Как проверяют правильность показаний эталонных часов?

Этапы развития

Измерения времени основаны на процессах, период которых должен быть постоянен с большой точностью. С древних времен процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси. Секунда равнялась 1/86400 части солнечных суток. Определялось время суток по принципу наблюдения за каким-нибудь небесным объектом, его прохождения через плоскость меридиана того места, откуда велось наблюдение. Со временем оказалось, что под влиянием приливов и отливов, продолжительность земных суток была неравномерна и метод определения секунды был пересмотрен.

Следующим процессом определения секунды стал более равномерный цикл времени — тропический год. Тропическим годом считался промежуток времени от весеннего равноденствия до следующего весеннего равноденствия. Единица времени стала 1/31556925,9447 части этого промежутка времени, а точность увеличилась почти в 100 раз.

Благодаря этим исследованиям, были придуманы маятниковые часы, а позднее кварцевые часы. Со временем лучшие кварцевые часы превзошли точность природного эталона и появилась потребность в более точных методах.

В 60-е годы 20 века был создан квантовый генератор, а вслед за ним создали молекулярный хронометр и совершили переход к атомному способу вычисления эталонной единицы. Благодаря этому точность эталонной секунды стала очень высокой — погрешность стала не больше одной миллиардной доли процента. Позднее эту погрешность удалось сократить еще в 100 раз.

В 1967 году был реализован переход от астрономического времяисчисления к атомному. Единица времени получила новое определение, секунда — «интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133».

Самое точное время в России

Московское время больше гринвичского на 3 часа (UTC+3), но в России принято использовать систему МSK (московское время), в которой часовой пояс столицы страны принят за точку отсчета. Территория России расположилась в 11 часовых поясах. Так, самый западный часовой пояс, в котором расположился Калининград, соответствует МSK-1(UTC+2). В городах, расположенных в центральной и восточной части России, отличие от московского времени идет в большую сторону. 

Часовые пояса в России

Так, в Уфе и Лангепасе время соответствует МSK+2 (UTC+5), в Новосибирске — МSK+4 (UTC+7), в Хабаровске — МSK+7 (UTC+10) и пр. Поскольку Россия отказалась от перехода на летнее время, то разница во времени с другими странами, в которых переход до сих пор применяется, как, к примеру, в Украине, изменяется в зависимости от времени года.

УСЛУГИ NTP СЕРВЕРОВ

ФГУП ВНИИФТРИ предоставляет открытый доступ к серверам синхронизации шкалы времени по протоколу NTP. На данный момент работает группировка из 4-х серверов stratum 1, подключенных к государственному первичному эталону времени РФ , 4-х серверов stratum1, подключенных к вторичным эталонам и один сервер stratum 2 синхронизирующийся с основной группировкой серверов. Все сервера предоставляют доступ по протоколу NTPv4 IPv4 в соответствии с международным стандартом RFC-5905.
Протокол NTPv4 предоставляет точность синхронизации порядка десятков миллисекунд при взаимодействии через Интернет. Поддержка данного протокола реализована для большинства операционных систем:

• демон ntpd для Unix-подобных систем
• встроенные средства настройки даты и времени или W32tm.exe для операционных систем MS Windows

ОПИСАНИЕ ВЫПУСКАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ:

NTP использует для своей работы протокол UDP. Система NTP чрезвычайно устойчива к изменениям латентности среды передачи.
NTP использует алгоритм Марзулло (предложен Кейтом Марзулло (Keith Marzullo) из Университета Калифорнии, Сан-Диего), включая такую особенность, как учёт времени передачи. В версии 4 способен достигать точности 10 мс (1/100 с) при работе через Интернет, и до 0,2 мс (1/5000 с) и лучше внутри локальных сетей.
Время представляется в системе NTP 64-битным числом (8 байт), состоящим из 32-битного счётчика секунд и 32-битного счётчика долей секунды, позволяя передавать время в диапазоне 232 секунд, с теоретической точностью 2−32 секунды. Поскольку шкала времени в NTP повторяется каждые 232 секунды (136 лет), получатель должен хотя бы примерно знать текущее время (с точностью 50 лет).

• work Time Synchronization Research Project
• Wikipedia
• Синхронизация времени с помощью службы времени Windows из состава Windows XP

Виды эталонов

• Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
• Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.
• Эталон сравнения — эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
• Исходный эталон — эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчинённым эталонам и имеющимся средствам измерений.
• Рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
• Государственный первичный эталон — первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.
• Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Точность эталонных часов

Для эталонных часов разработали шкалу времени – AT. Однако и этому прибору свойственна некоторая погрешность. Поэтому используется Международное атомное время – TAI. Оно определяется при помощи сравнения показаний атомных часов, которые установлены в различных метрологических учреждениях по всему миру.

