Не завжди атомний годинник працює краще, ніж дешевий кварцовий годинник. Вчені з Вроцлава показали, що помилки під час передачі супутникового часу, метою якого є якомога точніша синхронізація годинників, розташованих далеко один від одного, можуть виникнути з інших причин, ніж вважалося раніше.
Дослідження, проведене Вроцлавським університетом екології та наук про життя, показує, що годинники на різних континентах можна синхронізувати з точністю до однієї мільярдної секунди, але навіть дешевші атомні годинники можуть бути точнішими за водневі мазери, якщо ними не керувати належним чином.
Деталі дослідження, проведеного на власному програмному забезпеченні вроцлавських докторантів і науковців, опубліковано в GPS Solutions (пояснив в інтерв’ю з PAP професор Кшиштоф Сосніца.
ПЕРЕДАЧА ЧАСУ ДОЗВОЛЯЄ СИНХРОНІЗАЦІЮ ГОДИННИКІВ
Переведення часу – це термін для синхронізації годинників, які знаходяться не тільки на різних континентах, але і в космосі. «Дуже точна синхронізація годинника потрібна, наприклад, для міжпланетних спостережень і супутникових вимірювань на основі швидкості світла. Передача часу використовується для дистанційного керування різними пристроями, мобільними телефонними мережами, моніторингу транспортних засобів і навіть банківських транзакцій», – перераховує дослідник з Університету природничих наук у Вроцлаві.
Існує кілька способів перенесення часу. При менших відстанях між годинниками синхронізацію можна здійснювати через оптоволокно. Однак на великих відстанях найточнішим методом є супутникова передача на основі систем GPS, ГЛОНАСС і Galileo. «Успіх майбутніх супутникових місій залежить від його вдосконалення. Зараз будується навігаційна система для Місяця, планується побудувати постійну базу на Місяці біля Південного полюса або базу Gateway, яка має обертатися навколо нього. Це закладено в передачі даних, позиціонуванні та необхідності забезпечити доступ до Інтернету не лише на Землі, а й на Місяці», – наводить приклади вчений.
Експертам потрібна наносекундна точність, інакше прилади генеруватимуть помилки метрового рівня. Досі вважалося, що помилки в супутникових системах в основному пов’язані з періодичністю. Проблема проф. Сосниця пояснює на прикладі супутників GPS, які обертаються навколо Землі з інтервалом у 12 годин, тому їх періодично бачить спостерігач на Землі в одному місці на небі. Ці цикли можуть викликати повторювані помилки – наприклад, сигнал може регулярно відбиватися від тих самих будівель.
ОДНАК ПОМИЛКИ НА СТОРОНІ ОТРИМАЧА
Детальні дослідження вчених з UPWr показали, що це не так просто. Помилки повторюються також у годинниках, час яких базується на системі Галілея. Супутники Galileo обертаються навколо Землі 17 разів кожні 10 днів. Тому помилки, які спостерігаються в цих годинниках, не можна пояснити 12-годинною повторюваністю, як у випадку з системою GPS. У своїй статті польські вчені показали, що похибки перевірених годинників однакові у всіх супутникових системах. Таким чином, ці похибки не з боку повторюваності супутникової системи, а з боку приймачів.
«Ми показали, як і які атомні годинники забезпечують найвищу стабільність. Винятково високу стабільність забезпечують водневі мазери в Німеччині, Бельгії та Канаді. Однак справа не в типі годинника, адже не всі мазери настільки стабільні. Ключем до точності є те, як оператори адаптують атомний годинник до зовнішніх умов: годинник повинен мати захист від теплового та електромагнітного поля, щоб забезпечити міжконтинентальний і внутрішньоконтинентальний переказ часу найвищої якості», – пояснив проф. Сосниця. Він додає, що стабільність атомного годинника означає, що годинник найкраще усвідомлює, що таке визначення секунди. Багато основних фізичних одиниць засновані на вимірюванні часу, але визначення має бути реальним – і саме атомний годинник показує, скільки триває секунда.
