eng
Системы синхронизации времени и частоты всегда играли важную роль в сетях связи общего пользования. С развитием современных телекоммуникационных технологий и появлением новых услуг их значение только возрастает. Вместе с тем, развиваются и технические средства хранения и доставки эталонных значений времени и частоты. Все это говорит о необходимости уделять проблемам метрологического обеспечения систем синхронизации в сетях связи РФ самое пристальное внимание.
В телекоммуникационной отрасли РФ все более актуальны вопросы воспроизведения, хранения и передачи единицы величины времени, а также точного значения времени. Наряду с высокими темпами развития отрасли, стремительным увеличением объема предоставляемых услуг связи логично ожидать заметного повышения их качества, которое непосредственно зависит от синхронности процессов передачи и преобразования информации в сетях связи, безошибочности передачи и приема пакетов данных. Специалисты, анализирующие проблемы развития отрасли, сходятся во мнении, что без синхронизации в сети как тактовой частоты, так и единого времени поддерживать надлежащее качество предоставления услуг невозможно.
Для достоверного определения объема предоставляемых услуг в сети связи общего пользования необходимо поддержание точного значения времени, к которому привязаны расчеты биллинговых систем. При оказании массовых услуг даже незначительные погрешности в определении интервалов времени могут вылиться в достаточно крупные суммы – либо не полученные оператором, либо потраченные им в результате разбирательств по претензиям пользователей.
Необходимое условие успешного разрешения подобных вопросов – их рассмотрение с позиций метрологии, изучающей причины возникновения погрешностей, методы их достоверной оценки и способы снижения.
Метрологические аспекты воспроизведения точного времени
Применительно к задаче обеспечения единства точного времени необходимо проанализировать основные источники погрешностей, возникающих в процессе воспроизведения точных значений величин частоты и времени, их хранения, передачи и распространения в сетях связи. Рассмотрим основные причины погрешностей воспроизведения шкалы всемирного координированного (согласованного) времени UTC (Universal Time Coordinated) и шкалы UTS (SU), используемой в РФ.
Шкалу UTS формирует Международная служба оценки параметров вращения и координат Земли (IERS – International Earth Rotation and Reference Systems Service), расположенная в Париже. Она ответственна за поддержание всемирного времени, а также стандартных систем координат – небесной (ICRS) и земной (ITRS).
Шкала всемирного координированного времени UTC является симбиозом двух базовых взаимодополняющих шкал времени – сидерической (sidus – звезда, лат.) шкалы времени Universal Time (UT), основанной на результатах измерения звездных суток, и атомной шкалы времени Time Atomic International (TAI), основанной на периодических процессах изменения энергетического состояния атомов или молекул вещества. Шкала UT широко используется благодаря своему полному соответствию традициям и привычкам связывать подавляющее большинство процессов жизни человека со сменой дня и ночи, суток, лет. Это является существенным достоинством шкалы UT. Основной недостаток сидерической шкалы – ее неравномерность. Величина этой неравномерности такова, что не может игнорироваться при измерениях времени во многих областях науки и техники (физика, космология, навигация, связь, космонавтика, военная техника и др.). Эта ситуация вынудила искать другую, значительно более равномерную шкалу времени.
Такой шкалой стала атомная шкала времени. Международное атомное время TAI – (Time Atomic International, франц. – Temps Atomique International) – время, в основу измерения которого положены периодические процессы изменения энергетического состояния атомов или молекул вещества. В 1967 году 8-я Генеральная конференция по мерам и весам – CGPM (Conference generale des poids et mesures) определила единицу времени – секунду – как интервал, в течение которого совершается 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних магнитных полей. Эталон атомного времени обладает высокой стабильностью, высокими метрологическими характеристиками, а также легкой воспроизводимостью, удобством содержания первичного эталона и передачи единицы времени рабочим эталонам и эталонным часам.
В России Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ РФ) располагает тремя основными эталонами атомного времени – первичным и двумя вторичными. Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1 хранится в Государственном метрологическом центре Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГМЦ ГСВЧ) во ФГУП "ВНИИФТРИ". Вторичные эталоны находятся в Иркутском (эталон ВЭТ 1-5) и в Хабаровском (эталон ВЭТ 1-7) филиалах ВНИИФТРИ (табл.1).
Всемирное координированное время UTC базируется на единице времени "секунда", воспроизводимой эталонами атомного времени. При этом шкала UTC синхронизируется со шкалой сидерического времени UT1, скорректированного с учетом смещения полюса Земли относительно его среднего положения. Синхронизация происходит, когда расхождение шкал UTC и UT1 приближается к ±0,9 с, но не превышает этого значения. В процессе синхронизации равномерность шкалы UTC нарушается – шкала принудительно удлиняется или укорачивается на одну секунду, при этом сохраняется длительность секунды, обеспечиваемая эталоном атомного времени. Таким образом, шкалу всемирного координированного времени UTC можно считать кусочно-непрерывной, в которой точки разрыва совпадают с моментами синхронизации со шкалой UT1.
Поскольку, благодаря синхронизации, метрологические характеристики шкалы времени UTC в значительной мере определяются аналогичными характеристиками шкалы времени UT1, необходимо оценить ее погрешность и стабильность. Погрешности, как правило, содержат систематические и случайные составляющие. Службой IERS делается все возможное, чтобы исключить выявленные систематические составляющие погрешности воспроизведения значения точного времени UT1.
Однако имеются случайные составляющие, которые исключить невозможно. Они связаны c неточностями определения службой IERS поправок, вызванных непредсказуемыми изменениями скорости вращения Земли, а также со случайными флуктуациями характеристик технических устройств, участвующих в формировании значения точного времени, его воспроизведении и передаче.
