TRANSFER I SYNCHRONIZACJA CZASU

TRANSFER I SYNCHRONIZACJA CZASU
Precyzyjna synchronizacja jest niezbędna w bardzo wielu dziedzinach, od telekomunikacji, datowania operacji
bankowych i transakcji handlowych, po sieci energetyczne, nawigację, wojskowość i badania przestrzeni
kosmicznej. Dzięki globalnemu zasięgowi i dużej dokładności techniki satelitarne już w latach 80. ubiegłego
wieku zaczęły wypierać naziemne systemy transferu czasu i częstotliwości.
1.
Dzisiejsze metody transferu i synchronizacji czasu z użyciem satelitów
Dzisiaj metody satelitarne są najpowszechniej stosowanymi sposobami transferu czasu i częstotliwości między
laboratoriami. Metoda obserwacji synchronicznych (common-view) satelitów GNSS oraz metoda
dwukierunkowego satelitarnego transferu czasu i częstotliwości TWSTFT (Two-Way Satellite Time and
Frequency Transfer) z użyciem satelitów telekomunikacyjnych pozwalają na porównanie wzorców czasu
znajdujących się w odległości tysięcy kilometrów.
1.1.Metoda obserwacji synchronicznych (common-view)
Każdy sposób nawigacji polega na dokładnych pomiarach i porównaniach czasu, dlatego zegary atomowe są
podstawowymi instrumentami znajdującymi się na pokładzie satelitów nawigacyjnych. Już w fazie projektów
i prób systemu GPS w latach 70-tych XX wieku, dostrzeżono jego przydatność do transferów czasu.
Po raz pierwszy zastosowano GPS w tworzeniu TAI w 1981 r. (wówczas w tej dziedzinie największą rolę pełnił
radionawigacyjny system Loran C i metoda telewizyjna), w roku 1998 stosowały go już wszystkie laboratoria
czasu.
60
50
40
30
20
liczba laboratoriów
laboratoria stosujące c-v GPS
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
0
1981
10
rok
laboratoria stosujące TWSTFT
Laboratoria i metody transferu czasu biorące udział w tworzeniu TAI.
Każdy system GNSS – amerykański GPS, rosyjski Glonass, w przyszłości również europejski Galileo – można
wykorzystać do porównania dwóch odległych zegarów na trzy sposoby:
• sukcesywne obserwacje tego samego satelity przez dwie stacje,
• metodą obserwacji synchronicznych common-view,
• metodą all-in-view.
Lab. A
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
Lab. B
Obecnie podstawowym sposobem transferu czasu stosowanym przez
laboratoria czasu i częstotliwości jest common-view. Metoda ta polega
na jednoczesnych obserwacjach tego samego satelity nawigacyjnego
przez dwie stacje. Obie wyznaczają różnicę między czasem swojego
zegara, a czasem systemu GNSS. Porównanie czasu laboratoriów
dokonywane jest poprzez odjęcie tych różnic.
Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na dokładność
dystrybucji i porównań czasu za pomocą GNSS są:
– niepewność nadawanych przez satelitę efemeryd,
– błędy zegara satelity,
– refrakcja jonosferyczna,
www.kosmos.gov.pl
–
–
–
–
–
refrakcja troposferyczna,
błędy związane z opóźnieniami wewnętrznymi odbiorników,
efekty związane z odbiciami sygnałów GPS,
niedokładność współrzędnych anteny odbiornika,
brak ujednolicenia technicznego i programowego odbiorników.
Niepewność satelitarnych efemeryd przyjmuje wartości między 2 a 30 m. Wpływ tego czynnika na transfer
czasu jest redukowany w metodzie common-view stosowanej na krótkie odległości (do 1000 km), jednak przy
pomiarach międzykontynentalnych może sięgać dziesiątków nanosekund dla pojedynczego pomiaru. Dlatego
w opracowaniu porównań czasu na duże odległości stosuje się efemerydy precyzyjne udostępniane przez IGS
(International GNSS Service).
