Шкалы времени (ОП СРНС, лекция) — различия между версиями

Текущая версия на 17:39, 4 октября 2013

[править] Шкала времени как временная система координат

На прошлом занятии рассматривались пространственные системы координат. На времени тоже можно ввести систему координат, но уже, соответственно, временную. Отсюда шкала времени - система, сопоставляющая каждому моменту времени число (строго говоря, следуя за Эйнштейном, лишь в данной пространственной системе координат).

[править] Событие, эпоха, интервал

Одни из основных понятий, используемых при работе со шкалами времени - это событие, эпоха и интервал.

Событие — факт изменения состояния мира. Нечто различается до и после события. Наличие событий и формирует время - последовательность событий.

Эпоха - аналог пространственных координат, определяет момент события в рассматриваемой шкале.

Интервал - расстояние между двумя эпохами; время, протекшее между двумя эпохами, измеренное в единицах соответствующей шкалы времени.

[править] Абсолютное время и реальные часы

Существует множество различных пространственных систем координат, аналогично - существует множество шкал времени, отличающихся началом отсчета, единицами измерений, непрерывностью и т.д.

Начиная с Ньютона, часто используется абстракция некоторого абсолютного времени - той или иной шкалы времени, эпохи которой используются как параметр в тех или иных физических законах - кинематики, электродинамики, квантовой механики и т.д.

Часы, идеально реализующие абсолютную шкалу времени, никто ещё не изобрел, но потребность в ней огромна, т.к. именно ею оперируют математические модели наших законов. Различные шкалы времени, с одной стороны, пытаются приблизиться к ней в той или иной степени, а с другой - быть удобными для использования с определенным кругом моделей. Так, для повседневной жизни удобно пользоваться настенным календарем, определяемым сменой дня и ночи, а для проведения научных экспериментов на адронном коллайдере - атомным стандартом.

[править] Истинное солнечное время

Системы астрономического времени появились исторически первыми и основаны на суточном вращении Земли.

График уравнения времени (разница истинного и среднего солнечного времени) и его составляющие

Истинное местное солнечное время определяется реальным углом видимости Солнца из центра Земли в проекции на линии меридиан. Полдень определяется по прохождению Солнца в наивысшей точке. Истинное местное солнечное время - это то время, которое показывают солнечные часы. Возвращаясь к абстракции событий, в данной шкале времени событие 'Солнце в зените' определяет середину дня, а факт нахождения Солнца под определенным углом - соответствующий час, минуту и секунду.

[править] Среднее солнечное время

Движение Солнца по небосводу определяется набором вращений (Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца). Истинное местное солнечное время течет относительно абсолютного неравномерно - длительность суток варьируется на несколько десяток минут в зависимости от времени года. Связано это с:

• эллиптичностью земной орбиты (Земля движется быстрее в области перигелия и медленнее в области афелия)
• наклоном земной оси относительно плоскости эклиптики (в различное время года между ними различный угол, взаимные скорости вращения компенсируются различно).

Среднее местное солнечное время (LST, local mean solar time) — условное равномерно текущее время, совпадающее с солнечным в среднем.

Разница между средним и истинным солнечным временем называется уравнением времени.

Гринвичское среднее время (GMT) — это среднее солнечное время на начальном меридиане. Долгие годы эта шкала времени лежала в основе показаний часов по всему миру.

[править] Современные аппроксимации среднего солнечного времени

Изначально расчетом GMT занималась непосредственно обсерватория в Гринвиче, затем эту функцию расширили на ряд других обсерваторий. Но всё равно точный расчёт среднего солнечного времени непосредственно по наблюдениям за Солнцем - трудновыполнимая задача. Поэтому появился ряд шкал времени, называемых всемирным временем (UT) и аппроксимирующих GMT.

Всемирное время вычисляется по наблюдениям внегалактических источников радиоизлучения, и затем пересчитывается в несколько форм, например:

• UT0 - наблюдаемое время гринвичского меридиана для мгновенного положения земных полюсов,
• UT1 - UT0, скорректированное с учётом движения полюсов Земли,

Шкала всемирного времени UT1 является неравномерной относительно абсолютного времени. Секунды в ней могут быть как более длительными, так и менее длительными секунд системы СИ.

Требуется переработка текста В разделе про абсолютное время рассказать про атомное, тут уже ввести UTC на основе TAI.

C 1964 года ввели равномерно-переменную шкалу времени UTC — всемирного координированного времени, связывающую шкалу UT1 и шкалу строго равномерного Международного атомного времени TAI.

Международное атомное время TAI было введено в июле 1955 г. в качестве основного временного стандарта. С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это число было выбрано для того, чтобы приблизить величину фундаментальной единицы времени в Международной системе научных единиц СИ к средней секунде астрономических систем времени.

