Afdeling Tijd

Inleiding

Tijdsbepaling heeft een belangrijke traditie op de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB). Bij het ontstaan van de Sterrenwacht, was de realisatie van stercatalogi door middel van meridiaanobservaties één van de voornaamste doelstellingen. Om deze doelstelling te bereiken was het noodzakelijk om zowel de best beschikbare klokken te gebruiken alsook om de tijd zo nauwkeurig mogelijk te bepalen. In het begin van de twintigste eeuw werden nieuwe slingeruurwerken in de kelderverdieping van de Sterrenwacht geïnstalleerd. Deze speciaal ontworpen kelderruimte werd op een stabiele temperatuur gehouden, op enkele tienden van een graad na. De klokken waren verankerd aan stenen pijlers, die op dergelijke manier in de grond waren gevestigd, dat ze onafhankelijk van de structuur van het gebouw stonden opgesteld. Deze vier zogenaamde “fundamentele” klokken, waren Rieffler slingers, waarvan de eerste twee de siderale tijd weergaven, en de overige twee de gemiddelde zonnetijd. De tijd werd bepaald door meridiaanobservaties van de sterren, en werd dan per telefoon verspreid naar openbare plaatsen zoals b.v. de haven van Antwerpen. Later werd deze tijd tot in 1980 gebruikt voor de synchronisatie van de sprekende klok, alsook voor de tijdsignalen die op de radio werden uitgezonden.

Wanneer de eerste kwartsklokken omstreeks 1950 hun opwachting maakten, volgden de technologische ontwikkelingen elkaar snel op, zowel op het gebied van de klokken zelf als op het gebied van het vergelijken van klokken die op grote afstand van elkaar gelegen waren. Door de installatie van de eerste kwartsklokken in 1955, de eerste atoomklok in 1968 en het gebruik van moderne technieken voor internationale klokvergelijkingen (Loran-C sinds 1969, en GPS sinds 1984) evolueerde het tijdslaboratorium van de KSB mee met deze technische ontwikkelingen.

De atoomtijd

Tot in het jaar 1960 werd de tijdsnorm (de seconde) bepaald door de omwenteling van de aarde. De seconde werd gedefinieerd als een fractie (1/86400) van de zonnedag (het tijdinterval tussen twee doorgangen van de zon door de meridiaan van een observatieplaats). Sinds 1967, wordt de seconde bepaald op aan de hand van de eigenschappen van het Cesium atoom met als gevolg een grotere precisie van de tijdseenheid.

Omwille van het feit dat observaties van de maan en andere planeten afwijkingen vertoonden, wist men al langer dat “de omwentelingsklok van de Aarde” niet zeer stabiel was. Aangezien de lengte van de dag bijgevolg veranderlijk was, en de seconde gedefinieerd was als een fractie daarvan, had de seconde ook een veranderlijke duur, wat voor een meeteenheid natuurlijk ontoereikend was. Desondanks bestond er toen geen enkele klok die een betere tijdsschaal kon genereren dan de omwenteling van de Aarde, en werd de nauwkeurigste bepaling van de tijd verkregen uit de astronomische observaties.

Dit veranderde echter toen de atoomklokken hun intrede deden. De wetenschappelijke gemeenschap kon vanaf dan beschikken over een tijdsnorm waarvan de stabiliteit veruit superieur was aan de omwenteling van de Aarde. De seconde bleef de internationale standaardeenheid van tijd, maar werd tijdens de 13de “Conference Générale des Poids et Mesures” opnieuw gedefinieerd, ditmaal als de duur van 9.192.631.770 periodes van de straling die overeenkomt met de overgang tussen de twee hyperfijne energieniveaus van de grondtoestand van het cesium-133 atoom.
Het principe van de atoomklok is het volgende. Atomen kunnen zich in verschillende energieniveaus bevinden die overeenkomen met bepaalde kwantumtoestanden. De overgang van één kwantumtoestand naar een andere, gebeurt door de absorptie of emissie van straling aan een welbepaalde frequentie, die eigen is aan deze overgang.
Een atoomklok, zal atomen opwekken met behulp van straling waarvan de frequentie overeen komt met de overgangsfrequentie waarmee seconden gegenereerd worden (een puls per seconde). In de praktijk zal de aanwakkerende frequentie zo bijgestuurd worden dat men een maximum aantal atomen in opgewekte staat verkrijgt. Deze bekomen frequentie wordt dan gebruikt om seconden te genereren. In het geval van een Cesium klok wordt dus telkens als men 9.192.631.770 perioden telt, één seconde impuls gegenereerd.
Het BIPM (Bureau International des Poids et Mesures, te Parijs) is verantwoordelijk voor de berekening van de Internationale Atoomtijd (TAI). De TAI komt overeen met een gewogen gemiddelde van ongeveer 250 atoomklokken die in een veertigtal laboratoria over de wereld verspreid zijn. Één van deze laboratoria is gevestigd op de Koninklijke Sterrenwacht van België.

Vermits een seconde bekomen met een atoomklok, korter is dan een seconde bepaald als de fractie van een zonnedag, zal de TAI afwijken van de tijdsschaal gebaseerd op de aardrotatie, ook wel de Universele Tijd genoemd. Voor praktische doeleinden is het echter noodzakelijk om ons tijdssysteem zo dicht mogelijk te laten aansluiten bij de zonnetijd. Hiervoor werd in 1971 de Universele Gecoördineerde Tijd (UTC) geïntroduceerd. Deze UTC wordt bepaald door, indien nodig, een geheel aantal seconden toe te voegen aan de TAI, opdat het verschil tussen deze tijd en de omwentelingstijd van de aarde kleiner zou blijven dan 0,9 seconden. De lokale tijd wordt dan verkregen door aan de UTC de correctie van de tijdzone toe te voegen, en een eventuele correctie voor de zomertijd.

Realisatie van UTC

Elk tijdslaboratorium onderhoudt een actuele waarde van de UTC door één klok (of een geheel van atoomklokken) aan deze UTC gelijk te stellen en zijn frequentie op dat van de UTC aan te passen. Deze waarde wordt UTC(k) genoemd, waar k het acroniem is voor het betreffende laboratorium. Op de Koninklijke Sterrenwacht van België wordt deze actuele waarde voor UTC bijgevolg UTC(ORB) genoemd.

De klokken die aan de TAI deelnemen, moeten onderling vergelijkbaar zijn. In éénzelfde laboratorium worden de klokken regelmatig vergeleken met de UTC(k) door middel van een teller die het interval meet tussen de pulsen van de klok (één impuls per seconde) en de pulsen van de UTC(k). Voor klokken die zich in verschillende laboratoria bevinden, gebruikt men twee andere technieken: de meting van het traject van een golf dat via een geostationaire satelliet van het een naar het ander laboratorium verstuurd wordt (“Two-way” genoemd), en een meting met gemeenschappelijke waarneming van GPS satellieten (“Common View” genoemd). Op de Koninklijke Sterrenwacht van België wordt enkel laatstgenoemde methode gebruikt, die als volgt kan worden samengevat:

  1. In een eerste stap, neemt elk laboratorium alle zichtbare GPS satellieten waar op welbepaalde, door het BIPM vastgelegde, tijdstippen. Uit deze waarnemingen leidt men de synchronisatiefout tussen UTC(k) en de GPS tijd. Maandelijks stuurt elk tijdslaboratorium deze gegevens (van de voorbije maand) met de tijdsverschillen tussen de eigen UTC(k) en de GPS tijd, evenals de tijdsverschillen tussen de andere lokale atoomklokken en de UTC(k), door naar het BIPM.
  2. In een tweede stap combineert het BIPM de gegevens van de tijdlaboratoria onderling twee aan twee, en voor elk observatietijdstip van de GPS satellieten, worden de gemeenschappelijke GPS tijdstippen geëlimineerd. Vervolgens worden hieruit dan de synchronisatiefouten tussen de UTC(k)’s afgeleid, waaruit de synchronisatiefouten tussen alle klokken in de verschillende laboratoria, eenvoudig bekomen worden.

Vervolgens verwerkt het BIPM de lokale klokgegevens die via de “two-way”-methode of via de “common view”-methode werden waargenomen tot een “Vrije Atoomschaal” (of in het Frans: Echelle Atomique Libre, EAL). Het algoritme dat hiervoor word gebruikt, geeft aan elke klok een gewicht dat afhangt van de stabiliteit van de klok op lange termijn. Dit gewogen gemiddelde wordt dan met een groep van primaire standaardfrequenties (*) gecombineerd om op die manier de TAI seconde zo dicht mogelijk te verkrijgen bij de officiële definitie van de seconde.