В общей сложности существует около 400 таких часов. Как раз при помощи сравнения их показателей и происходит проверка точности эталонных часов. В городе Севр (Франция) располагается Международное бюро мер и весов (МБМВ).

Его основали в 1875 в качестве учреждения, где хранятся эталоны единиц измерения, проводятся метрологические работы, исследования, а также обеспечивается существование единой системы измерений. Регулярно сравнивая показатели атомных часов с эталонными, специалисты бюро анализируют данные и вносят при необходимости коррективы в показания.

Миниатюрные атомные часы, представленные американской компанией Symmetricon в 2011

Также существует такое понятие, как всемирное координированное время – UTC. Именно по этому стандарту регулируют часы во всем мире. Он основывается на системе измерения TAI, но UTC считается более удобным в повседневной жизни. Периодически время UTC корректируется 1-2 раза в год (30 июня либо 31 декабря) путем прибавления одной секунды.

Интересный факт: координирование времени UTC происходит в соответствии со всемирным временем (UT), которое напрямую связано с вращением Земли вокруг своей оси. Так как наша планета постепенно начинает вращаться медленнее (из-за глобального потепления), то в будущем придется чаще вносить поправки в UTC.

Эталоном времени является Международное атомное время TAI. Эталонные часы хранятся в специальном Международном бюро мер и весов, которое расположено во Франции. Регулярно их показания сравнивают с несколькими сотнями других атомных часов на различных метрологических станциях. На основе полученных данных при необходимости вносятся поправки.

Что такое эталон времени?

Эталон времени – это научная единица измерения времени, которая воспроизводится первичным эталоном с максимально возможной точностью. Эталонная единица времени – секунда. Секунда и герц являются эталоном единицы времени и частоты.

Ученым пришлось преодолеть несколько сложностей, чтобы выделить наиболее точную постоянную единицу измерения. Первоначально время измеряли на основании вращения планеты вокруг оси. Однако выяснилось, что приливы, отливы могут влиять на продолжительность солнечных суток.

На следующем этапе для измерения начали использовать тропический год (от одного равноденствия до другого). Точность результатов повысилась – секунда соответствовала 1/31556925,9447 тропического года. Руководствуясь данными исследованиями, ученые изобрели маятниковые и кварцевые часы.

В дальнейшем возникла необходимость в новых способах измерения, поскольку кварцевые часы оказались точнее природного эталона. Так появился квантовый генератор, молекулярный хронометр, а для вычисления эталонной единицы в 1967 начали использовать атомный метод.

Атомные часы FOCS 1 (Швейцария)

Благодаря нему удалось максимально снизить погрешность вычисления эталонной секунды. С появлением данного метода секунда начала соответствовать 9 192 631 770 колебаний электромагнитного излучения, которое возникает в процессе перехода между 2-я уровнями сверхтонкой структуры атома цезия-133.

Интересный факт: в разных странах созданы национальные центры, занимающиеся исследованием стандартов измерений. В России это Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.

Атомные часы

Эталонные атомные часы определяют время при помощи колебаний, связанных с процессами на молекулярном и атомном уровнях. Суть их работы в том, что атомы при определенных условиях испускают электромагнитные волны одинаковой частоты. Атом цезия-133 избран в качестве общепринятого стандарта.

Устройству отводится серьезная роль в навигации, поскольку без него невозможно было бы установить местоположение транспортных средств, ракет, а также использовать спутниковую связь. Они состоят из дискриминатора, генератора и комплекса электроники.

Для их создания подходят лишь определенные атомы – те, что не зависят от внешних воздействий, таких как поля различного происхождения (например, магнитное). Подходящими являются атомы цезия, кальция, рубидия и др. Первичным стандартом является переход атома цезия. Остальные считаются вторичными и сравниваются с цезием – эталонным.

Эволюция приборов для измерения точного времени

Первобытные люди для измерения времени довольствовались восходами и закатами, не учитывая изменение продолжительности дня и ночи

Но уже древние египтяне обратили внимание на изменение длины тени от предметов по мере движения солнца днем и изменение видимой карты звездного неба ночью. Догадавшись разделить ночь на 12 равных временных отрезков, каждый из которых знаменовался появлением звезды, египтяне получили первые часы, а заодно и деление суток на 24 равные части

Также египтянам принадлежит авторство солнечных часов.

