TRANSFER I SYNCHRONIZACJA CZASU
Transkrypt
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