Установлено, что на неравномерность шкалы UT1 в значительной мере влияют Луна и Солнце. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, их силы притяжения стремятся развернуть нашу планету так, чтобы локальные центры масс геоида (отличающегося по форме от сферы) располагались на линии, соединяющей центры масс Земли, Луны и Солнца. Но Земля в этом случае, обладая значительным моментом вращения относительно собственной оси, ведет себя как гироскоп – она не поворачивается в направлении действия сил притяжения, а прецессирует. Ось вращения Земли медленно описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики. Моменты сил притяжения, действующие на геоид, меняются в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения возникают нутации (от лат. nutatio – колебание) оси вращения Земли, складывающиеся из ряда небольших периодических колебаний.
Фактически Земля в своем движении вокруг Солнца совершает ряд периодических колебаний с различными по длительности периодами. Так, период прецессии составляет 26 тыс. лет, а период основной нутации – 18,6 лет (есть нутации и с более коротким периодом). Соответственно, наша планета перемещается вокруг Солнца не по гладкой линии, а скорее по спирали, обвивающей эллипс орбиты. Это результат одновременного движения вокруг Солнца пары "Земля-Луна", взаимосвязанной силами притяжения.
По земной поверхности с востока на запад, то есть в направлении, обратном суточному вращению Земли, вслед за видимым перемещением Луны и Солнца одновременно перемещаются так называемые "приливные выступы" на поверхности океанов. При этом в океанах и в пластах материков возникают силы трения, тормозящие вращение планеты, благодаря чему происходит сравнительно плавное и предсказуемое замедление вращения Земли и, соответственно, увеличение длительности суток. Согласно имеющимся оценкам, сутки удлиняются примерно на 2 мс за 100 лет. Из чего следует, что относительная неравномерность шкалы времени UT1 была бы не более 10-12 , если бы замедление скорости вращения Земли вокруг своей оси было единственной причиной неравномерности.
Однако результаты исследований показывают, что в неравномерность шкалы UT1 вносят вклад и многие другие факторы, изучение влияния которых еще далеко не завершено. Это, прежде всего, неоднородность и нестабильность земных недр, извержения вулканов, землетрясения; взаимодействие ядра земли и ее мантии; глобальные процессы в земной атмосфере и взаимодействие атмосферных масс с поверхностью планеты. Влияние этих факторов выражается в непредсказуемой и сравнительно кратковременной неравномерности изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси, приводящей к непредсказуемому изменению продолжительности суток (рис.1). Как видно из графика, имеется тренд к замедлению скорости вращения Земли (долговременная неравномерность). Причем на фоне этого тренда происходят заметные колебания длительности суток – как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
Результаты наблюдений показывают, в частности, что быстрее всего Земля вращалась в 1870 году (длительность суток была на 3 мс короче эталонных). Затем происходило замедление вращения, которое за 30 лет составило почти 7 мс. Медленнее всего Земля вращалась в 1903 году (земные сутки были длиннее эталонных на 4 мс). В настоящее время Земля в основном ускоряет свое вращение, при этом длительность суток приближается снизу к эталонному значению 86400 с.
Влияние случайных факторов приводит к краткосрочным изменениям длительности суток, измеряемым месяцами, неделями и даже сутками (рис.2). График очень напоминает периодический сигнал, искаженный помехой меньшей частоты и большей амплитуды. Действительно, были выявлены сезонные и многолетние (примерно 60 лет) циклы колебаний длительности суток. Исследования последних лет показали, что главная причина сезонной неравномерности вращения Земли – атмосферная циркуляция. Многолетние циклы связывают с взаимодействием ядра и мантии планеты. В пользу этой гипотезы свидетельствует значительная корреляция между изменениями скорости вращения Земли и флуктуациями скорости дрейфа ее магнитного диполя с характерным временем порядка 60 лет.
В 1980-е годы на смену измерениям времени посредством оптических наблюдений положения Земли относительно звезд пришли новые методы измерений с использованием лазерной локации Луны и искусственных спутников Земли, а также посредством систем глобального позиционирования. Погрешность измерений всемирного времени уменьшилась примерно на два порядка. В итоге появилась возможность изучать колебания скорости вращения Земли с периодами до суток. Наблюдения последних десятилетий выявили колебания длительности суток с периодом примерно 12 суток и размахом (двойная амплитуда) около 1 мс [1]. Таким образом, известная природная неравномерность шкалы UT за 6 суток (0,5 периода) составляет ±10-3с/ (86400⋅6)с ≈ ±2⋅10-9.
Непредсказуемость изменений скорости вращения Земли отражена в метрологических требованиях рекомендаций ITU-R TF 460-6 [2]. В них прописано, что распространяемые сигналы времени должны содержать информацию о значениях разницы UT1 – UTC и TAI – UTC. Вместе с сигналами точного времени распространяется прогнозируемая разность DUT1 ≈ UT1 – UTC. Величина DUT1 приводится службой IERS в числах, кратных 0,1 с. Девиация (UTC + DUT1) относительно UT1 (фактического) должна быть не более ± 0,1 с. Последние два положения отражают наличие погрешности измерения службой IERS времени UT1, определяемого истинным положением Земли в координатах, привязанных к удаленным условно неподвижным звездам.
Таким образом, сегодня обеспечивается:
• воспроизведение единицы времени "секунда" с погрешностью порядка ± 10-14, определяемой шкалой атомного времени TAI;
• воспроизведение значения времени UT1 с погрешностью не более ± 0,1 с относительно фактического положения Земли в координатах, привязанных к удаленным в космическом пространстве условно неподвижным звездам;
• неравномерность шкалы времени UT1 порядка ± 10-9.
