Современное состояние и перспективы развития ГСВЧ в области фундаментального обеспечения ГЛОНАСС

1. Современное состояние и перспективы развития ГСВЧ Донченко С.И., Блинов И.Ю., Гончаров А.С., Федотов В.Н., Смирнов Ю.Ф

8 Международный симпозиум
Метрология времени и пространства
г. Санкт-Петербург
14 – 16 сентября 2016 г

2.

Содержание
Состояние Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли
Деятельность ГСВЧ в области фундаментального обеспечения ГЛОНАСС
Основные направления развития средств воспроизведения, хранения и передачи единиц времени и
частоты и шкалы времени
Состояние и основные показатели развития комплекса средств определения и прогнозирования
параметров вращения Земли
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

3. Правовые основы исчисления времени в Российской Федерации:

- Федеральный закон от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»;
- Федеральный закон от 3 июня 2011 г. № 107-ФЗ «Об исчислении времени»;
- Постановление Правительства РФ от 23 марта 2001 г. № 225 «Об утверждении Положения о
Государственной службе времени, частоты и определения параметров вращения Земли»;
- Постановление
Правительства РФ № 323 от 30 апреля 2008 г «Об утверждении Положения о
полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию, развитию и использованию
глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны и
безопасности государства, социально-экономического развития Российской Федерации и расширения
международного сотрудничества, а также в научных целях»;
Общее руководство деятельностью ГСВЧ осуществляет Федеральное агентство по техническому
регулированию и метрологии.
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

4. Основные направления деятельности ГСВЧ

• обеспечение независимого воспроизведения, хранения и передачи единиц времени, частоты и
национальной шкалы времени с заданными характеристиками;
• определение и прогнозирование ПВЗ с заданными характеристиками;
• обеспечение потребности государства в ЭСЧВ и в информации о точном значении московского времени
и календарной дате, а также в информации о ПВЗ;
• метрологический и оперативный контроль ЭСЧВ, передаваемых российскими и иностранными
техническими средствами и системами;
• международное сотрудничество в области обеспечения единства измерений времени, частоты и
определения ПВЗ;
• разработка нормативной и методической документации в области обеспечения единства измерений
времени, частоты и определения ПВЗ;
• представление потребителям официальной информации и справочных данных ГСВЧ.
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

5. Федеральные органы исполнительной власти и организации, участвующие в деятельности ГСВЧ

- Министерство промышленности и торговли Российской Федерации
- Министерство обороны Российской Федерации
- Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны,
чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий
- Министерство образования и науки Российской Федерации
- Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (руководство ГСВЧ)
- Федеральное агентство связи
- Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии
- Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
- Госкорпорация «Роскосмос»
- ФАНО и Российская академия наук
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

6.

Технические средства ГСВЧ
Эталонная база
Росстандарт:
ГЭТ 1-2012
ВЭТ 1-5
ВЭТ 1-7
ВЭТ 1-19
РЭТ 1-1
Средства передачи
ЭСЧВ
Росстандарт:
РБУ
РВМ
РТЗ
Передающие средства
МО РФ
Эталоны
МО РФ
Средства и центры
метрологического
обеспечения
Росстандарт:
ГМЦ ГСВЧ
ПМК ГСВЧ:
г. Иркутск
г. Хабаровск
г. Новосибирск
г. П-Камчатский
МО РФ
Средства и центры
определения ПВЗ
Центры обработки и
анализа данных ПВЗ:
ГМЦ ГСВЧ
ИПА РАН
ЦНИИМАШ
ИНАСАН
Средства МО РФ
Средства ОПВЗ:
ГНСС
РСДБ
СЛД
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

7.

Эталонная база ГСВЧ
Светлое
ГЭТ1-2012
АЦУС
«Цель»
РЭТ1
ЦС-М
Зеленчукская
ЦС-М
ВЭТ1-19
ВЭТ1-5
ВЭТ1-7
Бадары
Бадары
РСДБ
Квазар
КВО
TWSTFT
КОС
НАП КНС
ЭВЧ
ЭПВЧ
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

8. Состав Государственного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1-2012

Государственный первичный
эталон единиц времени, частоты и
национальной шкалы времени
ГЭТ 1-2012
Комплекс
воспроизведения
единиц времени и
частоты
Комплекс
хранения
национальной
шкалы времени
Комплекс
передачи единиц
времени, частоты и
национальной шкалы
времени
Комплекс
средств
технического
обеспечения
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

9. Комплекс воспроизведения единиц времени и частоты

Комплекс предназначен для независимого воспроизведения единиц времени и частоты в соответствии с
определением секунды в Международной системе единиц.
В состав комплекса входят метрологические цезиевые реперы частоты:
27.08.2009
МЦР «Фонтан» CsF1
28
МЦР «Фонтан» CsF2
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

10.

