С чего начинается уголок радиолюбителя (шэк)? Как это ни странно, но чаще всего, не с трансивера. Первыми, как правило, в шэке появляются часы. Да-да, часы, и, возможно, не одни. Дело в том, что вся работа в эфире так или иначе связана со временем: требуется отмечать в аппаратном журнале время начала и/или окончания проведенной радиосвязи, знать время начала связи по предварительной договоренности (SKED) или «круглого стола», восхода или захода Солнца и т.д.
Не менее важно для радиолюбителя передающей радиостанции знать точную частоту настройки трансивера (передатчика). Радиолюбительские диапазоны — узкие, а выход за их границы является очень серьезным нарушением регламента любительской радиосвязи. Следовательно, желательно периодически проверять точность показаний частотной шкалы трансивера. Кроме того, при работе цифровыми видами связи иногда требуется калибровка звуковой карты компьютера. Неоценимую помощь при проведении этих операций могут оказать радиостанции служб времени и частоты, работающие во многих странах В общем, точные время и частота — темы для радиолюбителя важные.
Шкалы времени
Издавна для измерения времени используются наблюдаемые периодически повторяющиеся процессы одинаковой длительности. Проще и удобнее всего было следить за астрономическими явлениями. Например, по изменению часового угла Солнца определяли солнечное время, а по суточному вращению Земли относительно звезд—звездное.
Однако научно-технический прогресс потребовал удобных и точных единиц счета времени, основанных на стабильном периодическом природном процессе Кроме того, возникла необходимость в системе отсчета времени (шкале времени). В зависимости от используемого периодического процесса, в настоящее время определены и используются шкапы солнечного, звездного, динамического и атомного времени.
Вращение Земли вокруг оси задает шкалу всемирного времени. Смена дня и ночи, вызванная вращением Земли, определяет естественную единицу времени — сутки, т.е промежуток времени между повторяющимися определенными астрономическими явлениями на данном меридиане. Начальным меридианом при всех измерениях времени с 1884 г. считается меридиан Королевской гринвичской обсерватории, а среднее солнечное время на этом меридиане называется всемирным временем UT (Universal Time). По-прежнему распространено устаревшее название всемирного времени — гринвичское (Greenwich Mean Time — GMT). Среднее солнечное время используется в силу того, что истинное солнечное время день ото дня несколько меняется. Кроме того, на продолжительность суток—основу шкалы всемирного времени — влияют различные геофизические явления, происходящие внутри, на поверхности и в атмосфере Земли. Одни из них приводят к непредвиденным изменениям положения оси вращения Земли, другие вызывают неравномерность суточного вращения нашей планеты, к тому же, точность астрономических наблюдений недостаточна для тех применений, где счет идет на милли-, микро- и наносекунды.
Равномерно текущим временем является зфемеридное время ЕТ (Ephemeris Time), единицей которого служит эфемеридная секунда. Шкала эфемеридного времени задается орбитальным движением тел Солнечной системы, а эфемеридное время определяется из многолетних астрономических наблюдений за ними. При расчете их положений используется эфемеридное время, а при наблюдениях — всемирное, поэтому можно вычислить разность эфемеридного и всемирного времени. К сожалению, точную разность между эфемеридным и всемирным временем можно определить с большим опозданием — на основе явлений, произошедших в прошлом.
С 1986 г. шкала эфемеридного времени ЕТ заменена двумя шкалами динамического времени DT — земного динамического времени TDT и барицентрического динамического времени TDB.
Разработка молекулярных и атомных стандартов частоты привела к возникновению принципиально новой, не за висящей от вращения Земли и движения тел Солнечной системы, шкалы атомного времени TAI (Time Atomic International) На XIII Международной конференции по мерам и весам (1967 г.) было рекомендовано за единицу времени — секунду — принять «продолжительность 9 192631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133, при отсутствии возмущений от внешних полей». Продолжительность атомной секунды максимально близка к продолжительности эфемеридной.
Шкала TAI формируется во французском Bureau International des Poids et Measures (BIPM) на основе усреднения показаний отдельных атомных часов, расположенных в различных институтах и лабораториях по всему миру Для синхронизации атомных часов чаще всего используются специальные радиосигналы точного времени, Интернет и глобальные навигационные системы (GPS и ГЛОНАСС).