Переход от UTC к национальному точному времени, как и любой процесс передачи точного времени, влечет дополнительную погрешность. Согласно ГОСТ 8.129-99 [3], допускаемое расхождение российской национальной шкалы точного времени UTC (SU) относительно всемирной шкалы UTC должно быть не более ±1 мкс, а расхождение шкал, хранимых в странах СНГ, – не более ±2 мкс. Фактическое расхождение шкалы времени, воспроизводимой Государственным первичным эталоном РФ, относительно UTC не превышает 100 нс. Международная регламентация шкал времени в Рекомендациях Международного союза электросвязи (ITU) подробно рассмотрена в работе [4]. Основные метрологические характеристики эталонов времени и средств измерений, используемых в настоящее время в РФ, и их допустимое расхождение с UTC, приведены в табл.2.
В конечном итоге неравномерность шкалы UTC, выражающаяся в ее принудительном скачкообразном изменении на 1 секунду, доставляет серьезные неудобства при необходимости синхронизации длительных процессов и измерениях длительных интервалов времени. В связи с этим имеется мнение, что внутри некоторых сравнительно замкнутых систем (структур) целесообразно иметь собственную (локальную) шкалу времени, свободную от скачкообразного изменения.
Обеспечение единства времени
в отрасли связи
В современных сетях связи многие цифровые технические средства выступают потребителями сигналов точного времени: коммутационные станции, вычислительные системы и серверы, системы управления транспортной сетью, биллинговые системы, устройства передачи данных и др. Для тактовой сетевой синхронизации (ТСС) в сети связи общего пользования, согласно имеющимся нормативным правовым документам [5, 6], погрешность установки частоты первичных эталонных источников (ПЭИ) и первичных эталонных генераторов (ПЭГ) не должны превышать 10-11. При такой нестабильности минимизируются ошибки в передаче информации за счет "проскальзывания" пакетов передаваемых данных, поскольку пакеты данных обычно теряются вследствие расхождений значений тактовых частот на передающем и приемном концах линий связи.
Действующие нормативные документы предъявляют требования к измерениям времени в сетях электросвязи только в части измерений разности (расхождения) шкал времени в сетях операторов связи относительно шкалы координированного времени РФ UTS (SU), а также измерений продолжительности соединения (сеанса связи) в целях определения объема оказанных услуг [7, 8]. В то же время, системное время аппаратных средств автоматизированной системы расчетов, используемое для определения даты и времени начала оказания услуг связи, должно быть синхронизировано по меткам времени системы единого времени с погрешностью не более ±1 с [9]. Абсолютная погрешность единого точного времени, распространяемого в сети связи общего пользования, должна быть от ±10-8 до ±10-3 с в зависимости от решаемых задач [10].
В системах сотовой связи для устранения взаимных помех в зонах перекрытия соседних базовых станций погрешность тактовой синхронизации не должна превышать ± 5⋅10-8 при нестабильности частоты не более 10-10. Если базовые станции сотовой связи используются для определения координат абонента с погрешностью порядка 50 м, необходима синхронность с временем UTC (SU) с погрешностью не более ±10-9.
Для эффективного государственного метрологического надзора за системой единого точного времени необходимо создать нормативные документы, содержащие обязательные метрологические требования ко всем структурным элементам системы единого точного времени. Должно быть также разработано методическое обеспечение, включающее типовые методики измерений времени на всех уровнях системы.
Стандарты частоты и времени
В последние годы разработано и производится немало технических средств, обеспечивающих прием сигналов точного времени, их распространение, синхронизацию локальных часов и других устройств с временем UTC (SU). Рассмотрим основные метрологические характеристики стандартов частоты и времени (СЧВ), применяемых в качестве рабочих эталонов.
Рубидиевые и цезиевые СЧВ предназначены для коммерческих и военных применений. Они сопрягаются с сетями связи, с базовыми станциями сотовой связи, с компьютерными сетями, метрологическими лабораториями, с тестовым оборудованием, с военными системами связи, с системами контроля и управления, телеметрическим оборудованием, мобильными радиосистемами (табл.3).
Водородные СЧВ широко применяются в метрологическом обеспечении научных исследований, сложных технических систем, в том числе глобальных спутниковых навигационных систем. Используются два вида водородных стандартов частоты и времени – на основе активных генерирующих мазеров (табл.4) и пассивных мазеров, стабилизирующих частоту (табл.5). Активным стандартом частоты и времени называется такой стандарт, в котором в качестве опорной используется частота излучения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов. В активном стандарте в качестве стабилизатора применяется квантовый генератор. В пассивном стандарте в качестве опорной используется частота поглощения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов, а в качестве стабилизатора задействован квантовый дискриминатор. Пассивные водородные стандарты частоты и времени широко используются в оборонной и космической отраслях.
Технические средства передачи точного времени
Погрешности основных способов передачи точного времени, рекомендованные в ITU-R TF-1011-1 (1994–1997 годы), приведены в табл.6. Служба времени РФ с помощью эталонов времени и частоты обеспечивает хранение размера единиц времени и частоты, а также и их распространение разными средствами, в частности радио- и телевизионными станциями, космическими аппаратами ГЛОНАСС, возимыми стабильными часами. При передаче величин от государственных первичного и вторичных эталонов рабочим эталонам, средствам измерений и устройствам отсчета времени в различных системах, в том числе в сетях связи, возникают дополнительные погрешности, обусловленные неидеальностью каналов и устройств передачи сигналов точного времени. В частности, при передаче сигналов точного времени радиотехническими средствами (по радиоканалам и каналам телевидения) обеспечивается относительная погрешность порядка ±10-6 (±0,0001%). При использовании приемников сигналов точного времени, передаваемых космическими аппаратами системы ГЛОНАСС, обеспечивается абсолютная погрешность в пределах от ±100 до ±10 нс (относительная от ±10-7 до ±10-8). Сегодня широко исследуется возможность передачи сигналов точного времени по волоконно-оптическим линиям передачи (ВОЛП). Они обладают хорошей помехоустойчивостью. Уже получены результаты измерений переданных значений времени с абсолютными погрешностями в десятки и даже единицы наносекунд (относительная погрешность порядка ±5⋅10-9 ). Передача сигналов точного времени посредством рубидиевых, цезиевых и водородных стандартов (часов) обеспечивает относительную погрешность в пределах от ±10-8 до ±10-10.