Błędy zegara satelity miały duży wpływ na bezpośrednie porównania czasu do maja 2000 r., kiedy wyłączono
SA (Selective Availability). Metoda obserwacji synchronicznych eliminuje wpływ tego czynnika.
Grubość jonosfery i intensywność jonizacji zmieniają się w cyklach wieloletnich, rocznych i dobowych oraz
w sposób przypadkowy. Wpływ jonosfery na sygnał GNSS jest funkcją wielu czynników zmiennych w czasie:
aktywności słonecznej, pory dnia (duże znaczenie wschodów i zachodów słońca), a także położenia
geograficznego miejsca odbioru sygnału, wysokości zenitalnej satelity oraz częstotliwości nadawania sygnału.
Opóźnienie jonosferyczne w odbiornikach jednoczęstotliwościowych jest modelowane na podstawie parametrów
nadawanych w depeszy; w pomiarach odbiorników dwuczęstotliwościowych jest obliczane na podstawie różnicy
czasu propagacji sygnału na dwu częstotliwościach i w ten sposób błąd wynikający z refrakcji jonosferycznej
jest redukowany do około 1 ns. Wpływ jonosfery redukuje się częściowo w technikach różnicowych (także
w metodzie common-view), jednak w porównaniach czasu na duże odległości (powyżej 5000 km) może
powodować błąd rzędu nawet 50 ns. Z tego powodu do opracowania wyników transferu czasu wprowadza się
poprawki jonosferyczne, obliczane na podstawie udostępnianych przez IGS map jonosfery lub używa się
kombinacji kodów precyzyjnych P1 i P2 (tzw. P3), która jest wolna od opóźnienia jonosferycznego.
Refrakcja troposferyczna jest przede wszystkim funkcją ciśnienia atmosferycznego, temperatury powietrza oraz
zawartości pary wodnej; nie zależy od częstotliwości sygnału. Jej wpływ na sygnał GPS jest związany także
z wysokością horyzontalną satelity. Do oszacowania poprawki troposferycznej stosuje się proste modele
zapewniające dokładność rzędu 1 ns.
Całkowite opóźnienie sygnału pochodzące od atmosfery dla satelity znajdującego się w zenicie wynosi ok. 7 ns
i, przy założeniu izotropowości atmosfery, zwiększa się proporcjonalnie do funkcji cosecans wysokości
horyzontalnej satelity osiągając wartość ok. 83 ns dla wysokości 5°.
Błędy związane z opóźnieniami wewnętrznymi odbiorników wyznacza się poprzez kalibrację. Jako odniesienie
stosuje się inne odbiorniki, najczęściej odbiorniki GPS/Glonass pracujące w BIPM, Obserwatorium Paryskim
lub w NIST. Przy stosowaniu systemu Glonass, którego satelity nadają na różnych częstotliwościach, jest
konieczne obliczanie opóźnienia sygnału w danym odbiorniku dla każdej częstotliwości z osobna.
Odbiorniki, a także kable łączące lokalne wzorce czasu i anteny z odbiornikami wykazują dużą wrażliwość
opóźnienia na zmiany temperatury. Dlatego zaleca się utrzymywanie stałej temperatury w otoczeniu odbiornika
i stosowanie możliwie krótkich przewodów do podłączenia anteny.
Odbicia sygnału GPS od obiektów znajdujących się w pobliżu anten powodują wydłużenie jego drogi. Efekty
z nimi związane mogą sięgać kilkudziesięciu ns, jednak podczas 13-minutowych obserwacji common-view ich
wpływ jest redukowany przez uśrednianie w trakcie dokonywania obliczeń przez odbiornik.
Niedokładność pozycji anteny rzędu kilku lub kilkunastu metrów prowadzi do błędów porównania czasu
sięgających kilkudziesięciu nanosekund. Z tego powodu współrzędne anten wyznaczane są metodami obserwacji
geodezyjnych GPS pozwalającymi uzyskać dokładność rzędu centymetrów.
