Атомдық сағаттар негізіндегі уақыт стандарты

Кіріспе

Халықаралық атом уақыты (қысқаша TAI, француз тілінде temps atomique international) – Жердің геоидіндегі нақты уақыттың шартты өтуіне негізделген, жоғары дәлдікті атомдық координаттық уақыт стандарты. TAI – әлемдегі 80-нен астам ұлттық зертханадағы 450-ден астам атомдық сағаттардың өлшеген уақытының салмақты орташасы. UTC қазіргі таңда TAI-дан тура 37 секундқа қалып қойған. Бұл 37 секунд 1972 жылдың басындағы 10 секундтық бастапқы айырмашылықтан және 1972 жылдан бері UTC-де болған 27 секундтық секірістен туындады. TAI Жердің айналысына негізделген біркелкі емес уақыт стандарттарынан мұраға қалған күндерді көрсетудің дәстүрлі тәсілдерін пайдаланып берілуі мүмкін. Атап айтқанда, юлиандық күндер мен григориандық күнтізбе қолданылады. TAI осы форматта 1958 жылдың басында әмбебап уақытпен синхронды болды, содан бері Жердің айналуының баяулауына байланысты екеуінің арасы алшақтап келеді.

Операция

ТАИ – әлемдегі 80-нен астам ұлттық зертханадағы 450-ден астам атомдық сағаттың тіркелген уақытының салмақты орташасы. Осы сағаттардың көпшілігі цезийлік сағаттар; Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) секундтың анықтамасы цезийге негізделген. Сағаттар GPS сигналдары және екі тарапты спутниктік уақыт пен жиілік алмасу арқылы салыстырылады. Сигналды орташалаудың нәтижесінде TAI ең жақсы құрамындағы сағаттан әлдеқайда тұрақты. Қатысушы мекемелердің әрқайсысы уақыт кодтарымен бірге жиілік сигналын нақты уақытта таратып, осылайша TAI-ді бағалайды. Уақыт кодтары көбінесе UTC нысанында жарияланады, ол TAI-ден белгілі бір толық секунд санымен ерекшеленеді. Бұл уақыт шкалалары UTC(NPL) нысанында көрсетіледі, мұнда NPL – Ұлыбританияның Ұлттық физикалық зертханасын білдіреді. TAI нысаны TAI(NPL) деп белгіленуі мүмкін. Екіншісін TAI немесе басқа нәрсеге синхрондалмаған тәуелсіз атомдық уақыт шкаласын білдіретін TA(NPL)мен шатастырмау керек. Әртүрлі мекемелердегі сағаттар үнемі бір-бірімен салыстырылады. Халықаралық салмақтар мен өлшемдер бюросы (BIPM, Франция) осы өлшемдерді біріктіріп, ең тұрақты уақыт шкаласын құрайтын салмақты орташа есепті кейіннен есептейді, ол канонды TAI болып табылады. Бұл уақыт шкаласы әрбір қатысушы k мекемесі үшін UTC – UTC(k) (TAI – TAI(k) тең) айырмашылықтарының кестесі түрінде беріледі. Жарияланған қателер бұрыс Circular T-ны қайта қарау арқылы немесе келесі Circular T-дағы түсіндірулер арқылы түзетілуі мүмкін. Одан басқа, TAI шкаласы Circular T-да жарияланғаннан кейін қайта қарастырылмайды. Кейіннен TAI-де қателерді анықтауға және нақты уақытты жақсырақ бағалауға болады. Бірақ жарияланған айналымдар түпкілікті болғандықтан, жақсырақ бағалаулар TAI-дің жаңа нұсқасын жасамайды, оның орнына Жер уақытының (TT) жақсырақ іске асырылуы болып есептеледі.