Система ГЛОНАСС является наиболее общедоступным средством распространения сигналов единого точного времени. Устройства приема, хранения и распространения времени ГЛОНАСС обладают высокой долговременной стабильностью, поскольку синхронизируются от расположенного на Земле атомного эталона времени и частоты. Фактически ГЛОНАСС – это потенциальная основа для создания глобальной системы распределения единого точного времени на всей громадной территории Российской Федерации. Орбитальная структура ГЛОНАСС построена таким образом, что в любой точке земного шара и околоземного пространства одновременно наблюдаются не менее четырех космических аппаратов, что достаточно для надежного приема сигналов точного времени, распространяемого посредством ГЛОНАСС.
Для обеспечения надежности (живучести) системы распределения сигналов единого точного времени желательно иметь две взаимно дополняющие друг друга подсистемы: подсистему распределения, использующую сигналы точного времени ГЛОНАСС, и подсистему распределения сигналов точного времени от государственного эталона времени и частоты по ВОЛП. Первая подсистема требует создания достаточного числа центров приема сигналов точного времени, взаимодействующих с системой распределения единого точного времени в сети связи общего пользования. Вторая может использовать как специально выделенные ВОЛП, связывающие государственный эталон с центрами хранения рабочих эталонов точного времени, так и ВОЛП, входящие в сеть связи и используемые для целей передачи данных и синхронизации.
При исследованиях метрологических характеристик систем распределения единого точного времени большую роль играют перевозимые эталонные часы, которые позволяют достоверно и с малыми погрешностями определять значения задержек распространения сигналов единого точного времени в средах и линиях передачи, имеющих значительную протяженность. Для подобных применений очень существенны массогабаритные характеристики перевозимых эталонных часов. Поэтому и в России, и в других государствах, имеющих национальные эталоны времени и частоты, ведутся работы по уменьшению габаритов и массы эталонных часов атомного времени.
Так, в Физическом институте имени Лебедева Российской академии наук (ФИАН) завершена разработка квантового дискриминатора – устройства, которое должно стать "сердцем" создаваемых исследователями миниатюрных атомных часов [11]. Объем квантового дискриминатора составляет 10 см3. Нестабильность часов, создаваемых специалистами ФИАН в сотрудничестве с учеными из Института лазерной физики Сибирского отделения РАН, составит 10-13. При этом общий объем часов не превысит 50 см3. Исследователи планируют завершить разработку часов к 2012 году. После этого должен быть налажен их промышленный выпуск.
В начале 2011 года американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов Chip Scale Atomic Clock (CSAC) SA.45s CSAC, габариты которых – 40,6×35,3×11,4 мм (рис.3). Их стабильность – 5⋅10-11/ч, масса – 35 г, потребляемая мощность 115 мВт [12].
Необходимо также отметить, что не прекращаются исследования, направленные на повышение стабильности шкалы атомного времени. Согласно опубликованной 4 февраля 2010 года информации [13], для атомных часов на основе ионов алюминия и магния экспериментально получена нестабильность, почти в 20 раз меньшая, чем у официального международного эталона.
Краткие выводы
Основной метрологической проблемой обеспечения единого точного времени является несовпадение шкал атомного и сидерического времени. Накапливающееся расхождение приводит к необходимости их синхронизации путем введения "скачущей" секунды, что превращает шкалу координированного времени UТС в кусочно-непрерывную.
В сети связи общего пользования необходимо создать систему распределения сигналов единого точного времени (СР СЕТВ), доступную всем потенциальным пользователям и обеспечивающую необходимую для решения их задач погрешность. Такая система должна стать основной составной частью единой системы координатно-временного и навигационного обеспечения Российской Федерации, под которой понимается интегрированная система, включающая технические, методические и нормативно-правовые составляющие.
В системе распределения единого точного времени должно быть обеспечено единство измерений путем создания соответствующего метрологического надзора, контролирующего вопросы технического, методического и нормативно-правового обеспечения процессов передачи и измерения единого точного времени.
Литература
1. Сидоренков Н.С. Нестабильность вращения земли. – Вестник Российской академии наук, 2004, т. 74, № 8, с.701–715.
2. ITU-R TF.460-6 (02/02) Передача сигналов стандартных частот и сигналов точного времени.
3. ГОСТ 8.129-99 Государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты.
4. Коновалов Г.В., Меккель А.М. Шкалы времени и их регламентация в Рекомендациях МСЭ. – В сборнике: Современные проблемы частотно-временного обеспечения сетей электросвязи. – М.: ФГУП ЦНИИС, 2010, с.8–27.
5. Приказ Министерства ин0формационных технологий и связи Российской Федерации от 7 декабря 2006 г. № 161 "Правила применения оборудования тактовой сетевой синхронизации".
6. Рекомендация отрасли Р 45.09-2001 Присоединение сетей операторов связи к базовой сети тактовой сетевой синхронизации.
7. Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 25 декабря 2009 г. № 184 "Об утверждении перечня измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, в части компетенции Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации".
8. Приказ Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от 8 апреля 2008 г. № 38 "Об утверждении Правил применения аппаратуры повременного учета продолжительности соединения".
9. Приказ Министерства информационных технологий и связи РФ от 2 июля 2007 г. № 73 "Об утверждении Правил применения автоматизированных систем расчетов".