Techniczne i programowe ujednolicenie odbiorników czasowych jest regulowane przez BIPM zgodnie
z zaleceniami CCTF (Consultative Committee for Time and Frequency).
Precyzja porównań metodą synchroniczną za pomocą odbiorników jednokanałowych i kodu C/A GPS wynosi
5 ns, przy użyciu odbiorników wielokanałowych jest lepsza od 2,5 ns. Zastosowanie kombinacji (P3) kodów
precyzyjnych P1 i P2, która uwalnia obserwacje od wpływu opóźnienia jonosferycznego, oraz zastosowanie
w obliczeniach orbit precyzyjnych umożliwia uzyskanie precyzji rzędu 1 ns. Dokładność jednak pozostaje
ograniczona do 5 ns, co jest spowodowane niestabilnością hardware’u odbiorników.
1.2.Metoda dwukierunkowa TWSTFT
Technika dwukierunkowego transferu czasu TWSTFT nie wykorzystuje satelitów GNSS, a geostacjonarne
satelity telekomunikacyjne. Jednak należy tutaj o niej wspomnieć ze
Schemat transferu czasu metodą common-view.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
względu na jej rosnące znaczenie w międzynarodowych porównaniach czasu. Już w 1962 r. do transferu czasu
użyto pierwszego satelity przeznaczonego do telekomunikacji TELSTAR (porównanie między Royal Greenwich
Observatory w Wielkiej Brytanii i U. S. Naval Observatory w Waszyngtonie). Pierwszej synchronizacji zegarów
satelitarną metodą dwukierunkową dokonano z niepewnością 1 µs.
W tej metodzie dwa laboratoria jednocześnie wysyłają sygnały czasu.
Impuls wysłany przez jedną stację uruchamia w niej licznik
interwałów czasu, jest odbierany przez przekaźnik na satelicie
i retransmitowany do stacji drugiej, w której zatrzymuje licznik.
Porównanie wskazań liczników daje różnicę czasu między
laboratoriami. Szumy transmisji sygnałów eliminują się w różnicy.
Aktualnie porównań metodą TWSTF dokonuje 19 stacji, za
pośrednictwem satelitów INTELSAT 307°E (Europa, Ameryka
Północna), JCSAT-1B 150°E, PAS-8, INTELSAT 802 174°E (Azja,
rejon Pacyfiku).
Obecna precyzja tej metody jest rzędu 0,5 ns a dokładność 1 ns.
Oczekuje się, że w ciągu najbliższych kilku lat jej precyzja wzrośnie do
kilkudziesięciu pikosekund.
2.
Lab. A
Lab. B
Schemat transferu czasu metodą TWSTFT.
Transfer czasu metodami satelitarnymi w Polsce
Metodę common-view stosują wszystkie laboratoria
biorące udział w tworzeniu polskiej skali czasu
atomowego TA(PL). Od listopada 2006 metodą
TWSTFT jako pierwsze w Polsce dysponuje
Obserwatorium Astrogeodynamiczne CBK PAN
w Borowcu.
W dziedzinie transferu czasu metodami satelitarnymi
wyróżnia się kierowane przez dr. Jerzego
Nawrockiego laboratorium czasu Obserwatorium
Astrogeodynamicznego CBK PAN w Borowcu
(AOS).
Udział AOS w konsorcjum Galileo Time Service
Provider (GTSP) opracowującego skalę czasu na
potrzeby Galileo oraz w Precise Time Facility (PTF),
stanowi jak dotąd jedyny wkład Polski w konstrukcję
tego systemu nawigacji.