De TAI wordt daarom a posteriori bepaald: de klokken moeten eerst werken om gegevens te verzamelen die naar het BIPM zullen worden verzonden. Na deze a posteriori berekeningen informeert het BIPM de tijdslaboratoria over het verschil en de evolutie tussen de UTC en UTC(k) van de voorbije maand. Bijgevolg kent ieder tijdlaboratorium de voorspelde waarde van UTC en eveneens het verschil tussen zijn UTC(k) en UTC. Dankzij deze informatie kunnen de laboratoria indien nodig hun frequentie aanpassen indien de UTC(k) te veel zou afwijken van de UTC.

Internationaal

De Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB) heeft onder andere als opdracht om te zorgen voor de integratie van België binnen de internationale referentiesystemen voor tijd en ruimte, en dit via nauwkeurige plaats- en tijdsbepaling. De KSB draagt bij tot de volgende tijdsschalen: UTC(ORB), of de berekening van een lokale actuele UTC waarde, TAI, dat aan de basis ligt van de wettelijke tijd en IGST, de tijdsschaal van het IGS (International GNSS Service), die in quasi real time beschikbaar is.
Op dit moment is de KSB betrokken bij de berekening van de TAI door metingen afkomstig van vier klokken (drie cesium klokken en één waterstof maser klok) naar het BIPM te sturen. Naast atoomklokken beschikt het tijdslaboratorium eveneens over alle nodige meetinstrumenten, in het bijzonder GPS ontvangers, die zowel tijdsoverdracht (vergelijken van klokken op grote afstanden van elkaar gelegen) als geodesie mogelijk maken. Dit alles maakt van de KSB één van de weinige Europese stations dat zowel van het TAI als van het IGS netwerk deel uitmaakt.

De verantwoordelijkheid van de KSB op wetenschappelijk vlak bestaat erin de meest nauwkeurige klokgegevens naar het BIPM te versturen. Om aan deze kwaliteitseisen te voldoen worden onze klokken permanent gecontroleerd door hun gedrag zowel onderling als t.o.v UTC(ORB) te vergelijken. Deze klokken staan opgesteld in de kelderverdieping, waar de temperatuur tot op 0.1°C stabiel kan gehouden worden. De toegang tot deze kelders is beperkt opdat de stabiliteit van de temperatuur evenals dat van de vochtigheid niet in het gedrang zou komen. Op deze manier wordt een seconde bekomen met een nauwkeurigheid van 2 10-12 en een lange termijn stabiliteit (wanneer willekeurige variaties van korte termijn minder dan enkele dagen worden verwaarloosd) die beter is dan 2 10-14.

Het onderzoek op de KSB richt zich vooral op tijdsoverdracht via de «common view» methode. Dit onderzoek beoogt het verbeteren van de precisie van de tijdsoverdracht, dit om de vergelijking met de nauwkeurigste atoomklokken ter wereld te kunnen weerstaan.