10. Иванов А.В., Новожилов Е.О., Рыжков А.В. Способы передачи сигналов по волоконно-оптическим линиям и результаты эксперимента. – В сборнике: Современные проблемы частотно-временного обеспечения сетей электросвязи. – М.: ФГУП ЦНИИС, 2010, с. 159–170.
11. http://www.fian-inform.ru
12. http://www.symmetricom.com/products/frequency-references/chip-scale-atomic-clock-csac/SA.45s-CSAC/
13. NIST’s Second ‘Quantum Logic Clock’ Based on Aluminum Ion is Now World’s Most Precise Clock. – http://www.nist.gov
Для достоверного определения объема предоставляемых услуг в сети связи общего пользования необходимо поддержание точного значения времени, к которому привязаны расчеты биллинговых систем. При оказании массовых услуг даже незначительные погрешности в определении интервалов времени могут вылиться в достаточно крупные суммы – либо не полученные оператором, либо потраченные им в результате разбирательств по претензиям пользователей.
Необходимое условие успешного разрешения подобных вопросов – их рассмотрение с позиций метрологии, изучающей причины возникновения погрешностей, методы их достоверной оценки и способы снижения.
Метрологические аспекты воспроизведения точного времени
Применительно к задаче обеспечения единства точного времени необходимо проанализировать основные источники погрешностей, возникающих в процессе воспроизведения точных значений величин частоты и времени, их хранения, передачи и распространения в сетях связи. Рассмотрим основные причины погрешностей воспроизведения шкалы всемирного координированного (согласованного) времени UTC (Universal Time Coordinated) и шкалы UTS (SU), используемой в РФ.
Шкалу UTS формирует Международная служба оценки параметров вращения и координат Земли (IERS – International Earth Rotation and Reference Systems Service), расположенная в Париже. Она ответственна за поддержание всемирного времени, а также стандартных систем координат – небесной (ICRS) и земной (ITRS).
Шкала всемирного координированного времени UTC является симбиозом двух базовых взаимодополняющих шкал времени – сидерической (sidus – звезда, лат.) шкалы времени Universal Time (UT), основанной на результатах измерения звездных суток, и атомной шкалы времени Time Atomic International (TAI), основанной на периодических процессах изменения энергетического состояния атомов или молекул вещества. Шкала UT широко используется благодаря своему полному соответствию традициям и привычкам связывать подавляющее большинство процессов жизни человека со сменой дня и ночи, суток, лет. Это является существенным достоинством шкалы UT. Основной недостаток сидерической шкалы – ее неравномерность. Величина этой неравномерности такова, что не может игнорироваться при измерениях времени во многих областях науки и техники (физика, космология, навигация, связь, космонавтика, военная техника и др.). Эта ситуация вынудила искать другую, значительно более равномерную шкалу времени.
Такой шкалой стала атомная шкала времени. Международное атомное время TAI – (Time Atomic International, франц. – Temps Atomique International) – время, в основу измерения которого положены периодические процессы изменения энергетического состояния атомов или молекул вещества. В 1967 году 8-я Генеральная конференция по мерам и весам – CGPM (Conference generale des poids et mesures) определила единицу времени – секунду – как интервал, в течение которого совершается 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних магнитных полей. Эталон атомного времени обладает высокой стабильностью, высокими метрологическими характеристиками, а также легкой воспроизводимостью, удобством содержания первичного эталона и передачи единицы времени рабочим эталонам и эталонным часам.
В России Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ РФ) располагает тремя основными эталонами атомного времени – первичным и двумя вторичными. Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1 хранится в Государственном метрологическом центре Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГМЦ ГСВЧ) во ФГУП "ВНИИФТРИ". Вторичные эталоны находятся в Иркутском (эталон ВЭТ 1-5) и в Хабаровском (эталон ВЭТ 1-7) филиалах ВНИИФТРИ (табл.1).
Всемирное координированное время UTC базируется на единице времени "секунда", воспроизводимой эталонами атомного времени. При этом шкала UTC синхронизируется со шкалой сидерического времени UT1, скорректированного с учетом смещения полюса Земли относительно его среднего положения. Синхронизация происходит, когда расхождение шкал UTC и UT1 приближается к ±0,9 с, но не превышает этого значения. В процессе синхронизации равномерность шкалы UTC нарушается – шкала принудительно удлиняется или укорачивается на одну секунду, при этом сохраняется длительность секунды, обеспечиваемая эталоном атомного времени. Таким образом, шкалу всемирного координированного времени UTC можно считать кусочно-непрерывной, в которой точки разрыва совпадают с моментами синхронизации со шкалой UT1.
Поскольку, благодаря синхронизации, метрологические характеристики шкалы времени UTC в значительной мере определяются аналогичными характеристиками шкалы времени UT1, необходимо оценить ее погрешность и стабильность. Погрешности, как правило, содержат систематические и случайные составляющие. Службой IERS делается все возможное, чтобы исключить выявленные систематические составляющие погрешности воспроизведения значения точного времени UT1.
Однако имеются случайные составляющие, которые исключить невозможно. Они связаны c неточностями определения службой IERS поправок, вызванных непредсказуемыми изменениями скорости вращения Земли, а также со случайными флуктуациями характеристик технических устройств, участвующих в формировании значения точного времени, его воспроизведении и передаче.
Установлено, что на неравномерность шкалы UT1 в значительной мере влияют Луна и Солнце. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, их силы притяжения стремятся развернуть нашу планету так, чтобы локальные центры масс геоида (отличающегося по форме от сферы) располагались на линии, соединяющей центры масс Земли, Луны и Солнца. Но Земля в этом случае, обладая значительным моментом вращения относительно собственной оси, ведет себя как гироскоп – она не поворачивается в направлении действия сил притяжения, а прецессирует. Ось вращения Земли медленно описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики. Моменты сил притяжения, действующие на геоид, меняются в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения возникают нутации (от лат. nutatio – колебание) оси вращения Земли, складывающиеся из ряда небольших периодических колебаний.