Polska skala czasu atomowego TA(PL) tworzona jest w oparciu
o wskazania zegarów pracujących w 8 instytutach znajdujących się
w Polsce i na Litwie:
• Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK PAN w Borowcu
(zegar cezowy i maser wodorowy),
• Centrum Badawczo-Rozwojowym Telekomunikacji Polskiej SA
(3 Cs),
• Centralnym Ośrodku Metrologii Wojskowej (1 Cs),
• Głównym Urzędzie Miar (3 Cs i 1 Hm),
• Instytucie Łączności (3 Cs),
• Instytucie Tele- i Radiotechnicznym (2 Cs),
• 1 Specjalistycznym Ośrodku Metrologii Wojsk Lotniczych i
Obrony Powietrznej (1 Hm)
• litewskim Instytucie Fizyki Półprzewodników w Wilnie (2 Cs).
Główny Urząd Miar oraz Obserwatorium Astrogeodynamiczne CBK
PAN są dowiązane za pomocą wielokanałowych obserwacji
common-view GPS do TAI.
Od prawie dziesięciu lat w AOS konstruowane są odbiorniki sygnałów
czasu TTS (Time Transfer System), w które wyposażonych jest już
ponad 30 laboratoriów na całym świecie. Najnowsza wersja odbiornika
– TTS-3 umożliwia odbiór sygnału rosyjskiego systemu nawigacji
Glonass i rekonstrukcję kodu precyzyjnego (także P3) GPS. Planowane
jest opracowanie odbiornika TTS-4, który będzie odbierał sygnał
Galileo.
Odbiornik TTS3. Źródło: CBK PAN.
Obserwatorium w Borowcu odpowiedzialne jest również za
dostarczanie do BIPMu obserwacji Glonass na potrzeby dowiązania czasu Glonass do czasu uniwersalnego
skoordynowanego (UTC).
Obok Głównego Urzędu Miar, AOS jest także jednym z dwóch laboratoriów dowiązujących Polskę do UTC.
Rozwojem technik transferu czasu zajmują się wszystkie laboratoria tworzące polską skalę czasu atomowego
TA(PL).
3.
Przyszłość satelitarnych technik transferu czasu
Z pewnością przyszłość technik transferu czasu wiąże się z rozwojem technologii satelitarnych. Zakłada się, że
w 2012 będą już w pełni operacyjne trzy niezależne systemy nawigacyjne. Uniezależni to precyzyjny transfer
czasu od jednego państwa, zapewni dostępność sygnału niemal na całej kuli ziemskiej i poprzez zwiększenie
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
liczby obserwacji poprawi precyzję porównań skal czasu. Poprawa stabilności zegarów na satelitach i ułatwienie
dostępu do poprawek jonosferycznych w sygnale zwiększą dokładność jednokierunkowej synchronizacji.
W 2020 roku Polska będzie znaczącym światowym producentem wielosystemowych odbiorników na potrzeby
porównań skal czasu. W ramach Galileo Time Service Provider i Precise Time Facility w 2020 r. Polska będzie
zajmowała się m. in. kalibracją odbiorników i udoskonalaniem metod transferu czasu.
Trwają prace nad transferem czasu za pomocą obserwacji fazowych systemów GPS i Glonass (metoda
geodezyjna Precise Point Positioning, PPP), jednak w 2020 r. techniki GNSS common-view i all-in-view oraz
nowe generacje TWSTFT pozostaną głównymi narzędziami stosowanymi w tej dziedzinie.
4. Bariery w stosowaniu technik satelitarnych do transferu czasu
Dzisiaj common-view i all-in-view zajmują stabilną pozycję w porównywaniu laboratoryjnych wzorców czasu.
Dobrze znane metody opracowywania danych i przystępna cena odbiorników sprawiają, że te techniki są
dostępne dla wszystkich instytucji zajmujących się precyzyjnym transferem czasu.
Przeszkodami w stosowaniu techniki TWSTFT są jeszcze duże koszty anteny z nadajnikiem oraz opłaty za
wynajęcie transpondera na satelicie. Ze względu na położenie geograficzne niektóre laboratoria mają problemy
z widocznością satelitów komunikacyjnych służących do transferu czasu.
Opracowanie: A. Foks-Ryznar
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl