13

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Кафедра 21

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий 21 кафедрой

А. Крячко

«____» ___________ 20__ г.

Лекция № 1

Тема: Вводная лекция

по дисциплине «Методы и средства частотно-временного обеспечения »

Обсуждено и одобрено на заседании предметно-методической комиссии 21 кафедры

«____» ____________ 20__ г., протокол № ______

Санкт-Петербург

2014

Содержание занятия и время

1. Вводная часть занятия – 5 минут

2. Задачи и содержание дисциплины –10 минут

3. Основные понятия и определения – 20 минут

4. Принцип формирования и хранения шкал времени – 20 минут

5. Заключительная часть занятия – 5 минут

Литература:

1. Радиоэлектронные средства частотно-временного обеспечения. Учебное пособие. МО, 2000.,с.8-25.

Материально-техническое обеспечение:

1. 

Организационно-методические указания:

Вводная часть

Основная часть

1. Объявить тему, цель занятия и изучаемые вопросы.

2. Привести рекомендованную литературу по изучаемому материалу.

3. Показать на примерах важность данной темы.

4. Провести занятие согласно плану, используя методические пособия.

5. Задать контрольные вопросы для активизации работы и проверки правильности понимания изучаемого материала.

Заключительная часть

1. Дать задание на самостоятельную работу.

2. Подвести итоги занятия.

1. Вводная часть.

2. Задачи и содержание дисциплины.

В историческом процессе эволюции понятия о времени как о философской категории или как о физической величине претерпе­ли изменения. При этом средства и методы измерения времени также изменялись.

Физическая наука вплоть до конца XIX века использовала время в качестве исходного понятия, не анализируя самой его сущности. Первое представление о времени было сформулировано в трудах Ньютона, который, признавая объективную реальность пространства и времени, вместе с тем считал, что они сущест­вуют сами по себе вне всякой связи. При этом время полагалось неизменным всегда, т.е. абсолютным.

Существенный вклад в развитие представлений о времени и пространстве внес Н.И. Лобачевский, выводы которого полностью подтвердились и нашли свое развитие в теории относительности А.Эйнштейна. Идея относительности объединила пространство и время, она присоединила время к пространству в качестве ново­го, четвертого измерения. Но все-таки есть во времени нечто, что никак не сводится к пространственным соответствиям, не име­ет аналогов в геометрии. Это прежде всего его необратимость.

3. Основные понятия и определения.

Время - самый важный и невосполнимый ресурс любого человека. Проблема эта занимала людей всегда, и уже более 4 тысяч лет люди пытаются как-то упорядочить учет расходования этого ресурса, создавая различные календарные системы и устройства измерения времени. Календарные системы древнего мира отражали сельскохозяйственные, политические и ритуальные нужды, характерные для того времени. Астрономические наблюдения для установления зимнего и летнего солнцестояния производились еще 4000 лет тому назад. Проблема создания календаря возникала только в обществах, где государственная стабильность поддерживалась в течение достаточно долгого времени (Китай, Египет, государство Майя). В 14-ом столетии до Рождества Христова в Китае была определена длительность солнечного года - 365.25 дней, а лунный месяц - 29.5 дней. Солнечно-лунный календарь действовал на ближнем востоке (за исключением Египта) и в Греции, начиная с 3-го тысячелетия до нашей эры. Ранние календари использовали либо 13 лунных месяцев по 28 дней или 12 лунных месяцев с чередующейся протяженностью 29 и 30 дней плюс разные меры для согласования 354/364 дневного лунного года с 365-дневным солнечным.

Древнеегипетский календарь имел 12 30-дневных лунных месяцев, но был привязан к сезонному появлению звезды Сириус (sirius - sothis). Для того чтобы примирить этот календарь с солнечным годом, был изобретен гражданский календарь, в котором добавлено 5 дней, доводящих длительность года до 365 дней. Однако со временем было замечено, что гражданский год примерно на одну четверть дня короче, чем солнечный год. Выбранная длительность года обеспечивала полное совпадение с солнечным годом раз за 1460 лет. Этот период называется циклом Сотиса (sothic-цикл). Так же как и shangchinese, древние египтяне установили длительность солнечного года равной 365,25 дней, что с точностью 11 минут совпадает с результатами современных вычислений. В 432 году до рождества Христа, около столетия после китайцев греческий астроном Метон вычислил, что 110 лунных месяцев по 29 дней и 125 лунных месяцев по 30 дней соответствуют 6940 солнечным дням, что лишь немного превышает 19 лет. 19-летний цикл, названный циклом Метона, установил длительность лунного месяца равной 29,532 солнечных дней, что с точностью 2 минут совпадает результатами современных измерений.

