Gps, атомных тактовых частот и возрастающей точности gps

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Время GPS, частоты атомных часов и повышение точности GPS

GPS, как мы знаем, требует точности атомных часов. В этой статье рассматривается важность времени для GPS и часов, которые его предоставляют.

GPS: положение и время

Глобальная система позиционирования США (GPS) обеспечивает сигналы положения, навигации и времени (PNT), которые транслируют трехмерные позиции (долготу, широту, высоту) и время для каждого спутника. Приемники GPS со специализированным программным обеспечением и картографическими приложениями определяют расстояния, используемые для триангуляции местоположения приемника. Приемник GPS находит сигнал, синхронизируется с ним, а затем использует свой собственный генератор для определения задержки приема. Эта задержка становится временем пролета со спутника. Умножается на скорость света, c, определяется расстояние от приемника до спутника.

В дополнение к данным позиционирования, атомные часы GPS настолько точны, что GPS стал стандартом времени для многих приложений. Время GPS используется для синхронизации транзакций беспроводной связи и временных меток; он используется цифровыми вещателями, доплеровскими радарами и многими приложениями для планирования.

Расположение местоположений и системы спутникового слежения не всегда опирались на точное время атомных часов. ВМС США традиционно использовали навигационные углы по отношению к звездам. Первая глобальная система позиционирования, разработанная Guier и Weiffenbach, была основана на допплеровском сдвиге, определяющем положение, основанное на изменении частоты передаваемых сигналов спутника. Система Minitrack, как ее называли, сравнивала различные углы входящих радиосигналов на парных антеннах.

Спутниковые системы слежения передавали непрерывную волну от наземного передатчика и обнаруживали эхо-сигналы от спутников. Для этого потребовался точный временной интервал для измерения и синхронизации переданных и принятых сигналов. В 1964 году Роджер Истон понял, что, поставив часы на спутники (впервые запущенные в конце 1950-х годов), один источник мог передавать время как передатчику, так и приемнику. Космическая синхронизация привела к созданию нового поколения GPS, с высокоточными атомными часами, размещенными на каждом спутнике. GPS, как мы знаем, не может существовать без атомных часов.

Что такое GPS Time «Время GPS» отличается от систем времени на основе Земли, таких как Coordinated Universal Time (UTC). UTC должен учитывать прохождение Земли через годы и годы. Мы все знакомы с исправлениями, необходимыми для революций Земли. Наши календари регулярно планируют «високосные годы», и иногда добавляется «прыжок второй» (последний в декабре 2016 года)

Время GPS, для сравнения, не должно отражать движения Земли. Спутники не нуждаются в «скачках» вторых или других исправлений. С самого начала в полночь с 5 по 6 января 1980 года время GPS было непрерывным отсчетом секунд с этой даты.

Как показано в Таблице 1, когда время GPS было начато в 1980 году, время UTC и GPS было одинаковым, увеличиваясь еще больше, как секунды прыжка, накопленные за эти годы. Время GPS подсчитывается в циклах, неделях, днях и секундах.

Таблица 1. Секунды и время GPS

Для любопытных вы можете увидеть живое сравнение местных, UTC, GPS, Loran и TAI раз здесь.

Вопрос времени

Стандарт времени в США был установлен сначала Национальным бюро стандартов, ныне известным как Национальный институт стандартов и технологий (NIST). Периодичность работы была обеспечена различными средствами по мере развития науки и техники. На рисунке 1 показана временная шкала.

Рисунок 1. Хранители времени на протяжении веков

Определение второй, фундаментальной единицы времени основных физических систем, изменилось с 1300-х годов, когда день был объявлен 24-часовым королем Франции Чарльзом, более точными единицами как механические часы, маятники, кварцевые часы и создаются атомные часы. Второй был определен как:

доля среднего солнечного дня: 1/86 000 среднего солнечного дня (1940-е годы, средняя солнечная секунда)
доля 1900 тропического года: 1 / 31, 556, 925.9747 (1956, эфемерид второй)
ряд циклов атома цезия-133: 9, 192, 631, 770 (1967, атомный второй)

На Генеральной конференции 1967 года по весам и мерам, проведенной в Париже, делегаты из 36 стран договорились о пересмотре второй, основанной на колебаниях излучения, излучаемого во внешнем электронном слое атома цезия. Больше не привязанный к движению Земли, эта вторая была основана на элементе самой Земли. Основываясь на квантовой физике и на основе разности энергетических состояний внешнего электрона атома цезия-133, определение второй стало «длительностью 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия (sic) 133 атома."

Первые в мире атомные часы цезия, разработанные в 1955 году. Изображение предоставлено Национальной физической лабораторией

В основе всех часов лежит способность создавать согласованные колебания для единиц времени. Маятник использовал механические проверки, кварцевые часы зависели от электроники, чтобы контролировать вибрации кристалла, сохраняя точное время до тысячных долей секунды. Объявления о кварцевых часах 1970-х годов рекламировали его точность, лучшую в то время. В долгосрочной перспективе, однако, кварцевые часы стали неточными, кристалл подвержен дрейфу и экологическим проблемам. Также проблема синхронизации событий, каждый кристалл был уникальным, с уникальной частотой. Атомные часы полагаются на сложное сочетание схем для управления электромагнитными полями и потоком электронов, что приводит к изменению спинов электронов для обеспечения частотных ссылок. В одинаковых средах каждый атом производит идентичную частоту.