Фактически Земля в своем движении вокруг Солнца совершает ряд периодических колебаний с различными по длительности периодами. Так, период прецессии составляет 26 тыс. лет, а период основной нутации – 18,6 лет (есть нутации и с более коротким периодом). Соответственно, наша планета перемещается вокруг Солнца не по гладкой линии, а скорее по спирали, обвивающей эллипс орбиты. Это результат одновременного движения вокруг Солнца пары "Земля-Луна", взаимосвязанной силами притяжения.
По земной поверхности с востока на запад, то есть в направлении, обратном суточному вращению Земли, вслед за видимым перемещением Луны и Солнца одновременно перемещаются так называемые "приливные выступы" на поверхности океанов. При этом в океанах и в пластах материков возникают силы трения, тормозящие вращение планеты, благодаря чему происходит сравнительно плавное и предсказуемое замедление вращения Земли и, соответственно, увеличение длительности суток. Согласно имеющимся оценкам, сутки удлиняются примерно на 2 мс за 100 лет. Из чего следует, что относительная неравномерность шкалы времени UT1 была бы не более 10-12 , если бы замедление скорости вращения Земли вокруг своей оси было единственной причиной неравномерности.
Однако результаты исследований показывают, что в неравномерность шкалы UT1 вносят вклад и многие другие факторы, изучение влияния которых еще далеко не завершено. Это, прежде всего, неоднородность и нестабильность земных недр, извержения вулканов, землетрясения; взаимодействие ядра земли и ее мантии; глобальные процессы в земной атмосфере и взаимодействие атмосферных масс с поверхностью планеты. Влияние этих факторов выражается в непредсказуемой и сравнительно кратковременной неравномерности изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси, приводящей к непредсказуемому изменению продолжительности суток (рис.1). Как видно из графика, имеется тренд к замедлению скорости вращения Земли (долговременная неравномерность). Причем на фоне этого тренда происходят заметные колебания длительности суток – как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
Результаты наблюдений показывают, в частности, что быстрее всего Земля вращалась в 1870 году (длительность суток была на 3 мс короче эталонных). Затем происходило замедление вращения, которое за 30 лет составило почти 7 мс. Медленнее всего Земля вращалась в 1903 году (земные сутки были длиннее эталонных на 4 мс). В настоящее время Земля в основном ускоряет свое вращение, при этом длительность суток приближается снизу к эталонному значению 86400 с.
Влияние случайных факторов приводит к краткосрочным изменениям длительности суток, измеряемым месяцами, неделями и даже сутками (рис.2). График очень напоминает периодический сигнал, искаженный помехой меньшей частоты и большей амплитуды. Действительно, были выявлены сезонные и многолетние (примерно 60 лет) циклы колебаний длительности суток. Исследования последних лет показали, что главная причина сезонной неравномерности вращения Земли – атмосферная циркуляция. Многолетние циклы связывают с взаимодействием ядра и мантии планеты. В пользу этой гипотезы свидетельствует значительная корреляция между изменениями скорости вращения Земли и флуктуациями скорости дрейфа ее магнитного диполя с характерным временем порядка 60 лет.
В 1980-е годы на смену измерениям времени посредством оптических наблюдений положения Земли относительно звезд пришли новые методы измерений с использованием лазерной локации Луны и искусственных спутников Земли, а также посредством систем глобального позиционирования. Погрешность измерений всемирного времени уменьшилась примерно на два порядка. В итоге появилась возможность изучать колебания скорости вращения Земли с периодами до суток. Наблюдения последних десятилетий выявили колебания длительности суток с периодом примерно 12 суток и размахом (двойная амплитуда) около 1 мс [1]. Таким образом, известная природная неравномерность шкалы UT за 6 суток (0,5 периода) составляет ±10-3с/ (86400⋅6)с ≈ ±2⋅10-9.
Непредсказуемость изменений скорости вращения Земли отражена в метрологических требованиях рекомендаций ITU-R TF 460-6 [2]. В них прописано, что распространяемые сигналы времени должны содержать информацию о значениях разницы UT1 – UTC и TAI – UTC. Вместе с сигналами точного времени распространяется прогнозируемая разность DUT1 ≈ UT1 – UTC. Величина DUT1 приводится службой IERS в числах, кратных 0,1 с. Девиация (UTC + DUT1) относительно UT1 (фактического) должна быть не более ± 0,1 с. Последние два положения отражают наличие погрешности измерения службой IERS времени UT1, определяемого истинным положением Земли в координатах, привязанных к удаленным условно неподвижным звездам.
Таким образом, сегодня обеспечивается:
• воспроизведение единицы времени "секунда" с погрешностью порядка ± 10-14, определяемой шкалой атомного времени TAI;
• воспроизведение значения времени UT1 с погрешностью не более ± 0,1 с относительно фактического положения Земли в координатах, привязанных к удаленным в космическом пространстве условно неподвижным звездам;
• неравномерность шкалы времени UT1 порядка ± 10-9.
Переход от UTC к национальному точному времени, как и любой процесс передачи точного времени, влечет дополнительную погрешность. Согласно ГОСТ 8.129-99 [3], допускаемое расхождение российской национальной шкалы точного времени UTC (SU) относительно всемирной шкалы UTC должно быть не более ±1 мкс, а расхождение шкал, хранимых в странах СНГ, – не более ±2 мкс. Фактическое расхождение шкалы времени, воспроизводимой Государственным первичным эталоном РФ, относительно UTC не превышает 100 нс. Международная регламентация шкал времени в Рекомендациях Международного союза электросвязи (ITU) подробно рассмотрена в работе [4]. Основные метрологические характеристики эталонов времени и средств измерений, используемых в настоящее время в РФ, и их допустимое расхождение с UTC, приведены в табл.2.