В древнем Риме использовался лунный календарь. Юлий Цезарь пригласил александрийского астронома Сосигенса, который разработал календарь (который по понятным причинам стал называться юлианским), принятый в 46 году до Рождества Христова. Календарь содержал 365 дней в году с добавлением одного дня каждые 4 года. Однако первые 36 лет по ошибке дополнительный день добавлялся каждые три года. В результате набежало лишних три дня, которые пришлось компенсировать вплоть до 8 года нашей эры.

Семидневная неделя была введена лишь в четвертом столетии нашей эры императором Константином I.

Во время романской эры 15-летний цикл переписи использовался при исчислении налогов. Последовательность имен дней недели воспроизводится через 28 лет, этот период называется солнечным циклом. Таким образом, учитывая 28-летний солнечный цикл, 19-летний цикл Метона и 15-летний переписи, получаем суперцикл протяженностью 7980-лет, называемый юлианской эрой, которая начинается в 4713 году до рождества христова.

К 1545 году расхождение между юлианским календарем и солнечным годом достигло 10 дней. В 1582, астрономы Кристофер Клавиус и Луиджи Лилио предложили новую схему календаря. Папа Григорий XIII выпусти указ, где среди прочего указывалось, что в году содержится 365.2422 дней. Для того чтобы более точно аппроксимировать эту новую величину, только столетние годы, которые делятся без остатка на 400, объявляются високосными, что предполагает длительность года 365,2425 дней. В настоящее время григорианский календарь принят большинством стран мира.

Для того чтобы мерить расширение вселенной или распад протона необходимо ввести стандартную схему нумерации дней. По решению Международного астрономического Союза был принят стандарт на секунду и юлианская система нумерации дней (jdn). Стандартный день содержит 86,400 стандартных секунд, а стандартный год состоит из 365,25 стандартных дней.

В схеме (JDN), предложенной в 1583 французским ученым Джозефом Юлиусом Скалигером, JDN 0.0 соответствует 12 часам (полдень) первого дня юлианской эры - 1 января 4713 до нашей эры. Годы до нашей эры подсчитываются согласно юлианскому календарю, в то время как годы нашей эры нумеруются по григорианскому календарю. 1 января 1 года после рождества христова в григорианском календаре соответствует 3 января 1 года юлианского календаря [DER90], в JDN 1.721.426,0 день соответствует 12 часам первого дня нашей эры.

Эталоном времени может стать любой циклический процесс с достаточно стабильным периодом. Для измерения времени сначала использовали солнечные часы (Вавилон, 3,5 тысячи лет назад), которые были пригодны только днем при безоблачном небе. Им на смену пришли водяные часы, способные работать круглые сутки (если позволял объем сосуда). Позднее были изобретены песочные часы (появились примерно тысячу лет назад), которые могли обеспечить точность около 15-20 минут за сутки. Именно от этого типа часов пошла морская единица измерения времени - "склянки". Революцию в сфере измерения времени вызвало изобретение механических часов (Вестминстерские куранты 1288 год). Первые часы с маятником были изготовлены Х. Гюйгенсом в 1657 году, через 13 лет был изобретен анкерный механизм. Механическим хронометрам человечество обязано великим географическим открытиям 18 века (Дж. Кук). Первые часы с использованием электричества был разработаны А. Бейном в 1840 году, а первые кварцевые часы увидели свет в 1918 году. В 1937 году кварцевые часы Л. Эссена были установлены в Гринвичской лаборатории (GMT), они имели точность 2мс в сутки. В 1944 году радиостанция BBC стала передавать сигналы точного времени с погрешностью около 0,1 мс/сутки. Сейчас кварцевые часы можно увидеть у людей и в любом компьютере. Первые атомные часы были изготовлены в 1949 году. Без этих технологических свершений технический прогресс 20-го века был бы невозможен. Кварцевые часы побывали в космосе и на Луне.

