2. Координатно-временное обеспечение ГНСС, страница 2

Бора. Согласно этому постулату, внутренняя энергия частицы(атома,молекулы,иона)можетприниматьтольконекоторыестрогофиксированные дискретные значения, называемые энергетическими уровнями .При переходе частицы с высокого энергетического уровня на более низкий,избыток энергии  E выделяется в виде кванта электромагнитного излучения,обладающего чрезвычайно высокой стабильностью частоты f 0   E / h ( h постоянная Планка) и монохроматичностью.В 1967 г. на XII Генеральной конференции по мерам и весам былапринята единица времени, не зависящая от вращения Земли – атомная секунда.Атомная секунда – интервал времени, в течение которого происходит 9 192 631770колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетическогоперехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомацезия Цезия5133 при отсутствии возмущений от внешних магнитных полей. Внастоящее время атомная секундапринята заединицу временивмеждународной системе СИ, вместо ранее применявшейся эфемериднойсекунды; погрешность атомной секунды относительно эфемеридной составляет 2  10 9 .Устройство,формирующееэталоннуюшкалумеждународногоатомного времени TAI (Time Atomic International) получил название цезиевогостандарта частоты.

Поскольку шкалы UT и TAI, в общем случае, не согласуютсямежду собой, введена промежуточная шкала, получившая название Всемирногокоординированного времени (Universal Coordinated Time – UTC), котораябазируется на атомной секунде.Шкала времени UTC периодически корректируется на 1 с таким образом,чтобы ее рассогласование со шкалой UT не превышало 0,97 с.

Коррекциюшкалы UTC на  1 секунду, при которой происходит так называемый«секундный скачок» (leap second), производит Международное бюро времени порекомендациям Международной службы вращения Земли (МСВЗ, англ.International Earth Rotation Service – IERS). Коррекция шкалы UTC, как правило,производится один раз в год в последнюю секунду 31 декабря или 30 июня, а вслучае необходимости – в обе даты. Положительная секунда начинается в 23ч59мин 60с UTC и заканчивается в 0ч 0мин 0с UTC первых суток следующегомесяца.

В случае отрицательной секунды после момента 23ч 59мин 58с через 1сследует момент 0ч 0мин 0с первых суток следующего месяца. В качествепримера ниже приведен текст официального извещения о коррекции шкалыUTC/Б Ю Л Л Е Т Е Н Ь Г – 832 сентября 2005 г.ИЗВЕЩЕНИЕВ соответствии с решением Международной службы вращения Земли (Бюллетень IERS C-30от 4 июля 2005 г.) в ночь с 31 декабря 2005 г. на 1 января 2006 г.

в 0 часов по всемирномувремени (в 3 часа по московскому времени) будет введена дополнительная секунда внациональную шкалу времени UTC(SU) всеми российскими эталонами времени и частоты ивсеми средствами передач эталонных сигналов времени. Сигналы времени будутпередаваться в следующей последовательности (время всемирное):31 декабря 2005 г., 23 ч. 59 мин.

59 с,31 декабря 2005 г., 23 ч. 59 мин. 60 с,1 января 2006 г., 00 ч. 00 мин. 00 с.С учетом введения дополнительной секунды в шкалу всемирного координированноговремени UTC ее разность со шкалой международного атомного времени TAI составит:с 1 янв. 1999 г., 0ч UTC до 1 янв. 2006 г., 0ч UTC : UTC-TAI=-32 с;с 1 янв.

2006 г., 0ч UTC : UTC-TAI=-33 с .Шкалы времени, используемые в ГНСС, так или иначе «привязаны» кUTC, однако в конкретной организации этих шкал имеются некоторые различия,(см. таблицу).UTTAI12.00.00 12.00.34UTCGPSГЛОНАСС12.00.0012.00.1512.00.002.1.2 Принцип работы квантовых стандартов частоты и времениКвантовые стандарты частоты могут быть двух типов: активного ипассивного. В стандартах активного типа, называемых также квантовымигенераторами, электромагнитные колебания, возникающие в результатеквантовых переходов, используют, после соответствующего усиления, вкачестве стандартных (опорных). В квантовых стандартах пассивного типаизмеряемая частота колебаний внешнего генератора калибруется относительноэталоннойчастотыколебаний, соответствующихзаданному квантовомупереходу.1) Квантовые стандарты пассивного типа.Первым промышленным эталоном частоты был пассивный квантовыйстандарт на пучках атомов цезия.

Главной частью такого эталона являетсяатомнолучевая трубка, в которой поддерживается высокий вакуум (рис. 2.5).В одном конце трубки вакуумного контейнера располагается источникпучка атомов цезия — нагретая до температуры, близкой к 100°С полость, вкоторой находится небольшое количество расплавленного цезия (tпл =29,5°С).Полость соединена с трубкой узким каналом или набором параллельныхканалов. Поскольку при указанной температуре давление паров жидкого цезияневелико, его атомы, вылетая из источника, пролетают через каналы достаточноредко, не сталкиваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируетсяслабо расходящийся пучок атомов цезия.В противоположном конце трубки расположен приёмник (детектор)атомов цезия, который представляет собой нагретую вольфрамовую проволоку,расположенную вдоль оси электрода полуцилиндрической формы.

