Международное атомное время: стандарт точности времени

Введение

Международное атомное время (сокращенно TAI, от французского названия temps atomique international) — высокоточный атомный стандарт координат времени, основанный на условном течении собственного времени на геоиде Земли. TAI представляет собой средневзвешенное значение времени, определяемое более чем 450 атомными часами в более чем 80 национальных лабораториях по всему миру. В настоящее время UTC отстает от TAI ровно на 37 секунд. Эти 37 секунд являются результатом первоначальной разницы в 10 секунд в начале 1972 года и 27 секунд внедрения високосных секунд в UTC с 1972 года. TAI может быть представлено с использованием традиционных способов указания дней, унаследованных от неравномерных стандартов времени, основанных на вращении Земли. В частности, используются юлианские дни и григорианский календарь. TAI в этой форме был синхронизирован с всемирным временем в начале 1958 года, и с тех пор они расходятся, главным образом из-за замедления вращения Земли.

Операция

TAI – это средневзвешенное значение времени, определяемое более чем 450 атомными часами, расположенными более чем в 80 национальных лабораториях по всему миру. Большинство используемых часов – цезиевые; определение секунды в Международной системе единиц (СИ) основано на цезии. Сравнение часов осуществляется с использованием сигналов GPS и двусторонней спутниковой передачи времени и частоты. Благодаря усреднению сигналов, TAI стабильнее своего лучшего составляющего часа на порядок. Каждое участвующее учреждение в реальном времени передает частотный сигнал с временными метками, представляющий собой их оценку TAI. Временные метки обычно публикуются в формате UTC, который отличается от TAI на известное целое число секунд. Эти шкалы времени обозначаются как UTC(NPL) в формате UTC, где NPL обозначает Национальную физическую лабораторию Великобритании. Формат TAI может быть обозначен как TAI(NPL). Последнее не следует путать с TA(NPL), обозначающим независимую атомную шкалу времени, не синхронизированную с TAI или чем-либо другим. Атомные часы в разных учреждениях регулярно сравниваются между собой. Международное бюро мер и весов (BIPM, Франция) объединяет эти измерения для ретроспективного вычисления средневзвешенного значения, формирующего наиболее стабильную временную шкалу и являющегося каноническим TAI. Эта шкала времени представляется в виде таблиц разностей UTC − UTC(k) (равных TAI − TAI(k)) для каждого участвующего учреждения k. Тот же циркуляр также содержит таблицы TAI − TA(k) для различных несинхронизированных атомных шкал времени. Ошибки в публикации могут быть исправлены путем выпуска пересмотра ошибочного циркуляра T или путем внесения исправлений в последующий циркуляр T. Однако, после публикации в циркуляре T, шкала TAI не пересматривается. Ретроспективно можно обнаружить ошибки в TAI и получить более точные оценки истинной шкалы времени. Поскольку опубликованные циркуляры являются окончательными, более точные оценки не приводят к созданию новой версии TAI, а рассматриваются как создание более качественной реализации наземного времени (TT).

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).

История

Ранние атомные шкалы времени состояли из кварцевых часов с частотами, откалиброванными по единым атомным часам; атомные часы не работали непрерывно. Экспериментальные услуги по атомному времени начались в 1955 году с использованием первых цезиевых атомных часов в Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL). Они использовались в качестве основы для калибровки кварцевых часов в Королевской Гринвичской обсерватории и для установления шкалы времени, названной Гринвичским атомным временем (GA). В США шкала A.1 была введена в действие 13 сентября 1956 года с использованием коммерческих атомных часов Atomichron, а 9 октября 1957 года – шкала NBS A в Национальном бюро стандартов, Боулдер, штат Колорадо. Международное бюро времени (BIH) начало использовать шкалу времени Tm или AM в июле 1955 года, используя как местные цезиевые часы, так и сравнения с удаленными часами по фазе радиосигналов ВLF. Шкалы BIH, A.1 и NBS A были определены эпохой начала 1958 года. Методы, используемые BIH, развивались, и название шкалы времени изменилось: A3 в 1964 году и TA(BIH) в 1969 году. Секунда СИ была определена на основе атома цезия в 1967 году. С 1971 по 1975 год Генеральная конференция по мерам и весам и Международный комитет по мерам и весам приняли ряд решений, которые определили шкалу времени BIPM как Международное атомное время (TAI). В 1970-х годах стало ясно, что часы, участвующие в TAI, идут с разной скоростью из-за гравитационного замедления времени, и объединенная шкала TAI, следовательно, соответствовала средней высоте расположения различных часов. Начиная с юлианской даты 2443144.5 (1 января 1977 года 00:00:00 TAI), к показаниям всех участвующих часов были применены поправки, чтобы TAI соответствовало собственному времени на геоиде (среднему уровню моря). Поскольку часы в среднем находились выше уровня моря, это означало, что TAI замедлилось примерно на одну часть в триллион. Предыдущая непоправленная шкала времени продолжает публиковаться под названием EAL (Échelle Atomique Libre, что означает «Свободная атомная шкала»). Момент, когда гравитационная поправка начала применяться, служит эпохой для барицентрического координатного времени (TCB), геоцентрического координатного времени (TCG) и земного времени (TT), которые представляют собой три фундаментальные шкалы времени в Солнечной системе. Все три эти шкалы времени были определены так, чтобы показывать JD 2443144.5003725 (1 января 1977 года 00:00:32.184) точно в этот момент. TAI впоследствии стало реализацией TT, с уравнением TT(TAI) = TAI + 32.184 с.

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.

В письме BIPM в ITU R от 2007 года было поставлен под вопрос дальнейшее существование TAI, в котором говорилось: «В случае переопределения UTC без введения дополнительных секунд CCTF рассмотрит возможность обсуждения вопроса о прекращении использования TAI, поскольку оно останется параллельным непрерывному UTC».

Отношение к UTC

В отличие от TAI, UTC является прерывистой временной шкалой. Он периодически корректируется вставками секунд. Между этими корректировками он состоит из сегментов, которые сопоставляются с атомным временем посредством постоянной поправки. С момента своего введения в 1961 году и до декабря 1971 года корректировки проводились регулярно с использованием дробных секунд, чтобы UTC приближался к UT2. Впоследствии эти корректировки стали производиться только целыми секундами для приближения к UT1. Это было компромиссным решением, чтобы обеспечить возможность публичной трансляции временной шкалы. Менее частые корректировки целыми секундами означали, что временная шкала будет более стабильной и проще в международной синхронизации. Тот факт, что UTC продолжает приближаться к UT1, означает, что такие задачи, как навигация, требующие источника всемирного времени, по-прежнему хорошо поддерживаются общедоступной трансляцией UTC.