Время TAI вычисляется из группы атомных часов более чем 50 лабораторий научных центров разных стран. Это делает Международное бюро мер и весов (BIH), базирующееся в Севре, вблизи Парижа, для чего использует различные методы сравнения часов. Шкала времени TAI была совмещена со шкалой UT1 1 января 1958 г.

Долговременная нестабильность атомных часов (где  — отклонение частоты  часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10⁻¹⁴—10⁻¹⁵, а в специальных конструкциях достигает 10^−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.

Масштабы UTC и TAI равны, а смещение меняется скачком. Между UTC и UT1 накапливается расхождение, обусловленное, во-первых, неравномерностью шкалы UT1, а во-вторых, неравенством масштабов UT1 и TAI (1 атомная секунда не равна в точности 1 секунде UT1). При нарастании расхождения между UTC и UT1 до 0,9 с производится корректировка скачком на 1 с.

Дополнительная секунда, называемая «секунда координации» или «високосная секунда», добавляется 30 июня или 31 декабря при необходимости. Теоретически, может потребоваться и вычитание секунды, но пока, начиная с первого изменения 30 июня 1972 — все изменения были положительны, с добавлением секунды после секунды 23:59:59. Добавленная секунда обозначается 23:59:60. Добавление секунды определяется International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), согласно их наблюдению за вращением Земли.

Сигналы точного времени передаются по радио, телевидению и через Интернет в системе UTC.

Разница между всемирным временем и всемирным координированным временем DUT1=UT1-UTC постоянно отслеживается и еженедельно публикуется на сайте IERS в Бюллетене А (Bulletin - A).

Местное среднее солнечное время зависит от долготы места, что неудобно в повседневном использовании. Выход из ситуации - использование поясного времени. Земной шар размечен на 24 часовых пояса, в пределах которых время считается одним и тем же, а с переходом в соседний часовой пояс меняется ровно на 1 час.

Декретное время — поясное время плюс один час. В 1930 году по декрету правительства на всей территории СССР время было переведено на 1 час вперед, таким образом, Москва, формально находясь во втором часовом поясе имело время, отличающееся от Гринвича на +3 часа. В течение многих лет это время являлось основным гражданским временем в СССР и России. Применялось с 16 июня 1930 года до 31 марта 1991 года в СССР, с 19 января 1992 года до 27 марта 2011 года в РФ, в настоящее время применяется в ряде стран СНГ.

Так исторически сложилось, что московское декретное время используется при расчете положения спутников на орбите по альманаху системы ГЛОНАСС, в котором время прохождения спутником восходящего узла задано именно в этой шкале.

Летнее время — сезонный перевод стрелок +1 час в последнее воскресенье марта и возврат в последнее воскресенье октября (с лета 2011 года установлено постоянным в России).

[править] Системы динамического времени

[править] Системная шкала времени, бортовая шкала времени

Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС функционируют в собственном системном времени. Все процессы измерений фиксируются в этой шкале времени. Необходимо, чтобы шкалы времени используемых спутников были согласованы между собой. Это достигается независимой привязкой каждой из шкал спутников к системному времени. Системная шкала времени есть шкала атомного времени. Она задаётся сектором управления и контроля, где поддерживается с точностью более высокой, чем бортовые шкалы спутников.

Системное время GPS (TGPS) — это Всемирное координированное время (UTC), отнесённое к началу 1980 года. Поправки TGPS к UTC регистрируются с высокой точностью и передаются в виде постоянной величины в навигационном сообщении, а также публикуются в специальных бюллетенях.

Системное время ГЛОНАСС также периодически подстраивается под Всемирное координированное время (используется Московское дискретное время на основе UTC(SU)).

В бортовую шкалу времени каждого из спутников вводится пересчётный коэффициент, зависящий от высоты орбиты и учитывающий релятивистские эффекты: движение спутника относительно наземных часов; разность гравитационных потенциалов на орбите и на поверхности Земли. Для системы ГЛОНАСС релятивистская поправка составляет 37,7 мкс в сутки.

[править] Шкала времени приемника

[править] Опорный генератор, его характеристики и накладываемые им ограничения

[править] НАП, как источник точного времени

[править] Точность, обеспечиваемая современными приемниками

[править] Сервер точного времени

[править] Ссылки

1. ↑ Поставлен новый рекорд точности атомных часов (5 февраля 2010). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 4 марта 2011.

[править] Практика первого года

Занятие начал с простой задачи: определить модуль вектора скорости своего тела в ECEF, ECI, ENU. Решалась коллективным разумом. Ответ - около 0, 1000 км/ч, 0.

Понятие события. Время как последовательность, счетчик событий. Эпоха и интервал (забыл в этом году).

Понятие абсолютного времени Ньютона, как параметр физических моделей. О его относительности.