Атомы цезия,соприкоснувшисьэлектроны,сраскаленнымстановятсявольфрамом,положительнымиотдаютионамииемувалентныепритягиваютсякотрицательно заряженному электроду – коллектору. Очевидно, что сила токачерез гальванометр детектора IГ пропорциональна числу ионов, достигшихколлектора.По пути от источника к детектору пучок атомов цезия проходит междуполюсными наконечниками двух магнитов. Неоднородное магнитное полепервого магнита расщепляет пучок атомов цезия на два пучка, один из которыхсодержит атомы, находящиеся на энергетическом уровне E1, второй – наэнергетическом уровне E2. Рассортированные по уровням атомы попадают вобъемный резонатор, к которому приложено постоянное (фокусирующее)магнитной поле, а также высокочастотное электромагнитное поле, создаваемоевнешним генератором.

Под действием высокочастотного поля часть атомовсовершает переход с уровня E1 на уровень E2, и наоборот. После резонаторапотоки атомов оказываются в поле второго магнита, геометрия и параметрыкоторого подобраны таким образом, что коллектора достигают только атомы,совершившие под действием электромагнитного поля вынужденный переход,т.е. изменившие в области резонатора свою энергию путем поглощения илииспускания кванта радиоизлучения.

Число таких атомов максимально, есличастота внешнего электромагнитного поля равна частоте квантового переходаf 0  E / h  9 192 631 770 Гц,которая и принимается в качестве опорной точки (репера) на шкале частот.Соответственно, частота генератора внешнего электромагнитного поля, прикоторой число атомов, достигающих коллектора в единицу времени (сила тока вгальванометре) максимальна, отождествляется с частотой f 0 .Ширина резонансного пика кривой IГ ( f ) соответствует эквивалентнойдобротности колебательного контура порядка 10-13, такой же порядок имеетмгновенная погрешность измерения частоты f 0 .

Для уменьшения погрешностирезультаты измерений усредняются во времени.Существенным преимуществом цезиевых стандартов является то, что ихсерийные образцы, в том числе предназначенные для размещения на подвижныхобъектах, мало уступают по точности эталону.Начиная с 1978 г и по настоящее время, Государственный эталон времениичастоты(ГЭВЧ)РоссийскойФедерацииобеспечиваетнезависимоевоспроизведение размера единицы времени с помощью первичного цезиевогоатомно-лучевого репера частоты МЦР-102.Как и почти все цезиевые реперы частоты, создававшиеся в мире в товремя, МЦР-102 предназначался для калибровки атомных шкал времени,воспроизводимых промышленными хранителями времени и частоты, т.е.

былрассчитан на кратковременную работу. По данным 1978 г. неисключеннаясистематическаяпогрешностьвоспроизведениячастотыневозмущенногоперехода в основном состоянии атома цезия репером МЦР-102 не превышала5 10-13(«неисключенной»называютсоставляющуюсистематическойпогрешности, поправки на которую не вводятся в силу ее малости).Работы по модернизации репера сопровождались последовательнымснижением значения неисключенной систематической погрешности: с 1982 г. 11013 , с 1990 г.

– 5 1014 , с 2001 г. – 3 1014 . По мере конструктивногоусовершенствования, повышения точности воспроизведения репером МЦР-102частоты квантового перехода росла и его долговременная стабильность: средняяразность частот, воспроизводимых МЦР-102 и TAI за последние 10 летсоставила 0,7  10-14, а СКО среднемесячных значений относительной разностичастот МЦР-102 и TAI за этот же период составило 1,2 10-14.В последние годы были разработаны квантовые часы нового поколения наоснове цезиевого атомного фонтана (метрологический цезиевый репер, МЦР“Фонтан”) (рис. 2.6).Высокая стабильность частоты этого МЦР обеспечивается за счетсоздания близких к идеальным, с точки устранения внешних возмущений,условий, в которых происходят квантовые переходы и их регистрация.

Дляэтого в сверхглубоком (не хуже 1  10-8 Па) вакууме с помощью оригинальногоатомного спектроскопа, имеющего 12 оптических окон для подвода лазерныхлучей, происходит удержание облака атомов цезия и упорядочивается ихдвижение, что приводит к снижению эквивалентной шумовой температуры(«охлаждению») пучка. Область спектроскопа, в которой происходит удержаниеи «охлаждение» атомов цезия – так называемая «оптическая трясина» –изображена на рисунке 2.7.

После прохождения «оптической трясины»температура атомного облака составляет5 10-7К. Система экранированиямагнитного поля позволяет более чем 105 раз ослабить влияние внешнихмагнитных полей.Дляопределениячастотыатомногорезонанса,атомноеоблако,сформированное в «оптической трясине», с помощью лазеров подбрасываетсявверх, пролетает через опросный резонатор, достигает апогея и под действиемсилы тяжести падает вниз, вторично пролетая через опросный резонатор.