В 1967 году был принят цезиевый (Cs¹³³) стандарт времени, где одна секунда соответствует 9192631770 периодам перехода между уровнями в атоме цезия UTC (Universal Time Coordinated). UTC почти в миллион раз точнее астрономического среднего времени по Гринвичу. Ошибка UTC составляет менее 0,3 нс/сутки .

Не исключено, что со временем эталоном времени станет излучение миллисекундного пульсара (открыт в 1982 году), имеющего период 1,55780645169838 миллисекунды. Этот пульсар предположительно имеет массу Солнца, радиус 10 км и вращается со скоростью 642 оборота в секунду.

С 1 января 2001 года английским правительством было официально объявлено о новом стандарте времени Grinwich e-time (GET), для обеспечения глобальных электронных платежей через Интернет.

Для оценки времени природа снабдила человека, как и некоторых других живых существ, так называемыми биологическими часами. Эти часы отсчитывают циклы длительностью около 24 часов. У нас, правда, есть природный генератор - это сердце, с периодом около 1 секунды. За отсчет времени ответственен теменной участок коры больших полушарий мозга. Механизмы оценки коротких временных интервалов и упорядочение наших жизненных событий происходит разными способами. Но эти механизмы хороши, пожалуй, лишь для определения времени обеда.

До середины XX века местное время определялось по положе­нию данного пункта Земли относительно Солнца и звезд. Движе­ние и вращение планет тогда предполагалось равномерным. Поэ­тому первоначально период обращения Земли относительно собственной оси был принят в качестве естественного эталона време­ни - средних солнечных суток и секунды.

В процессе развития измерительной техники и повышения требований к точности измерений определение секунды претерпе­ло существенные изменения. Уже маятниковые часы позволили об­наружить систематическое замедление суточного вращения Земли.

С целью повышения точности воспроизведения единицы време­ни в I960 году было принято ее новое определение, связанное с движением Земли вокруг Солнца и основанное на астрономическом определении Эфемеридного равномерного времени.

Дальнейшее совершенствование понятия об измерении времени и занимающихся этими вопросами служб времени связано с разви­тием часов, как приборов, воспроизводящих и подсчитывающих ин­тервалы времени определенной длительности, соответствующих еди­нице измерения времени. С изобретением в 1931 году кварцевых часов и с использованием их в службах единого времени появи­лась возможность более надежно хранить время в перерывах меж­ду астрономическими наблюдениями. Кварцевые часы быстро совер­шенствовались. Уже во второй половине пятидесятых годов шкала времени; задаваемая хорошо исследованными кварцевыми часами, была настолько равномерной, что их можно было использовать как независимый эталон времени.

С помощью кварцевых часов было выявлено, что с учетом ре­гулярного замедления суточного вращения земли длительность сред­них солнечных суток тоже оказывается весьма непостоянной, то есть сам период обращения планеты вокруг Солнца подвержен не­регулярным колебаниям.

Коренной перелом в вопросах хранения времени связан с соз­данием квантовых стандартов частоты, на основе которых ныне работают независимые от вращения Земли эталоны времени исклю­чительно высокой точности и стабильности.

Именно высокая точность квантовых стандартов частоты и времени обусловила переход к новому определению секунды (атом­ной) в системе СИ, за которую принят интервал времени, в тече­ние которого совершается 9 192 631 770 колебаний излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями атома цезия-133.

Шкалы времени, получаемые путем непрерывного подсчета атомной секунды, стали называться атомным временем (AT). Оно отли­чается чрезвычайно стабильным единичным интервалом, а, следова­тельно, и высокой равномерностью. Однако данная шкала сама по себе абстрактна в смысле ее привязки к положению Земли, Солн­ца, звезд и т.д.

Атомные часы позволили получить численные значения неравномерности вращения Земли. Так замедление вращения из-за при­ливного трения за столетие приводит к изменению длительности суток на 0,0016 секунды.