Атомные часы позволили создать очень стабильную и равномерную шкалу времени. Однако, несмотря на высокую точность таких часов, необходимость во всемирном времени, определяемом по результатам астрономических наблюдений, не исчезла, и при решении определенных задач используют несколько систем шкалы всемирного времени:
— UT0 — всемирное время, полученное непосредственно из астрономических наблюдений и зависящее от положения пункта наблюдения на поверхности Земли;
— UT1 — всемирное время, полученное с учетом вычисленных поправок изменения долгот пунктов наблюдения вследствие движения полюсов Земли;
— UT1R — всемирное время, базирующееся на UT1, в котором не учитываются короткопериодические (менее 35 суток) эффекты зональных приливов;
— UT2— всемирное квазиравномерное время (достаточно равномерное на протяжении нескольких лет), полученное с учетом вычисленных на основе исследований предыдущих лет сезонных вариаций скорости вращения Земли.
Из-за неточной пропорциональности суточного и годового периодов вращения Земли, а также неравномерности ее суточного вращения ход атомных часов не совпадает с ходом земных. Расхождение между атомной и всемирной шкалами времени составляет примерно 1 с в год. В 1971 г. расхождение между ними достигло 10 с, поэтому было введено координированное время UTC (Universal Time Coordination), включающее в себя понятие «дополнительной секунды» (leap second). В конце 1971 г. приняли решение, что разность между координированным временем и атомным не должна превышать 0,75—0,9 с. В ночь с 31 декабря 1971 г. на 1 января 1972 г. было добавлено сразу 10 с. С этого момента большая часть сигналов точного времени стала передаваться в шкале иТС.Таким образом, координированное время—это система счета времени, осуществляющая координацию атомного времени с всемирным, основанным на астрономических наблюдениях. Сигналы точного времени, передаваемые службами времени, соответствуют шкале всемирного координированного времени. Приблизительная разность UT1-UTC определяется заранее и сообщается всем радиостанциям, передающим сигналы времени, за месяц вперед. Когда разность UT1-UTC достигает 0,75—0,9 с, вводят дополнительную секунду («положительную» или «отрицательную»), и шкала UTC смещается точно на 1 с. Обычно это происходит 31 декабря (последнее такое событие случилось в конце 2005 г.), но в уже далеком 1972 г дополнительная секунда была добавлена в ночь с 30 июня на 1 июля.
При вводе «положительной» секунды после 23 ч 59 мин 59 с 31 декабря следует дополнительная секунда, время составляет 23 ч 59 мин 60 с, и только затем наступает 00 ч 00 мин 00 с 1 января, т.е. длительность последней минуты суток увеличивается до 61 с. При вводе «отрицательной» секунды после 23 ч 59 мин 58 с сразу следует переход к 00 ч 00 мин 00 с следующего дня, и длительность последней минуты уменьшается до 59 с.
Сигналы точного времени, передаваемые специальными радиостанциями разных стран, могут быть синхронизированы или с координированным временем международного бюро времени, или с координированным временем национальной шкалы. Обозначение координированного времени России — UTC (RU).
На спутниках GPS установлены высокостабильные стандарты частоты, на основе которых формируется собственная атомная шкала, которая называется TAI(GPS). Время GPS отличается от UTC на целое число дополнительных секунд. Это вызвано тем, что шкала времени GPS ведет отсчет с 6 января 1980 г. В конце 2004 г. разность составляла 13 с. Целое число секунд разности включается в транслируемый сигнал GPS, а затем автоматически обрабатывается в приемной аппаратуре GPS, поэтому время, отображаемое этой аппаратурой, совпадает с координированным временем UTC. Существует, правда, непрерывно изменяющаяся небольшая разность, которая почти всегда меньше 25 нс.