В конечном итоге неравномерность шкалы UTC, выражающаяся в ее принудительном скачкообразном изменении на 1 секунду, доставляет серьезные неудобства при необходимости синхронизации длительных процессов и измерениях длительных интервалов времени. В связи с этим имеется мнение, что внутри некоторых сравнительно замкнутых систем (структур) целесообразно иметь собственную (локальную) шкалу времени, свободную от скачкообразного изменения.
Обеспечение единства времени
в отрасли связи
В современных сетях связи многие цифровые технические средства выступают потребителями сигналов точного времени: коммутационные станции, вычислительные системы и серверы, системы управления транспортной сетью, биллинговые системы, устройства передачи данных и др. Для тактовой сетевой синхронизации (ТСС) в сети связи общего пользования, согласно имеющимся нормативным правовым документам [5, 6], погрешность установки частоты первичных эталонных источников (ПЭИ) и первичных эталонных генераторов (ПЭГ) не должны превышать 10-11. При такой нестабильности минимизируются ошибки в передаче информации за счет "проскальзывания" пакетов передаваемых данных, поскольку пакеты данных обычно теряются вследствие расхождений значений тактовых частот на передающем и приемном концах линий связи.
Действующие нормативные документы предъявляют требования к измерениям времени в сетях электросвязи только в части измерений разности (расхождения) шкал времени в сетях операторов связи относительно шкалы координированного времени РФ UTS (SU), а также измерений продолжительности соединения (сеанса связи) в целях определения объема оказанных услуг [7, 8]. В то же время, системное время аппаратных средств автоматизированной системы расчетов, используемое для определения даты и времени начала оказания услуг связи, должно быть синхронизировано по меткам времени системы единого времени с погрешностью не более ±1 с [9]. Абсолютная погрешность единого точного времени, распространяемого в сети связи общего пользования, должна быть от ±10-8 до ±10-3 с в зависимости от решаемых задач [10].
В системах сотовой связи для устранения взаимных помех в зонах перекрытия соседних базовых станций погрешность тактовой синхронизации не должна превышать ± 5⋅10-8 при нестабильности частоты не более 10-10. Если базовые станции сотовой связи используются для определения координат абонента с погрешностью порядка 50 м, необходима синхронность с временем UTC (SU) с погрешностью не более ±10-9.
Для эффективного государственного метрологического надзора за системой единого точного времени необходимо создать нормативные документы, содержащие обязательные метрологические требования ко всем структурным элементам системы единого точного времени. Должно быть также разработано методическое обеспечение, включающее типовые методики измерений времени на всех уровнях системы.
Стандарты частоты и времени
В последние годы разработано и производится немало технических средств, обеспечивающих прием сигналов точного времени, их распространение, синхронизацию локальных часов и других устройств с временем UTC (SU). Рассмотрим основные метрологические характеристики стандартов частоты и времени (СЧВ), применяемых в качестве рабочих эталонов.
Рубидиевые и цезиевые СЧВ предназначены для коммерческих и военных применений. Они сопрягаются с сетями связи, с базовыми станциями сотовой связи, с компьютерными сетями, метрологическими лабораториями, с тестовым оборудованием, с военными системами связи, с системами контроля и управления, телеметрическим оборудованием, мобильными радиосистемами (табл.3).
Водородные СЧВ широко применяются в метрологическом обеспечении научных исследований, сложных технических систем, в том числе глобальных спутниковых навигационных систем. Используются два вида водородных стандартов частоты и времени – на основе активных генерирующих мазеров (табл.4) и пассивных мазеров, стабилизирующих частоту (табл.5). Активным стандартом частоты и времени называется такой стандарт, в котором в качестве опорной используется частота излучения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов. В активном стандарте в качестве стабилизатора применяется квантовый генератор. В пассивном стандарте в качестве опорной используется частота поглощения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов, а в качестве стабилизатора задействован квантовый дискриминатор. Пассивные водородные стандарты частоты и времени широко используются в оборонной и космической отраслях.
Технические средства передачи точного времени
Погрешности основных способов передачи точного времени, рекомендованные в ITU-R TF-1011-1 (1994–1997 годы), приведены в табл.6. Служба времени РФ с помощью эталонов времени и частоты обеспечивает хранение размера единиц времени и частоты, а также и их распространение разными средствами, в частности радио- и телевизионными станциями, космическими аппаратами ГЛОНАСС, возимыми стабильными часами. При передаче величин от государственных первичного и вторичных эталонов рабочим эталонам, средствам измерений и устройствам отсчета времени в различных системах, в том числе в сетях связи, возникают дополнительные погрешности, обусловленные неидеальностью каналов и устройств передачи сигналов точного времени. В частности, при передаче сигналов точного времени радиотехническими средствами (по радиоканалам и каналам телевидения) обеспечивается относительная погрешность порядка ±10-6 (±0,0001%). При использовании приемников сигналов точного времени, передаваемых космическими аппаратами системы ГЛОНАСС, обеспечивается абсолютная погрешность в пределах от ±100 до ±10 нс (относительная от ±10-7 до ±10-8). Сегодня широко исследуется возможность передачи сигналов точного времени по волоконно-оптическим линиям передачи (ВОЛП). Они обладают хорошей помехоустойчивостью. Уже получены результаты измерений переданных значений времени с абсолютными погрешностями в десятки и даже единицы наносекунд (относительная погрешность порядка ±5⋅10-9 ). Передача сигналов точного времени посредством рубидиевых, цезиевых и водородных стандартов (часов) обеспечивает относительную погрешность в пределах от ±10-8 до ±10-10.
