»
  
• 
  Аэропорты и ж.д. вокзалы
  
• 
  И другие потенциальные потребители.
  

Вместе с тем необходимо отметить постоянный рост точностных характеристик в области измерений времени и частоты. Уже введен в эксплуатацию цезиевый стандарт нового поколения, так называемый «цезиевый стандарт фонтанного типа» NIST-F1 в лаборатории Национального института стандартов и технологий США. Подобные исследования и работы по внедрению проводятся в ряде других стран.

На диаграмме наглядно показана тенденция уменьшения неопределенности воспроизведения частоты на примере лаборатории Национального института стандартов и технологий США.