Характеристики CsFO2 ГЭТ 1-2012
НСП CsFO2 ≤ 5,0 · 10-16
Нестабильность частоты
y (1 сут) ≈ 1 E-15
Circular T 315 BIPM

11. Комплекс хранения национальной шкалы времени

Комплекс предназначен для хранения единиц времени и частоты, расчёта национальной шкалы времени,
проведения внутренних сличений, формирования рабочих шкал времени, для выдачи опорных сигналов на
другие технические средства ГЭВЧ и ГМЦ ГСВЧ, для проведения сравнений национальной шкалы времени с
удалёнными шкалами времени.
Стандарты частоты и времени
водородные Ч1-75А
Комплекс формирования рабочих
шкал времени
Комплекс внутренних сличений
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

12. Характеристики нестабильности водородных стандартов Ч1-75А

σy(τ) ВСоп-BCi
σy(τ) ВСоп-BCi
1,0E-13
1,0E-13
1,0E-14
109
1,0E-15
1,0E-14
114
110
115
111
116
112
117
1,0E-15
τи , с
1,0E-16
1
10
100
1000
10000
100000 1000000
τи , с
1,0E-16
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
Нестабильность частоты выходных сигналов y (1 сут) ≤ 5,0 · 10-16
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

13. Комплекс передачи единиц времени, частоты и национальной шкалы времени

Комплекс предназначен для передачи единиц времени, частоты и национальной шкалы времени вторичным
и рабочим эталонам и средствам измерений времени и частоты в соответствии с требованиями
Государственной поверочной схемы для средств измерений времени и частоты.
Перевозимый комплект
аппаратуры
дуплексных сличений
шкал времени
ПКЧВ-М
Стационарный комплект аппаратуры дуплексных
сличений шкал времени
Специализированные временные приёмники сигналов ГНСС
TTS-3, TTS-4 и GTR51
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

14. Синхронизация шкал времени с UTC(SU) через сеть интернет

ФГУП ВНИИФТРИ предоставляет открытый доступ к серверам синхронизации шкал времени c UTC(SU) по протоколу NTP:
4 сервера stratum1 размещенные на ГЭВЧ и 4 сервера stratum1, размещенные на вторичных эталонах.
Все сервера предоставляют доступ по протоколу NTPv4 IPv4 в соответствии со стандартом RFC-5905.
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

15.

Алгоритм формирования национальной шкалы времени UTC(SU)
МЦР «Фонтан»
независимо
воспроизводит единицы
времени и частоты
Физическая реализация UTC(SU)
формируется в режиме реального
времени
Шкала UTC(SU)
рассчитывается на основе TA(SU)
[UTC - UTC(SU)] ≤ 7 нс
Шкала TA(SU)
рассчитывается на
основе результатов
измерений отклонения
частот ВС
относительного
МЦР «Фонтан»
8 комплектов Ч1-75A
используются для хранения TA(SU)
ГЭВЧ
Потребители

16. Характеристики формирования национальной шкалы времени UTC(SU) в 2016 году

UTC - UTC(k)
7
6
UTC(SU)
UTC(PTB)
5
4
3
2
1
ns 0
UTC(USNO)
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
01.01.16
31.01.16
02.03.16
01.04.16
02.05.16
01.06.16
02.07.16
01.08.16
01.09.16
Погрешность согласования шкалы времени UTC(SU) с UTC в 2016 г не превышает ± 7 нс
CIRCULAR T 336 – 344 BIPM
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