Солнечные часы

Две тысячи лет назад для измерения точного времени применялись еще песок и вода. Понятно, что такими приборами измерять время можно было с точностью до часа.

Песочные часы

Переломным моментом в истории часов стало изобретение механической конструкции 1400 лет назад. Основной частью такого механизма была катушка с цепочкой и грузом — груз тянул цепочку вниз, вращая катушки и передвигая стрелки.

Механические часы

Измерение времени с точностью до секунды стало возможным только в 1860 году, когда лондонский часовщик сделал механизм, отсчитывающий часы, минуты, секунды.

Поиски лучшего эталона времени

Для того чтобы улучшить эталон времени, надлежало прежде всего разобраться в причинах его «змеиного» поведения, т. е. причинах неравномерности вращения Земли. Одна из них заключается в том, что орбита Земли представляет собой не круг, а эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Вследствие этого Земля оказывается то ближе к Солнцу, то дальше от него и соответственно движется то быстрее, то медленнее. Поэтому только солнечные часы точно показывают солнечное время. Ни одни механические часы не в состоянии точно следовать за этими неравномерными изменениями.

Трудности, связанные с использованием в качестве эталона длительности истинных солнечных суток, астрономам были ясны. Поэтому некоторые из них этот вопрос тщательно изучали и выдвигали различные предложения об улучшении эталона времени. В конце концов астрономы решили, что лучше всего пользоваться средними солнечными сутками, или «средним Солнцем», При этом среднее Солнце условно представляется движущимся по небосводу совершенно равномерно в течение всего года.

Скорость движения Земли по ее эллиптической орбите описывается вторым законом Кеплера, и таким образом связь между средним и истинным солнечным временем может быть точно рассчитана.

Для того чтобы при астрономических вычислениях можно было в любой момент перейти от среднего к истинному солнечному времени, составляется уравнение времени, дающее величину добавки в минутах, которую нужно алгебраически сложить со средним солнечным временем, чтобы получить истинное.

Уравнение времени составляется в виде таблиц или графика (рис. 28), позволяющих легко производить нужный пересчет. В уравнении времени положительная поправка достигает наибольшей величины ( + 14,5 минуты) около середины февраля, отрицательная ( — 16,3 минуты) — около начала ноября. Четыре раза в год — 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря — поправка обращается в нуль, т. е. среднее солнечное время совпадает с истинным.

Рис. 28. График уравнения времени

Переход от секунды, основанной на часах «вращающаяся вокруг своей оси Земля», к секунде, привязанной к часам «Земля, вращающаяся вокруг Солнца», был соответствующим образом узаконен. В 1956 г. Международным Комитетом мер и весов была принята следующая резолюция: «В силу полномочий, полученных от десятой Генеральной конференции по мерам и весам в ее резолюции № 5, Международный комитет мер и весов… решает: секунда есть часть 1/31556925,9747 тропического года для 1900 г. января 0 в 12 часов эфемеридного времени».*

* ()

Напомним, что тропическим годом называют промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Указание на эфемеридное время говорит о том, что длительность года следует определять из наблюдений Луны и планет, так как такие измерения точнее определений моментов времени по Солнцу и звездам. Ссылка на определенную дату года, принятого за основу при определении эталонной секунды, учитывает непостоянство длительности тропического года.

Современные эталоны времени

Современный эталон единицы времени и частоты — сложный комплекс, в состав которого входят: цезиевые реперы частоты (генератора, дающего определенную частоту, воспроизводит размер секунды), водородные реперы частоты, водородные хранители частоты и шкал времени, цезиевый хранитель шкал времени, система формирования рабочей шкалы времени, радиооптический частотный мост, аппаратура измерения интервалов времени, аппаратура изменения частот, управляющая ЭВМ, приемно-регистрирующий комплекс системы внешних сличений, аппаратура сличения шкал времени через метеорные следы, аппаратура сличения шкал времени через навигационные станции, перевозимые квантовые часы, перевозимый лазер и система обеспечения эталона.

Благодаря водородному хранителю, эталонные часы стали настолько точными, что имеют погрешность всего одну секунду за 700 лет работы без остановки.

Сферы использования средств измерения времени и частоты:

• Навигация
• Оборона и безопасность
• Промышленность
• Космонавтика
• Транспорт
• Связь и коммуникации
• Приборостроение
• Энергетика
• Наука