Для большинства радиолюбительских применений точность, обеспечиваемая системами времени GMT (уже упоминалось, что это устаревшее название всемирного времени), UT, UT1, UTC и тд., является более чем достаточной, поэтому нет никакой разницы в том, какой системе отдать предпочтение. Тем не менее, учитывая, что синхронизация часов осуществляется по координированному времени UTC, по международному соглашению именно это время рекомендуется для всех хронометрических приложений, а использование термина GMT нежелательно. Координированное время UTC чаще всего указывается при занесении радиосвязей в аппаратный журнал и заполнении QSL-карточек, в Положениях о соревнованиях (никому не хочется «стартовать» в контесте с опозданием хотя бы на 0,01 с, hi) и т.д.
Нередко для обозначения системы времени радиолюбители применяют термин «Zulu», который ранее использовался в вооруженных силах и навигации как синоним координированного времени UTC. Дело в том, что часовой пояс начального меридиана (гринвичского) обозначен буквой Z на многих картах часовых поясов, а в фонетическом алфавите, применяемом в радиосвязи, эта буква передается словом «Zulu».
Поясное время
За начальный меридиан для отсчета географических долгот на Земле принят Гринвичский меридиан (0° 00′ 00″). Как уже упоминалось, местное среднее солнечное время гринвичского меридиана называется всемирным временем.
Долгота любого пункта на Земле отсчитывается от нулевого меридиана в часах, те разность долготы между двумя пунктами равна разности местных времен в этих пунктах в один и тот же момент времени. Однако наличие в различных пунктах, расположенных на разных меридианах, своего местного времени связано с многими неудобствами, поэтому еще в 1878 г. канадский инженер С.Флеминг предложил так называемое поясное время. Вся поверхность земного шара была условно разделена меридианами на 24 часовых пояса. Протяженность каждого из них — 15° (1 час) по долготе. В пределах каждого часового пояса устанавливается единое время. Поясам присвоены соответствующие номера — от 0-го до 23-го. Через нулевой пояс проходит Гринвичский меридиан, от которого нумерация поясов ведется с запада на восток. Номер каждого часового пояса показывает, на сколько целых часов время данного пояса отличается от всемирного. Поясное время при переходе из одного смежного пояса в другой скачком изменяется на 1 ч, а минуты и секунды во всех поясах остаются одинаковыми. Однако, во избежание различных коллизий и неудобств, границы часовых поясов проводятся по границам государственных и административных (внутри стран) образований. На территорию СНГ приходится 11 часовых поясов — со 2-го по 12-й.
Меридиан, долгота которого равна 180°, или 12 ч, является на Земле границей между западным и восточным полушариями. От Гринвичского меридиана к востоку, от пояса к поясу, время увеличивается, а к западу — уменьшается. Поэтому во избежание путаницы со временем при пересечении меридиана с долготой 180°, по нему проходит линия перемены дат (точнее, эта линия проходит с учетом государственных границ). Новый день на Земле начинается на этой линии.
На Северном и Южном полюсах меридианы сходятся в одной точке, поэтому в этих регионах понятие часовых поясов теряет смысл. По сложившейся традиции считается, что время на полюсах соответствует всемирному.
Во многих странах вместо поясного используется так называемое декретное время, которое может отличаться от поясного (например, на 30 мин, на 1 ч и т.д.). Кроме того, в целях лучшего использования естественного (солнечного) освещения, а также по экономическим соображениям во многих странах в летнее время широко практикуется перевод стрелок часов на 1 ч (или больше) вперед относительно поясного (или декретного) времени. Например, для жителей Беларуси и Украины в последние выходные марта, в ночь с субботы на воскресенье, устанавливается летнее время, которое на 3 часа опережает всемирное (гринвичское) время. Возврат к поясному времени происходит в конце октября (в ночь с субботы на воскресенье).
Москва находится во 2-м часовом поясе, но на территории России действует так называемое декретное время, введенное 16 июня 1930 г., когда стрелки часов были переведены на 1 час вперед. Поэтому московское время (MSK) на 3 часа опережает всемирное (UTC+3), а при переходе на летнее время — на 4 часа (UTC+4). Кроме того, московское время является стандартным для России — все местные часовые пояса России (их 11 — от MSK-1 до MSK+9) отсчитываются от него.