17. Рост точности формирования шкалы времени UTC(SU) в последнее десятилетие

нс
Погрешность согласования [UTC - UTC(k) max]
нс
50
20
45
18
40
16
35
14
30
12
25
UTC - UTC(SU)
10
20
8
15
6
10
UTC - UTC(USNO)
UTC - UTC(k)
Случайная погрешность (СКО) формирования шкал
времени
UTC(SU)
UTC(USNO)
4
5
2
0
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
0
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Точность согласования шкалы времени UTC(SU) с UTC за последние 10 лет выросла на порядок
CIRCULAR T BIPM MJD 53374 – MJD 57384
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

18. Деятельность ГСВЧ в области фундаментального обеспечения ГЛОНАСС

В соответствии с
Постановлением Правительства от 30.04.2008 г.
№323
Федеральному агентству по
техническому регулированию и метрологии, осуществляющему руководство ГСВЧ, поручено обеспечение системы
ГЛОНАСС эталонными значениями времени и частоты, национальной шкалой времени и данными о параметрах
вращения Земли».
Основу средств фундаментального обеспечения системы ГЛОНACC составляют технические средства
ГСВЧ, образующие:
-
комплекс средств формирования национальной шкалы времени UTC(SU)
- комплекс средств определения и прогнозирования параметров вращения Земли
- комплекс средств уточнения фундаментальных астрономо-геодезических параметров
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

19. Состав комплекса средств формирования национальной шкалы времени UTC(SU)

Комплекс средств формирования
UTC(SU)
Средства
воспроизведения единиц времени
и частоты
Средства
хранения UTC(SU)
Средства
передачи UTC(SU)
в ГНС ГЛОНАСС
В качестве основных средств формирования UTC(SU) служат технические средства Государственного
первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ)
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

20. Основные направления развития комплекса средств формирования национальной шкалы времени UTC(SU)

• модернизация комплексов хранения национальной шкалы времени UTC(SU) для обеспечения её согласования с
Международной шкалой координированного времени UTC не более ± 3 нс;
• разработка высокоточных средств сравнений национальной шкалы времени со шкалой времени системы
ГЛОНАСС и другими удалёнными хранителями шкал времени;
• создание хранителя единиц времени и частоты на основе «фонтана» атомов рубидия с нестабильностью не более
(1,0÷2,0)·10-16;
• создание оптического стандарта частоты с неисключенной систематической погрешностью воспроизведения
единиц времени и частоты не более 1,0·10-16;
• исследования по созданию высокоточного канала передачи эталонных сигналов времени и частоты по волоконнооптической линии связи.
ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы
ГЛОНАСС» на 2012 – 2020 годы
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

21. Целевые показатели реализации ФЦП ГЛОНАСС в части национальной шкалы времени

DT, нс
50
45
Требования к точности передачи UTC(SU) системой ГЛОНАСС
Требования к точности согласования UTC(SU) с UTC
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы
ГЛОНАСС» на 2012 – 2020 годы
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

22.

Модернизация комплексов хранения национальной шкалы времени
БКВЧ
Комплекс формирования
шкалы времени
Комплекс сравнений шкал
времени по сигналам
ГНСС
Комплекс дуплексных
сравнений шкал времени
Комплексы управления и
информационного обмена
Опытный образец эталонного комплекса времени и частоты ЭКВЧ
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

23. Модернизация комплексов хранения национальной шкалы времени

Стандарт частоты и
Устройство сличения
Устройство сличения
времени водородный
частот сигналов
шкал времени
(4 шт.)
Опытный образец базового комплекса времени и частоты БКВЧ
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

24. Характеристики нестабильности частоты водородных стандартов БКВЧ

Нестабильность частоты СЧВВ не превышает 3х10-16 при времени измерения 1 сутки
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

25. Хранитель единиц времени и частоты на основе «фонтана» атомов рубидия

Оптическая часть
Атомный спектроскоп
Нестабильность единицы частоты (СКДО) ≤ 2х10-16
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

26.