Идеальные абсолютные часы нам не создать, но как и всегда, есть эталон. Сейчас в качестве эталона времени системе СИ выступает атом цезия. Рассказ про устройство атомных стандартов.

Атомное время TAI (Temps Atomique International), его график время-время (т.к. абсолютное время относительно, то возможно множество параллельных переносов). У него есть свойство равномерности и непрерывности. Но оно не привязано к физическим явлениям, не синхронизируется с календарем. А человек живет от рассвета до заката.

Астрономические шкалы времени возникли раньше, именно они и ввели понятие секунды, переопределенное на современный манер. В астрономических системах солнце и прочие светила, их положение относительно Земли, и являются событиями, определяющими время.

Истинное солнечное время ST. Полдень, когда Солнце в зените. Понятная шкала времени привязанная к повседневной жизни, но вот только неравномерная. Весной и зимой сутки имеют разную длительность. График время-время для истинного солнечного времени. Объяснение причин неравномерности. Масштабы проблемы.

Разумный выход - провести среднюю линию в масштабах года. Получает среднее солнечное время LST. Разница - уравнение времени.

Истинное и среднее солнечное время своё на каждой долготе. GMT - это LST на нулевом меридиане.

Всё замечательно, этим временем и пользовались долгие годы, вот только точности измерений времени по Солнцу (кстати вопрос - а какая была точность?) уже не доставало. Более точно можно измерить ориентацию относительно квазаров, звезд и т.д., а затем ручками, на основании моделей, пересчитать в GMT. Так появляются UT0 (без учета движения полюсов) и UT1 (с учетом движения полюсов). Полноценное уже всемирное время, не привязано к измерениям именно в Британии.

Но эти шкалы времени все равно неравномерны по сравнению с TAI. Выход - совместить TAI и UT1. К TAI прибавлять целое число секунд, пока не получим разницу по модулю меньше 1 с. Так получается UTC. График время-время. Leap seconds. График расхождения UTC и UT1. Полученная шкала относительно равномерна, но не обладает свойством непрерывности.

Есть разновидности UTC, основанные на национальных стандартах частоты, которые хоть и привязаны TAI, но, естественно, неидеально. Отсюда UTC(SU), UTC(USNO), UTC(NIST), UTC(ESTEC).

Но это всё шкалы времени, привязанные к зениту Солнца над Гринвичем. А пользоваться часами нам нужно по всему земному шару. Вводить в каждом городе своё время - тоже не выход. Отсюда идея часовых поясов.

Декретное время. Причина дополнительного сдвига поясов в России на +1.

Летнее время, ещё сдвиг на +1, итого Москва от UTC и GMT отличается на +4.

Системная, бортовая и шкала времени приемника. Разные стандарты частоты в основе.

Системные шкалы времени привязаны к UTC соответствующей страны (уточнить точность, проставить ссылки). У нас - ВНИИФТРИ, у них - ?.

Системная шкала ГЛОНАСС - московское дискретное время на основании UTC(SU). Минусы - она не обладает свойством непрерывности, что очень неудобно при проведении расчетом.

Системная шкала в NAVSTAR GPS - GPS Time. Привязана к UTC 5 января 1980 года, с тех пор leap seconds они не учитывают. Основные единицы измерения - GPS Week, TimeOfWeek. Шкала непрерывная. Аналогичные используются в Galileo и COMPASS. Упрощается устройство аппаратуры, а необходимые поправки вносятся при выдаче пользователю.

Хранитель СШВ - подсистема контроля и управления. На спутниках используется атомный стандарт, но он всё равно уходит. Одна из функций подсистемы контроля и управления - оценивать этот уход и закладывать поправки в навигационное сообщение. Важный момент - шкала борта не дергается, просто закладываются поправки в сообщение.

Тут нужно (в этом году забыл) рассказать о релятивистских эффектах. О специальном смещении бортовой шкалы времени в СК, связанной со спутником.

У потребителя, как правило, дешевый кварцевый осциллятор. В основном встречаются двух типов - TCXO и OCXO. Приемник может иметь разную степень синхронизации с СШВ. Если он не принимает сигналы спутников, то точность его часов определяется уходом от прошлого сеанса связи. Если он видит несколько сигналов, но не решается, то по информации, заложенной в сигнал, может определиться с точностью в несколько мс (каждый сигнал - шкала времени одного борта). Если полноценно решается, то определяет не только координаты, но и точную поправку к своим часам. В итоге точность - порядка десятков наносекунд.

Диаграмма обмена с хостом: pps, TX, RX. Сообщения NMEA.

На последок, наглядная демонстрация того, как расходятся шкалы времени двух радиоприборов с собственными ОГ. Генератор и FSV в режиме анализатор сигналов. IQ. Демонстрация подстройки частоты.