Первые теории об использовании уровней атомной энергии для отсчета времени приписываются лорду Кельвину. В 1940-х годах лауреат Нобелевской премии Исидор Раби описал основы атомных часов. NIST построил первые атомные часы в 1949 году, используя молекулы аммиака. Несмотря на то, что он не достаточно стабилен для использования во времени, он доказал свою концепцию. В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии выпустила первые атомные часы на основе цезия (на фото выше со своими создателями, Луи Эссеном и Джеком Пэрри).

Частоты атомных часов

Атомные часы были построены с использованием атомов водорода, аммиака, цезия и рубидия, каждый из которых предлагал другую частоту. Основы можно описать, посмотрев на часы атома водорода, мазер.

Мазеры (микроволновое усиление путем вынужденного излучения) основаны на энергетических уровнях атома водорода. Электроны и протоны водорода имеют спин. Когда они вращаются в одном направлении, атом как единица имеет более высокий профиль энергии. При вращении в противоположных направлениях атом имеет более низкий энергетический уровень. Управляя спинами, стабильные колебания частоты происходят на частоте, равной разности уровней энергии, деленной на постоянную Планка:

f = (E2 - E1) / h

где h = постоянная Планка

Частоты составляют приблизительно 1, 420, 405, 752 Гц для водородного мазера, 9, 192, 631, 770 Гц для цезия и приблизительно 6, 834, 682, 611 Гц для рубидия. Мазер - самый сложный и дорогой, рубидий наименее дорогой.

Прочитайте больше

Сделать GPS-часы с PICAXE
Сделать GPS-часы с микроконтроллером PIC
Сделать GPS-часы с Arduino

Точность и сроки

Алгоритмы, используемые для определения фактической позиции GPS, учитывают многие факторы, превышающие точность базовой линии синхронизации. Ошибки при определении фактического положения вводятся посредством приема сигнала, а также пределов на принимающей стороне. Прием сигнала зависит от положения спутников, прохождения через ионосферу, атмосферных условий и является ли сигнал заблокирован или отражен окружающими структурами на Земле. Обработка полученного сигнала зависит от качества используемого оборудования, программного обеспечения и используемого картографирования. На скоростях спутников необходимо учитывать релятивистские эффекты, а также ошибки интерполяции.

Чтобы изолировать эффект, который часы могут иметь на месте, давайте рассмотрим простой пример из классической физики, устранив сложность передачи GPS и обработки сигналов. Задержка времени - это то, что используется для определения расстояния спутника от приемника. Физика дает формулу для расстояния как:

расстояние = скорость * время

Здесь, на Земле, на нерелятивистских скоростях, выполнение определенного курса путешествия в течение определенного времени приведет вас к настоящему времени. Например, автомобиль, проходящий 60 миль в час в течение полутора часов без препятствий или ускорений, должен принести вам 90 миль в пути.

d = 60 миль / ч * 1, 5 часа = 90 миль

Что, если вместо минутной руки у вас были лучшие часы, а время в пути было на самом деле 1 час и 29, 5 минут? 89, 5 миль.

Секундомер, достаточно точный, чтобы указать 29.4886 минут, приведет к 89.4886 миль … более чем в полмилины разницы! Для GPS, где скорость - скорость света, наносекунда точности синхронизации соответствует приблизительно стопе точности положения.

GPS-спутники и наземные станции мониторинга используют водород, цезий и рубидиевые часы. Основные часы для GPS предоставляются Военно-морской обсерваторией США (USNO). В двух объектах, с ансамблем мазеров и цезиевых и рубидиевых атомных часов, USNO сохраняет GPS-часы точными. Без вмешательства GPS-часы могут дрейфовать наносекунды в день, что делает ошибки неприемлемыми для навигации. Благодаря точной синхронизации с атомными часами спутника, включенными в сигнал GPS, приемники GPS могут получить доступ к этой точности путем декодирования сигнала и сброса их часов (часто менее точных кварцевых генераторов) для синхронизации с атомными часами. Приемники используют свои внутренние часы для обнаружения временной задержки и определения расстояния. При сигналах, по меньшей мере, из четырех спутников, позиция определяется с использованием трилатерации. Точность позиционных данных приемника зависит от различных факторов, включая количество сигналов, используемых для получения позиции и ошибок при приеме.

Время в триллионы

Развитие часов продолжается. Майкл Ломбарди из NIST заявил в 2011 году, что «неопределенность измерений времени улучшилась примерно на 10 порядков в течение прошлого века, начиная с частей 106 до деталей в 1016 году. Оптические часы должны еще больше уменьшить неопределенности, по крайней мере, на два порядка «.

Оптические часы, иногда называемые оптическими решетчатыми часами, используют тот же принцип квантовой физики, что и атомные часы, но с элементами, которые имеют частоты в оптическом диапазоне, на частотах лазера. Оптические часы могут измерять время в триллионные доли секунды вместо миллиардных секунд текущих атомных часов.

Часы, основанные на атоме стронция, могут разделить второй на 430 триллионов единиц. Иттербия редкоземельного металла разделяет второй на 500 трлн. Также исследуются часы с использованием алюминия и ртути.

С такой точностью второй может снова быть переопределен в будущем, и GPS, основанный на этих часах, обеспечит более точные данные позиционирования.