Впрочем, в настоящее время в связи широким распространением компьютеров на любительских радиостанциях проблемы определения поясного и летнего времени не существует, т.к. соответствующие сервисы являются обязательными в любой современной операционной системе.
Угнать поясное время вашего корреспондента при использовании компьютерного аппаратного журнала также не проблема. Почти каждый аппаратный журнал при вводе позывного отображает поясное время корреспондента. Кроме того, компьютерный аппаратный журнал автоматически пересчитывает поясное время пользователя в координированное время UTC. Важно только при настройке операционной системы правильно указать свой часовой пояс. Кстати, обратите внимание, что в этой закладке, сняв «галочку», можно отменить для компьютера переход на летнее время.
Иногда бывает полезно (и даже необходимо) установить на компьютере поясное время нулевого часового пояса GMT (Касабланка, Монровия). Дело в том, что не всегда программы аппаратного журнала могут корректно совершить переход на летнее время. Если пользователь работает в эфире с компьютерным аппаратным журналом именно в момент перехода на летнее время (например, в ночь с субботы на воскресенье в последние выходные марта), не исключен сбой времени, с которым оперирует аппаратный журнал. Разумеется, с такой же проблемой можно столкнуться осенью, при возврате к поясному времени. Выбор GMT (Касабланка, Монровия) полностью решает эту проблему.
Время и частота являются двумя сторонами одного процесса — колебательного (волнового). Частота — это число периодических колебаний в 1 с. Следовательно, задача точного измерения частоты неотделима от задачи точного измерения времени. Службы времени различных стран с помощью атомных стандартов времени и частоты хранят размер единиц времени и частоты с высокой точностью, а передача точного времени производится с помощью радио- и телевизионных станций, навигационных систем, через Интернет и т.д. Службы времени обеспечивают решение многих научных задач в области астрономии, радиоастрономии, геодезии, геофизики, геологии, космической навигации; практических задач в области транспорта и связи, а также имеют большое значение при определении скорости распространения радиоволн и ее вариаций во времени.
С развитием Интернета многие задачи, связанные с поддержанием точного времени, стали решать с помощью аппаратных устройств (атомных часов, GPS-приемников и т.д.) и специальных протоколов обмена данными. При использовании TCP/IP чаще всего применяются следующие протоколы:
— Network Time Protocol (NTP), обеспечивающий расхождение хода часов в миллисекунды внутри локальной сети и в десятки миллисекунд при работе в Интернете;
— Simple Network Time Protocol (SNTP) — упрощенный вариант NTP для клиентских компьютеров, используемый для синхронизации часов через Интернет;
— Digital Time Synchronization Protocol (DTSS);
— ICMP Timestamp message — RFC-792.
В составе аппаратной части персональных компьютеров имеется кварцевый генератор и аппаратный счетчик, генерирующий прерывания для процессора. В работающем под управлением операционной системы компьютере при каждом прерывании к переменной, представляющей собой текущее локальное «внутрикомпьютерное» время, добавляется определенная величина. Переменная может быть прочитана операционной системой и запущенными приложениями, а также изменена ими.
Следует различать часы операционной системы и аппаратные часы CMOS. Как правило, протоколы коррекции времени работают с операционной системой, которая, в свою очередь, может корректировать время в часах CMOS.
Неточность компьютерного времени вызывается многими факторами — особенностями работы программ, обращающихся к системному времени, или аппаратной реализации компьютера, а также нестабильностью частоты кварцевого генератора часов CMOS.
Первичными серверами времени являются компьютеры, подключенные к оборудованию, принимающему сигналы точного времени. Эти серверы времени выступают в качестве носителей эталонного времени для большого числа серверов второго уровня, к которым и обращаются клиентские компьютеры. Основная задача протокола синхронизации времени — максимально точно определить разницу между показаниями часов сервера и часов клиента Современные протоколы синхронизации используют разнообразные методы для определения этой разницы. По запросу сервер высылает сообщение, включающее текущие показания часов (timestamp — отметку времени). Клиент записывает собственную отметку времени в момент прибытия сообщения сервера. Для достижения максимальной точности клиенту необходимо измерить задержку распространения ответа «сервер-клиент» и таким образом определить полную величину смещения показаний собственных часов относительно часов сервера. Однако в Интернете маршруты прохождения данных и, соответственно, связанные с этим задержки могут значительно варьироваться, поэтому невозможно определить величину задержки распространения в одну сторону В протоколах заложено измерение общей «транспортной» задержки (от клиента к серверу, а затем от сервера к клиенту).