Nationaal

Over gans België is het de KSB dat zorgt voor de nauwkeurigste tijdsbepaling, of met andere woorden de tijd die het dichtst de TAI benadert. Onze tijdsschaal, de zogenaamde UTC(ORB), wordt verkregen via onze Maser CH1-75 met Waterstof, waarvan de frequentie aangepast wordt om de afwijking ten opzichte van de UTC zo klein mogelijk te houden. Om bovendien iedere onregelmatigheid in UTC(ORB) op te sporen worden deze signalen continu vergeleken met de tijdsschaal UTC(USNO) van de United States Naval Observatory (USNO). Hiervoor wordt beroep gedaan op de GPS “common view” methode en de hiervoor op de Sterrenwacht uitgewerkte procedure die gebruikt maakt van de ionosfeervrije combinatie van de P1 en P2 codes, en van de satellietbanen die door het IGS verstrekt worden. Het volledige systeem is computergestuurd. Een zeer regelmatige kwaliteitscontrole van onze referentieklok zorgt voor het behoud van een precisie zodanig dat de afwijking tussen UTC(ORB) en UTC niet zou oplopen tot boven 0.1 microseconde (10-7 seconde). Op dit moment kan ons controlesysteem zowel afwijkingen op korte als op lange termijn opsporen, met onder andere een lange termijn stabiliteit voor de UTC(ORB) van 10-14 sec/sec als resultaat.
Op nationaal vlak ligt onze verantwoordelijkheid wat betreft “het uur” eveneens bij het jaarlijks informeren van de Belgische gebruikers over het eventueel toevoegen van secondes in de stappencorrectie tussen de UTC en de TAI. Dergelijke correcties worden elk jaar op 30 juni en/of 31 december uitgevoerd wanneer het verschil tussen de UTC en de duur van één omwenteling van de Aarde groter dan 0.9 seconde dreigt te worden. Deze stappencorrectie vindt zijn oorsprong enerzijds in de afwijking geïntroduceerd door de definitie van de seconde (de atoomseconde is iets korter dan de seconde bepaald m.b.t. de huidige omwentelingssnelheid van de aarde), en anderzijds in de variërende omwentelingssnelheid van de aarde die ervoor zorgt dat de dagen niet altijd even lang duren, al zijn deze afwijkingen minimaal. De TAI is een zeer stabiele tijd. De omwentelingssnelheid van de aarde is echter niet constant waardoor de duur van één volledige omwenteling niet altijd 24 uur bedraagt. Dit is het gevolg van energie-uitwisselingen tussen de atmosfeer en het vasteland, evenals tussen de vloeibare kern en de mantel van onze planeet. De IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) bepaalt voortdurend het verschil tussen de UTC en de tijd die berekend wordt op basis van de omwenteling van de aarde. Bijgevolg ligt de verantwoordelijkheid voor het uitvoeren van stappencorrecties, opdat de afwijking tussen de twee tijdsschalen onder 0.9 seconde zou blijven, eveneens bij de IERS. De combinatie van de TAI en de correctieseconden geeft ons de universeel gecoördineerde tijd UTC, die dus een atoomtijd is die dicht bij de omwentelingsduur van de Aarde ligt. Het is deze tijdsbepaling die wereldwijd gebruikt wordt.
In België is de UTC(ORB) van het tijdlaboratorium van de KSB de enige realisatie van de UTC tijd. Het tijdslaboratorium verspreidt deze nauwkeurige tijdsbepaling via de telefoonlijn (verbinding via PC en modem) en het Internet (NTP). De nauwkeurigheid van deze tijdsbepaling die door de gebruikers wordt ontvangen bedraagt ongeveer 20 tot 30 milliseconden (2.10-2 tot 3.10-2 seconde).

Nochtans, is het in België ook mogelijk om een andere tijdsbepaling van de UTC te verkrijgen, namelijk UTC(PTB) waar PTB staat voor Physikalish Technische Bundesanstalt dat in Duitsland gevestigd is. Deze UTC(PTB) is dus afkomstig van een Duits tijdlaboratorium en wordt via een DCF-77 radiosignaal uitgezonden. Dit signaal wordt uitgezonden op een draagfrequentie van 77.5 kHz vanuit Mainflingen nabij Frankfurt, en bevat zowel datum als tijd binnen de UTC(PTB) tijdsschaal.
Nog een bijkomende manier om de UTC te bekomen wordt gegeven door de GPS satellieten die in hun navigatiebericht de synchronisatiefout weergeven tussen de eigen atoomklok en de UTC(USNO), dat de UTC tijdsbepaling is van de United States Naval Observatory. Uit deze informatie kunnen GPS gebruikers bijgevolg na het toepassen van de correctie voor de tijdszone, de nauwkeurige lokale tijd afleiden.

NTP

Het tijdslaboratorium van de KSB beschikt over een openbare dienst die toelaat om computerklokken langs het Internet met UTC te synchroniseren door middel van het Network Time Protocol (NTP). We hebben twee primaire stratum 1 tijdsservers die gesynchroniseerd worden met drie onafhankelijke bronnen: (1) UTC (ORB), onze lokale realisatie van UTC; (2) UTC(USNO), uitgezonden door de GPS satellieten en tenslotte (3) UTC(PTB), uitgezonden door het DCF-77 systeem.

De synchronisatieprecisie van onze primaire tijdsserver ten opzichte van de verschillende tijdbronnen bedraagt een paar microseconden (10-6 seconden). Synchronisaties vanop afstand gebruik makend van onze openbaar NTP protocol brengt een precisie van hoogstens enkele milliseconden (10-3 seconden) teweeg ten opzichte van de UTC, wanneer dit tenminste gebeurt onder optimale omstandigheden.

Ons tijdslaboratorium levert deze synchronisatiedienst kosteloos via de volgende adressen: ntp1.oma.be en ntp2.oma.be.

Het NTP is het meest gebruikte en best presterende tijdsprotocol beschikbaar op het Internet. Het overgrote deel van de PC besturingssystemen leveren eveneens de mogelijkheid om synchronisaties uit te voeren via het NTP protocol.