TAI is a weighted average of the time kept by over 450 atomic clocks in over 80 national laboratories worldwide. The majority of the clocks involved are caesium clocks; the International System of Units (SI) definition of the second is based on caesium. The clocks are compared using GPS signals and two way satellite time and frequency transfer. Due to the signal averaging TAI is an order of magnitude more stable than its best constituent clock. The participating institutions each broadcast, in real time, a frequency signal with timecodes, which is their estimate of TAI. Time codes are usually published in the form of UTC, which differs from TAI by a well known integer number of seconds. These time scales are denoted in the form UTC(NPL) in the UTC form, where NPL here identifies the National Physical Laboratory, UK. The TAI form may be denoted TAI(NPL). The latter is not to be confused with TA(NPL), which denotes an independent atomic time scale, not synchronised to TAI or to anything else. The clocks at different institutions are regularly compared against each other. The International Bureau of Weights and Measures (BIPM, France), combines these measurements to retrospectively calculate the weighted average that forms the most stable time scale possible. and is the canonical TAI. This time scale is expressed in the form of tables of differences UTC − UTC(k) (equal to TAI − TAI(k)) for each participating institution k. The same circular also gives tables of TAI − TA(k), for the various unsynchronised atomic time scales. Errors in publication may be corrected by issuing a revision of the faulty Circular T or by errata in a subsequent Circular T. Aside from this, once published in Circular T, the TAI scale is not revised. In hindsight, it is possible to discover errors in TAI and to make better estimates of the true proper time scale. Since the published circulars are definitive, better estimates do not create another version of TAI; it is instead considered to be creating a better realisation of Terrestrial Time (TT).

Тарих

Ертедегі атомдық уақыт шкалалары бір атомдық сағатпен калибрленген жиіліктері бар кварц сағаттарынан тұратын; атомдық сағаттар үнемі жұмыс істемеген. Атомдық уақытты өлшеу қызметі 1955 жылы Ұлыбританияның Ұлттық физикалық зертханасында (NPL) алғашқы цезий атом сағатын пайдалану арқылы тәжірибелік түрде басталды. Ол Гринвичтегі Корольдік обсерваториядағы кварц сағаттарын калибрлеу және Гринвич атомдық (GA) деп аталатын уақыт шкаласын құру үшін негіз ретінде қолданылды. АҚШ Әскери-теңіз обсерваториясы 1956 жылдың 13 қыркүйегінде А.1 шкаласын Atomichron коммерциялық атом сағатын пайдалана отырып бастады, содан кейін 1957 жылдың 9 қазанында Колорадо штатының Боулдер қаласындағы Ұлттық стандарттар бюросында NBS A шкаласы пайда болды. Халықаралық уақыт бюросы (BIH) 1955 жылдың шілдесінде жергілікті цезий сағаттарын және VLF радиосигналдарының фазасын пайдалана отырып, алыс сағаттармен салыстыруды қолдана отырып, Tm немесе AM уақыт шкаласын бастады. BIH шкаласы, A.1 және NBS A 1958 жылдың басында белгілі бір кезеңмен анықталды. BIH қолданған процедуралар дамыды, ал уақыт шкаласының атауы өзгерді: 1964 жылы A3 және 1969 жылы TA(BIH). SI секунды 1967 жылы цезий атомы бойынша анықталды. 1971 жылдан 1975 жылға дейін салмақтар мен өлшемдер жөніндегі Бас конференция және салмақтар мен өлшемдер жөніндегі халықаралық комитет BIPM уақыт шкаласын Халықаралық атомдық уақыт (TAI) деп белгілеген бірқатар шешімдер қабылдады. 1970 жылдары TAI-ға қатысатын сағаттар гравитациялық уақыттың өзгеруіне байланысты әртүрлі жылдамдықпен жүргені анықталды, сондықтан біріктірілген TAI шкаласы әртүрлі сағаттардың биіктіктерінің орташасына сәйкес келді. 2443144.5 (1 қаңтар 1977 жылғы 00:00:00 TAI) сәтінен бастап барлық сағаттардың нәтижесіне түзетулер енгізілді, сонда TAI геоидтағы (теңіз деңгейінің орташасы) нақты уақытқа сәйкес келеді. Сағаттардың көпшілігі теңіз деңгейінен жоғары орналасқандықтан, бұл TAI-дің жылдамдығы триллионның бір бөлігіне тең болды. Бұрынғы түзетілмеген уақыт шкаласы EAL (Échelle Atomique Libre, яғни еркін атомдық шкала) атауымен жариялануын жалғастыруда. Гравитациялық түзету қолданыла бастаған сәт, Күн жүйесіндегі үш негізгі уақыт шкаласын көрсететін Барицентрлік координаталық уақыт (TCB), Геоцентрлік координаталық уақыт (TCG) және Жер уақыты (TT) үшін кезең ретінде қызмет етеді. Бұл уақыт шкалаларының үшеуі де дәл сол сәтте JD 2443144.5003725 (1 қаңтар 1977 жылғы 00:00:32.184) деп анықталды. TAI осыдан кейін TT-нің іске асырылуы болды, TT(TAI) = TAI + 32.184 с теңдеуімен.