Число серверов и клиентов, обслуживаемых единым протоколом синхронизации времени, может быть очень большим. Например, для протокола NTP насчитывается свыше 250 серверов времени первого уровня, получающих сигналы точного времени от радиостанций, передающих точное время, от GPS-приемников и т.д. В дополнение к этому имеются многие тысячи локальных образований в крупных правительственных, корпоративных и университетских компьютерных сетях. Каждое образование представляет собой древовидную структуру или подсеть с серверами времени первого уровня, находящимися в корне всей структуры, и вторичными серверами и клиентами.
Протоколы NTP и DTSS допускают широковещательный режим работы, при этом множество клиентов может синхронизироваться с одним или несколькими серверами. Это позволяет уменьшить сетевой трафик. Кроме того, в протоколе NTP клиент определяет задержку для сервера, который является первым обнаруженным в режиме «клиент-сервер», а затем клиент переходит в режим «только слушать». Вдобавок, NTP-клиент может распространять специальное широковещательное сообщение, чтобы «попросить» близлежащие серверы отрегулировать клиентское время, затем, при получении ответа от одного или нескольких серверов, клиент возвращается в режим «клиент-сервер».
Для пользователя операционной системы WindowsXP, имеющего доступ в Интернет, процесс синхронизации системного времени необычайно прост. Если компьютер является членом домена локальной сети, его часы, как правило, автоматически синхронизируются с сетевым сервером времени. Часы локального компьютера, подключенного к Интернету, также можно синхронизировать с сервером времени. Если синхронизация включена часы компьютера синхронизируются с сервером времени один раз в неделю. Однако при отсутствии постоянного подключения к Интернету автоматическая синхронизация выполняется не всегда. В этом случае можно инициировать синхронизацию принудительно, нажав кнопку «Обновить сейчас» (кнопка доступна только после установки флажка «Выполнять синхронизацию с сервером времени в Интернете») на вкладке «Время Интернета» (вкладка доступна только в том случае, если компьютер не является членом домена) диалогового окна «Дата и время». Открыть это окно можно нажав кнопку «Пуск» и выбрав команды «Настройка» и «Панель управления», а затем дважды щелкнув
на значке «Дата и время». Еще проще окно «Дата и время» можно открыть, дважды щелкнув на часах, расположенных в правом углу панели задач. Сервер времени Интернета обновляет на локальном компьютере как дату, так и время.
После нажатия кнопки «Обновить сейчас» часы должны быть немедленно синхронизированы Если этого не произошло, то вероятной причиной является:
— отсутствие подключения к Интернету;
— блокирование сервиса синхронизации часов брандмауэром (файрволлом);
— перегрузка или временная недоступность выбранного сервера времени (в этом случае следует попробовать синхронизировать часы позже или используя другой сервер времени);
— слишком большая разница между временем, установленным на локальном компьютере и на сервере времени в Интернете (сервер времени может не выполнить синхронизацию с часами на компьютере пользователя при разнице во времени более 15 часов).
Для смены сервера синхронизации часов откройте окно «Дата и время», а затем вкладку «Время Интернета» (если компьютер является членом домена, вкладка недоступна), установите флажок «Выполнять синхронизацию с сервером времени в Интернете» и в списке «Сервер» выберите сервер времени, который требуется использовать. Сервер времени «time.windows com» принадлежит корпорации Microsoft, а сервер времени «time.nist.gov» — Национальному институту стандартов и технологий (США). Если имя нужного сервера времени отсутствует в списке, его можно ввести необходимый с клавиатуры. Однако следует иметь в виду, что для синхронизации часов подходят только серверы, использующие протокол SNTP. При вставке адреса сервера, использующего протокол HTTP, синхронизация выполняться не будет.