Система ГЛОНАСС является наиболее общедоступным средством распространения сигналов единого точного времени. Устройства приема, хранения и распространения времени ГЛОНАСС обладают высокой долговременной стабильностью, поскольку синхронизируются от расположенного на Земле атомного эталона времени и частоты. Фактически ГЛОНАСС – это потенциальная основа для создания глобальной системы распределения единого точного времени на всей громадной территории Российской Федерации. Орбитальная структура ГЛОНАСС построена таким образом, что в любой точке земного шара и околоземного пространства одновременно наблюдаются не менее четырех космических аппаратов, что достаточно для надежного приема сигналов точного времени, распространяемого посредством ГЛОНАСС.
Для обеспечения надежности (живучести) системы распределения сигналов единого точного времени желательно иметь две взаимно дополняющие друг друга подсистемы: подсистему распределения, использующую сигналы точного времени ГЛОНАСС, и подсистему распределения сигналов точного времени от государственного эталона времени и частоты по ВОЛП. Первая подсистема требует создания достаточного числа центров приема сигналов точного времени, взаимодействующих с системой распределения единого точного времени в сети связи общего пользования. Вторая может использовать как специально выделенные ВОЛП, связывающие государственный эталон с центрами хранения рабочих эталонов точного времени, так и ВОЛП, входящие в сеть связи и используемые для целей передачи данных и синхронизации.
При исследованиях метрологических характеристик систем распределения единого точного времени большую роль играют перевозимые эталонные часы, которые позволяют достоверно и с малыми погрешностями определять значения задержек распространения сигналов единого точного времени в средах и линиях передачи, имеющих значительную протяженность. Для подобных применений очень существенны массогабаритные характеристики перевозимых эталонных часов. Поэтому и в России, и в других государствах, имеющих национальные эталоны времени и частоты, ведутся работы по уменьшению габаритов и массы эталонных часов атомного времени.
Так, в Физическом институте имени Лебедева Российской академии наук (ФИАН) завершена разработка квантового дискриминатора – устройства, которое должно стать "сердцем" создаваемых исследователями миниатюрных атомных часов [11]. Объем квантового дискриминатора составляет 10 см3. Нестабильность часов, создаваемых специалистами ФИАН в сотрудничестве с учеными из Института лазерной физики Сибирского отделения РАН, составит 10-13. При этом общий объем часов не превысит 50 см3. Исследователи планируют завершить разработку часов к 2012 году. После этого должен быть налажен их промышленный выпуск.
В начале 2011 года американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов Chip Scale Atomic Clock (CSAC) SA.45s CSAC, габариты которых – 40,6×35,3×11,4 мм (рис.3). Их стабильность – 5⋅10-11/ч, масса – 35 г, потребляемая мощность 115 мВт [12].
Необходимо также отметить, что не прекращаются исследования, направленные на повышение стабильности шкалы атомного времени. Согласно опубликованной 4 февраля 2010 года информации [13], для атомных часов на основе ионов алюминия и магния экспериментально получена нестабильность, почти в 20 раз меньшая, чем у официального международного эталона.
Краткие выводы
Основной метрологической проблемой обеспечения единого точного времени является несовпадение шкал атомного и сидерического времени. Накапливающееся расхождение приводит к необходимости их синхронизации путем введения "скачущей" секунды, что превращает шкалу координированного времени UТС в кусочно-непрерывную.
В сети связи общего пользования необходимо создать систему распределения сигналов единого точного времени (СР СЕТВ), доступную всем потенциальным пользователям и обеспечивающую необходимую для решения их задач погрешность. Такая система должна стать основной составной частью единой системы координатно-временного и навигационного обеспечения Российской Федерации, под которой понимается интегрированная система, включающая технические, методические и нормативно-правовые составляющие.
В системе распределения единого точного времени должно быть обеспечено единство измерений путем создания соответствующего метрологического надзора, контролирующего вопросы технического, методического и нормативно-правового обеспечения процессов передачи и измерения единого точного времени.
Литература
1. Сидоренков Н.С. Нестабильность вращения земли. – Вестник Российской академии наук, 2004, т. 74, № 8, с.701–715.
2. ITU-R TF.460-6 (02/02) Передача сигналов стандартных частот и сигналов точного времени.
3. ГОСТ 8.129-99 Государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты.
4. Коновалов Г.В., Меккель А.М. Шкалы времени и их регламентация в Рекомендациях МСЭ. – В сборнике: Современные проблемы частотно-временного обеспечения сетей электросвязи. – М.: ФГУП ЦНИИС, 2010, с.8–27.
5. Приказ Министерства ин0формационных технологий и связи Российской Федерации от 7 декабря 2006 г. № 161 "Правила применения оборудования тактовой сетевой синхронизации".
6. Рекомендация отрасли Р 45.09-2001 Присоединение сетей операторов связи к базовой сети тактовой сетевой синхронизации.
7. Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 25 декабря 2009 г. № 184 "Об утверждении перечня измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, в части компетенции Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации".
8. Приказ Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от 8 апреля 2008 г. № 38 "Об утверждении Правил применения аппаратуры повременного учета продолжительности соединения".
9. Приказ Министерства информационных технологий и связи РФ от 2 июля 2007 г. № 73 "Об утверждении Правил применения автоматизированных систем расчетов".
10. Иванов А.В., Новожилов Е.О., Рыжков А.В. Способы передачи сигналов по волоконно-оптическим линиям и результаты эксперимента. – В сборнике: Современные проблемы частотно-временного обеспечения сетей электросвязи. – М.: ФГУП ЦНИИС, 2010, с. 159–170.
11. http://www.fian-inform.ru
12. http://www.symmetricom.com/products/frequency-references/chip-scale-atomic-clock-csac/SA.45s-CSAC/
13. NIST’s Second ‘Quantum Logic Clock’ Based on Aluminum Ion is Now World’s Most Precise Clock. – http://www.nist.gov
Отзывы читателей