Early atomic time scales consisted of quartz clocks with frequencies calibrated by a single atomic clock; the atomic clocks were not operated continuously. Atomic timekeeping services started experimentally in 1955, using the first caesium atomic clock at the National Physical Laboratory, UK (NPL). It was used as a basis for calibrating the quartz clocks at the Royal Greenwich Observatory and to establish a time scale, called Greenwich Atomic (GA). The United States Naval Observatory began the A.1 scale on 13 September 1956, using an Atomichron commercial atomic clock, followed by the NBS A scale at the National Bureau of Standards, Boulder, Colorado on 9 October 1957. The International Time Bureau (BIH) began a time scale, Tm or AM, in July 1955, using both local caesium clocks and comparisons to distant clocks using the phase of VLF radio signals. The BIH scale, A.1, and NBS A were defined by an epoch at the beginning of 1958 The procedures used by the BIH evolved, and the name for the time scale changed: A3 in 1964 and TA(BIH) in 1969. The SI second was defined in terms of the caesium atom in 1967. From 1971 to 1975 the General Conference on Weights and Measures and the International Committee for Weights and Measures made a series of decisions that designated the BIPM time scale International Atomic Time (TAI). In the 1970s, it became clear that the clocks participating in TAI were ticking at different rates due to gravitational time dilation, and the combined TAI scale, therefore, corresponded to an average of the altitudes of the various clocks. Starting from the Julian Date 2443144.5 (1 January 1977 00:00:00 TAI), corrections were applied to the output of all participating clocks, so that TAI would correspond to proper time at the geoid (mean sea level). Because the clocks were, on average, well above sea level, this meant that TAI slowed by about one part in a trillion. The former uncorrected time scale continues to be published under the name EAL (Échelle Atomique Libre, meaning Free Atomic Scale). The instant that the gravitational correction started to be applied serves as the epoch for Barycentric Coordinate Time (TCB), Geocentric Coordinate Time (TCG), and Terrestrial Time (TT), which represent three fundamental time scales in the solar system. All three of these time scales were defined to read JD 2443144.5003725 (1 January 1977 00:00:32.184) exactly at that instant. TAI was henceforth a realisation of TT, with the equation TT(TAI) = TAI + 32.184 s.

TAI-нің жалғасуы 2007 жылғы BIPM-нің ITU R-ге жолдаған хатында сұрақ тудырды, онда: "UTC серпіліс секундтарынсыз қайта анықталған жағдайда, CCTF TAI-ді тоқтату мүмкіндігін қарастырады, өйткені ол үздіксіз UTC-ге параллель болып қалады".

UTC-ге қатынасы

TAI-дан өзгеше, UTC үздіксіз емес уақыт шкаласы болып табылады. Ол кейде секундтық түзетулермен реттеледі. Бұл түзетулер аралығында ол атомдық уақытқа тұрақты қатемен сәйкестендірілген кезеңдерден тұрады. 1961 жылдан 1971 жылдың желтоқсанына дейін түзетулер үнемі бөлшек секундтық түзетулермен жасалып, UTC UT2-ге жақын болды. Соңынан бұл түзетулер UT1-ге жақын үшін толық секундтармен ғана жасалды. Бұл - жалпыға қолжетімді уақыт шкаласын жасау үшін жасалған келісім. Түзетулердің сиректетілуі уақыт шкаласын тұрақтырақ және халықаралық синхронизацияны жеңілдетті. Оның UT1-ге жақындығын сақтауы, Универсалды уақыт көзін қажет ететін навигация сияқты тапсырмалар UTC-нің жалпыға таратылуы арқылы жақсы қызмет ете беретінін білдіреді.