АТОМНИЙ ГОДИННИК ПРАЦЮЄ ЯК ІНШИЙ
Кожен годинник, щоб працювати, потребує певного періодичного явища, тобто циклічного повторення. Для людини природним періодичним явищем є циклічність Сонця чи Місяця. Але для точного вимірювання часу нам потрібне набагато більш поширене явище. Атомні годинники використовують коливання атомів, тому що переходи між рівнями енергії є циклічними. Серед атомних годинників можна виділити рубідієві та цезієві, а найточніші – водневі мазери та оптичні годинники. Простіше кажучи, водневий мазер є різновидом лазера, за винятком того, що він працює в мікрохвильовому діапазоні і не використовує оптичну електромагнітну хвилю, як лазер.
«Водневі мазери ідеально підходять для передачі часу, оскільки вони забезпечують дуже високу стабільність частоти. Але вони здатні підтримувати тривалість секунди в більш короткі періоди, тоді як в більш тривалих періодах помилки вже з’являються і їх потрібно виправляти. Інші атомні годинники, наприклад цезієві, забезпечують довготривалу стабільність. Визначення секунди базується на періоді коливань атомів цезію», – пояснює проф. Сосниця.
У світі існує мережа атомних годинників. Їх розміри усереднені. Час, визначений таким чином, називається Всесвітнім координованим часом. Універсальний час також включає деякі коригування атомного часу, щоб пристосувати його до фактичного обертання Землі навколо своєї осі. У Польщі, як і в багатьох країнах, координований всесвітній час є основою для створення офіційного часу. Наш зимовий час на одну годину відступає від всесвітнього координованого часу, а літній – на дві години.
СПОСТЕРЕЖЕННЯ З СУПУТНИКА ЗАЛЕЖАТЬ ВІД ПЕРЕНОСУ ЧАСУ
Польські вчені зосереджують свої дослідження на супутникових спостереженнях. Як пояснив проф. Сосниця, супутники можуть працювати завдяки атомному годиннику на борту. Різниця в вимірюванні часу, надісланого супутником, і прийнятого множиться на швидкість світла. Вимірювання часу в позиціонуванні глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS) відіграє ключову роль, оскільки похибка годинника в 1 нс перетворюється на похибку визначення відстані між супутником і приймачем, що дорівнює 30 см. Коли атомний годинник на борту супутника виходить з ладу, супутник необхідно вимкнути.
Група вчених з UPWr визначила поправки годинника приймача на основі даних GPS, ГЛОНАСС і Galileo для станцій, розташованих на різних континентах, і представила характеристики різних атомних годинників і точність внутрішньо- і міжконтинентальної передачі часу. На одних і тих самих континентах можна отримувати сигнали від тих самих супутників GPS або Galileo. На різних континентах одні й ті ж супутники вже не видно. Тому перенесення часу між континентами особливо складне. Завдяки корекціям Європейського космічного агентства для корекції супутникових годинників і дуже високій стабільності, яку підтримують атомні годинники на борту супутників GPS і Galileo, найвища ефективність передачі часу можлива на дуже великі відстані.
Передача часу на основі системи Galileo виявилася навіть більш точною, ніж система GPS. Однак передача часу за допомогою російської системи ГЛОНАСС у 6-8 разів гірша за європейську та американську системи. Марцін Мікош, Каміль Казмірскі та Кшиштоф Сосниця довели, що не завжди атомний годинник працює краще, ніж дешевий кварцовий годинник. Найстабільніші кварцові годинники мають характеристики, подібні до найменш точних водневих мазерів. Атомні годинники настільки чутливі інструменти, що для ефективної роботи вони потребують належного контролю.
Дослідження проводилися за допомогою програмного забезпечення GNSS-WARP (Wrocław Algorithms for Real-Time Positioning). Це програмне забезпечення, створене та розроблене з самого початку у Вроцлаві співробітниками та аспірантами Інституту геодезії та геоінформатики Вроцлавського університету наук про навколишнє середовище та життя.
PAP – Наука в Польщі, Кароліна Дущик
col/bar/