Оптический репер частоты на атомах стронция
Экспериментальный образец
Система вторичного охлаждения
Неисключенная систематическая относительная погрешность воспроизведения частоты ≤ 1х10-16
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

27. Совершенствование стандартов частоты и времени

(Т)-Цезиевый репер частоты ВНИИФТРИ теплового
точность
10
10
типа (ГЭТ1-98)
(Ф)-Цезиевый репер частоты ВНИИФТРИ фонтанного
типа (ГЭТ1-2012)
(О) –Оптический стандарт ВНИИФТРИ
на атомах стронция (План 2016 г.)
-12
(Т)
-14
H
Hg
+
Yb +
Ca
Sr +
10
Оптические часы
(ионы)
-16
Sr
Hg +
Hg +
10
Оптические часы
(решетки)
Sr
NIST Al+-1
NIST Al+-2
Al+ PTB
Цель РТВ
-18
1970
1980
1990
2000
Годы
(Ф)
(О)
2010
2020
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

28. Перспективные методы сравнений шкал времени на базе станций КОС

•.
ФГУП «ВНИИФТРИ», п. Менделеево
ВС филиал ФГУП «ВНИИФТРИ», г. Иркутск
Потенциальная погрешность сравнений шкал времени ≤ 50 пс
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

29.

Состояние комплекса средств определения и прогнозирования
параметров вращения Земли
Достигнуто следующее значение целевого показателя средств фундаментального
обеспечения ГЛОНАСС в части определения параметров вращения Земли (ПВЗ):
Точность знания положения оси вращения Земли < 5 см
Получены следующие основные результаты:
1) Достигнута независимость отечественных ПВЗ от данных международных средств
измерений и, прежде всего, РСДБ
2) Достигнуты следующие точности определения ПВЗ отечественными средствами:
Погрешность определения координат полюса
в оперативном режиме:
< 2мс дуги (6см в линейной мере)
в апостериорном режиме: < 1 мс дуги (3см в линейной мере)
Погрешность определения углов прецессии/нутации < 1мс дуги (3 см в линейной мере)
Погрешность определения Всемирного времени
в оперативном режиме:
< 70 мкс (3 см в линейной мере)
в апостериорном режиме: < 30 мкс (1,5 см в линейной мере)
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

30.

Разности оперативных значений ПВЗ ГСВЧ и серии ПВЗ C04
Международной службы вращения Земли и опорных систем координат
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

31.

Технические средства ГСВЧ для измерений с целью
определения ПВЗ, расположенные на территории России и стран СНГ
Радиоинтерферометрические обсерватории
РСДБ-комплекса КВАЗАР-КВО (РСДБ)
Навигационные приемники (ГНСС)
Спутниковые лазерные дальномеры
(СЛД, КОС)
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

32.

Технические средства пункта определения ПВЗ ГМЦ ГСВЧ
Средства ГНСС
СЛД (КОС)
Вычислительные
средства
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

33.

Целевые показатели комплекса средств определения и прогнозирования ПВЗ КСФО ГЛОНАСС :
ЦЕЛЕВОЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПО ПВЗ
Требования к точности определения ПВЗ в ФЦП ГЛОНАСС на 2012-2020 гг. определяются показателем:
Q9 = СКО (ПВЗRus – ПВЗC04)
ПВЗRus – значения Всемирного времени, координат полюса, углов прецессии/нутации, определенных отечественными
средствами;
ПВЗC04 – значения Всемирного времени, координат полюса, углов прецессии/нутации, определенных МСВЗ
ТРЕБОВАНИЯ К ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПВЗ
ОТЕЧЕСТВЕННЫМИ СРЕДСТВАМИ К 2020 ГОДУ
Погрешность определения координат полюса
в оперативном режиме:
< 6мм (0,2 мс дуги)
в апостериорном режиме: < 2мм (67 мкс дуги)
Погрешность определения углов прецессии\нутации < 3 мм (0,1 мс дуги)
Погрешность определения Всемирного времени
в оперативном режиме:
< 20 мкс (9 мм)
в апостериорном режиме:
< 10 мкс (4,5 мм)
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

34.

Выводы:
ГСВЧ обеспечивает потребности страны в узаконенной информации о точном времени, эталонных частотах
и параметрах вращения Земли согласно требованиям Постановлений Правительства РФ №225 и №323.
Достигнутые характеристики технических средств ГСВЧ соответствуют
современному уровню развития
средств измерений времени и частоты в мире.
Выполнение мероприятий ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС» на 2012 –
2020
годы, направленных на создание и модернизацию средств формирования UTC(SU) и средств
определения
ПВЗ,
обеспечит
выполнение
целевых
показателей
ГЛОНАСС
в
части
средств
фундаментального сегмента.
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»

35.

Благодарю за внимание!
ГНЦ РФ ФГУП «ВНИИФТРИ»