Но и с принятием атомной секунды астрономическая система измерения времени не утратила своей роли. Обе шкалы взаимно дополняют друг друга. Как показали исследования, атомная секунда совпадает с секундой среднего солнечного времени, представляющей часть средних солнечных суток, с точностью порядка 10^-8 .

Незадолго до формального принятия атомной ("цезиевой") се­кунды ведущие службы времени мира сверили свои эталоны, одно­временно принимая сигналы навигационных радиостанций. Резуль­таты этих и последующих сличений позволили Международному бю­ро времени (BIH) в Париже, Франция, сформировать среднюю шкалу атомного времени, известную сейчас как шкала Международ­ного атомного времени (TAI). Сейчас в мире существуют 58 ла­бораторий, эксплуатирующих одни или более цезиевых часов и вно­сящих свой вклад в формирование шкалы TAI. Растет число пре­цизионных первичных стандартов, некоторые из них непрерывно работают в течение многих лет в качестве часов.

Так в России с 1983 года пользуются новым первичным эталоном времени, основу которого составляют два метрологических цези­евых репера частоты, из которых каждый воспроизводит размер секунды в системе СИ. Этот эталон по своим метрологическим ха­рактеристикам значительно превосходит предыдущий, а по точнос­ти - все известные стандарты частоты; он входит в число трех лучших в мире первичных эталонов времени и частоты.

Вообще говоря, точность первичных стандартов периодичес­ки подвергается оценке с тем, чтобы установить какие-либо из­менения в их работе. Но хотя эта периодическая переоценка чрез­вычайно желательна с точки зрения точности, результат переоцен­ки не связан непосредственно с надежной и стабильной работой часов. Поэтому, как правило, первичный эталон частоты отделен от групповых часов, выверенных так, чтобы их ход соответство­вал колебаниям первичного стандарта частоты. Таким образом, имеется отличие между эталоном частоты и эталоном времени, который должен по логике вещей включать в себя как стабильные часы, так и первичный стандарт частоты для выверки часов.

Широкое применение нашли вторичные эталоны времени на ос­нове группы атомных часов, не содержащие первичных стандартов. Шкалы времени этих часов могут быть очень равномерными, а точ­ность их хода обычно отслеживается по другим эталонам часто­ты, точность которых подвергается периодической оценке. Так равномерность и точность шкалы TAI была существенно повыше­на в течение последних лет не только за счет введения первич­ных стандартов, но также за счет внедрения методов международ­ных сличений шкал времени, включая спутниковые каналы сличе­ния, которые обеспечивают наносекундную точность.

Следует иметь в виду и такой факт, что до появления атом­ных часов само понятие ''шкала времени" не использовалось. В качестве категории фигурировало время, которое должно было оп­ределяться посредством наблюдения звезд, Солнца, Луны. А кварцевые и атомные часы способствовали введению в обиход понятия такого процесса, как "хранение времени". Под хранением времени понимается совокупность технических средств и действий, не­обходимых для определения времени в любой момент в избранной шкале с заданной точностью.

В процессе хранения времени происходит его измерение. При этом для того, чтобы правильно и однозначно характеризовать на­блюдаемые процессы, необходимо дать определения основных по­нятий.

Момент события - это положение во времени, аналогичное положению геометрической точки прямой.

Интервал времени - время, истекшее между моментами двух событий.

Допускается употребление термина "интервал времени" в смы­сле его числового значения в указанных единицах.

Начальный момент - условное начало от­счета времени.

Шкала времени - непрерывная последователь­ность интервалов времени определенной длительности, отсчиты­ваемая от начального момента.

Эпоха - численное выражение момента событий, указанное в какой-либо шкале времени.

Дата - особая форма записи эпохи, отличающаяся тем, что отсчет лет, месяцев и суток указывается не с нуля, а с единицы.

Под определением времени понимается экспериментальное ус­тановление эпохи. В рассматриваемой нами области точного измерения времени мы будем иметь дело с измерениями интервалов времени, которые сводятся к экспериментальному определению отношения длитель­ности измеряемого интервала времени к интервалу времени, при­нятому за единицу. Но процесс измерения времени, как таковой, в общем случае подразумевает действия либо по определению соб­ственно времени, либо по измерению интервала времени.