Передача времени и частоты: точная синхронизация для науки и технологий. Методы передачи эталонного времени, применение в астрономии и связи. Точность до наносекунды.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Схема, в которой несколько объектов используют единое точное время или частоту.
Scheme where multiple sites share a precise reference time or frequency
Передача времени и частоты – это схема, в которой несколько объектов совместно используют точное эталонное время или частоту. Эта технология широко применяется для создания и распространения стандартных шкал времени, таких как Международное атомное время (TAI). Передача времени решает задачи, такие как корреляция наблюдаемых вспышек или других явлений между астрономическими обсерваториями, а также координация передачи сигнала между вышками сотовой связи при перемещении телефона из одной зоны покрытия в другую. Разработано множество методов, часто обеспечивающих передачу синхронизации эталонных генераторов из одной точки в другую, в том числе на большие расстояния. Достижение точности, близкой к одной наносекунде, экономически целесообразно для многих приложений в глобальном масштабе. Радио-навигационные системы часто используются как системы передачи времени. В некоторых случаях проводятся множественные измерения в течение определенного периода времени, а точная синхронизация времени определяется ретроспективно. В частности, синхронизация времени достигалась с помощью пар радиотелескопов, принимающих сигнал пульсара, при этом передача времени осуществляется путем сравнения временных сдвигов принятого пульсарного сигнала.
Time and frequency transfer is a scheme where multiple sites share a precise reference time or frequency. The technique is commonly used for creating and distributing standard time scales such as International Atomic Time (TAI). Time transfer solves problems such as astronomical observatories correlating observed flashes or other phenomena with each other, as well as cell phone towers coordinating handoffs as a phone moves from one cell to another. Multiple techniques have been developed, often transferring reference clock synchronization from one point to another, often over long distances. Accuracy approaching one nanosecond worldwide is economically practical for many applications. Radio based navigation systems are frequently used as time transfer systems. In some cases, multiple measurements are made over a period of time, and exact time synchronization is determined retrospectively. In particular, time synchronization has been accomplished by using pairs of radio telescopes to listen to a pulsar, with the time transfer accomplished by comparing time offsets of the received pulsar signal.
Односторонний
В односторонней системе передачи времени один конец передает свое текущее время по каналу связи одному или нескольким приемникам. Приемники, получив сообщение, декодируют его и либо просто сообщают время, либо корректируют свои местные часы, которые могут выдавать информацию о времени между получением сообщений. Преимущество односторонних систем заключается в их технической простоте и возможности обслуживания множества приемников, поскольку передатчик не осведомлен о наличии приемников. Главный недостаток односторонней системы передачи времени – это некомпенсированные задержки распространения сигнала в канале связи, за исключением некоторых передовых систем. Примерами односторонней системы передачи времени служат часы на церковных или городских зданиях и звон их колоколов, сигналы радиочасов, такие как LORAN, DCF77 и MSF, и, наконец, глобальная система позиционирования, использующая множественные односторонние передачи времени с разных спутников, а также данные о местоположении и другие передовые средства компенсации задержек, позволяющие приемникам компенсировать информацию о времени и положении в реальном времени.
In a one way time transfer system, one end transmits its current time over some communication channel to one or more receivers. The receivers will, at reception, decode the message, and either just report the time, or adjust a local clock which can provide hold over time reports in between the reception of messages. The advantage of one way systems is that they can be technically simple and serve many receivers, as the transmitter is unaware of the receivers. The principal drawback of the one way time transfer system is that propagation delays of the communication channel remain uncompensated except in some advanced systems. Examples of a one way time transfer system are the clock on a church or town building and the ringing of their time indication bells; time balls, radio clock signals such as LORAN, DCF77 and MSF; and finally the Global Positioning System which uses multiple one way time transfers from different satellites, with positional information and other advanced means of delay compensations to allow receiver compensation of time and position information in real time.
Двусторонний
В двухсторонней системе передачи времени оба узла будут как передавать, так и принимать сообщения друг друга, тем самым осуществляя две односторонние передачи времени для определения разницы между удалёнными и локальными часами, на основе Java-апплетов, загруженных каждым клиентом. Двусторонняя спутниковая система передачи времени и частоты (TWSTFT), используемая для сравнения времени в некоторых временных лабораториях, использует спутник в качестве общего канала связи между лабораториями. Протокол сетевого времени (NTP) использует пакетные сообщения, передаваемые по IP-сети.
In a two way time transfer system, the two peers will both transmit, and will also receive each other's messages, thus performing two one way time transfers to determine the difference between the remote clock and the local clock. based on Java applets loaded by each client. The two way satellite time and frequency transfer (TWSTFT) system being used in comparison among some time laboratories uses a satellite for a common link between the laboratories. The Network Time Protocol uses packet based messages over an IP network.
Общее мнение
Разница во времени между двумя часами может быть определена путем одновременного сравнения каждого из них с общим опорным сигналом, который может быть принят в обеих точках. До тех пор, пока обе конечные станции принимают один и тот же спутниковый сигнал одновременно, точность источника сигнала не имеет значения. Не имеет значения природа принимаемого сигнала, хотя широкодоступные системы времени и навигации, такие как GPS или LORAN, являются удобными. Точность определения времени, передаваемого таким образом, обычно составляет 1–10 нс.
The time difference between two clocks may be determined by simultaneously comparing each clock to a common reference signal that may be received at both sites. As long as both end stations receive the same satellite signal at the same time, the accuracy of the signal source is not important. The nature of the received signal is not important, although widely available timing and navigation systems such as GPS or LORAN are convenient. The accuracy of time transferred in this way is typically 1–10 ns.
ГНСС
С появлением GPS и других спутниковых навигационных систем, высокоточная, но доступная синхронизация стала доступна во многих коммерческих GNSS-приемниках. Изначальная конструкция системы предполагала общую точность синхронизации лучше 340 наносекунд в "грубом режиме" и 200 нс в режиме высокой точности. GPS-приемник функционирует, точно измеряя время прохождения сигналов, принимаемых от нескольких спутников. Эти расстояния, в сочетании с точной информацией об орбите, определяют местоположение приемника. Точная синхронизация является фундаментальной для точного определения местоположения GPS. Время, измеренное атомными часами на борту каждого спутника, кодируется в радиосигнал; приемник определяет, с какой задержкой он получил сигнал по сравнению с моментом его отправки. Для этого локальные часы корректируются по времени атомных часов GPS путем решения задачи определения трех пространственных координат и времени на основе сигналов от четырех или более спутников. Усовершенствования алгоритмов позволяют многим современным недорогим GPS-приемникам достигать точности определения местоположения лучше 10 метров, что соответствует точности синхронизации около 30 нс. Лабораторные эталоны времени на основе GPS обычно достигают точности 10 нс.
Since the advent of GPS and other satellite navigation systems, highly precise, yet affordable timing is available from many commercial GNSS receivers. Its initial system design expected general timing precision better than 340 nanoseconds using low grade "coarse mode" and 200 ns in precision mode. A GPS receiver functions by precisely measuring the transit time of signals received from several satellites. These distances combined geometrically with precise orbital information identify the location of the receiver. Precise timing is fundamental to an accurate GPS location. The time from an atomic clock onboard each satellite is encoded into the radio signal; the receiver determines how much later it received the signal than it was sent. To do this, a local clock is corrected to the GPS atomic clock time by solving for three dimensions and time based on four or more satellite signals. Improvements in algorithms lead many modern low cost GPS receivers to achieve better than 10 meter accuracy, which implies a timing accuracy of about 30 ns. GPS based laboratory time references routinely achieve 10 ns precision.