TIEMPO UNIVERSAL COORDINADO DEL CENAM: EVALUACIÓN DE DESEMPEÑO

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1 Smposo de Metrología 6 al 7 de Octubre de 6 TIEMPO UNIVERSAL COORDINADO DEL CENAM: EVALUACIÓN DE DESEMPEÑO J. M. López Romero, Nélda Díaz M., F. Jménez Tapa. Centro Naconal de Metrología km 4, Carr. a Los Cués, El Marqués, 764, Qro., Méxco Tel. ( 44 4, e-mal: jlopez@cenam.mx Resumen: Desde marzo de 99 el Centro Naconal de Metrología, CENAM, ha mantendo nnterrumpdamente la generacón de la escala de Tempo Unversal Coordnado UTC(CNM. Durante el msmo perodo de tempo ha partcpado en la generacón de la escala de Tempo Unversal Coordnado, el UTC, del BIPM. Para la generacón del UTC(CNM el CENAM mantene en operacón un conjunto de relojes atómcos de Ceso (cuyo numero ha osclado a lo largo de años entre y 6 relojes y, desde el 4, un Máser Actvo de Hdrógeno. Con el objeto de mejorar la establdad y exacttud del UTC(CNM la Dvsón de Tempo y Frecuenca del CENAM ha desarrollado un reloj vrtual con el cual se generará el UTC(CNM. En este artículo se realza un análss del desempeño del UTC(CNM para el perodo entre enero del 4 y abrl del 6. Se comparan los resultados con el desempeño de escalas de tempo UTC de algunos otros laboratoros prmaros de metrología. Así msmo, se presentan los resultados más recentes de la evaluacón del desempeño del reloj vrtual del CENAM.. INTRODUCCIÓN El número de medcones de tempo realzadas en Méxco daramente es, por lo menos, del orden de dez ml mllones. Tales medcones de tempo tenen un alto mpacto económco. Una estmacón conservadora ndca que dchas medcones están asocadas al manejo de un monto económco en el país de por lo menos ml mllones de dólares anualmente. Por otro lado, desde el punto de vsta técnco, la caldad de múltples benes y servcos utlzados cotdanamente depende en buena manera de la medcón de tempo, tal es el caso de la teleonía, el nternet, la televsón y la rado, entre muchos otros. En general, el sector de las telecomuncacones requere de medcones de tempo de alto nvel de exacttud. Aplcacones avanzadas en cenca y tecnología requeren de medcones de tempo de alta exacttud, tal es el caso de la navegacón, astronomía, rado astronomía y ísca, entre otros. Las escalas de tempo son de suma mportanca debdo a sus mplcacones a nvel socal, ya que, entre otras cosas, de ellas se derva la hora del día. La escala de tempo UTC, generada por el Bureau Internatonal des Pods et Mesures (BIPM, es la reerenca nternaconal para las escalas de tempo []. El UTC satsace las dos relalcones sguentes: UTC UT,9 s, y UTC = TAI + n, donde n es un número entero de segundos. La eleccón del valor para n, así como la determnacón del momento de modcacón, es hecha por el Internatonal Earth Rotaton Servce and Reerence Systems (IERS. Actualmente n = - segundos. Cabe ndcar que la escala de tempo UTC no es usada drectamente en aplcacones ndustrales y otros usos práctcos ya que es el resultado numérco de un algortmo matemátco. Sn embargo, las realzacones que algunos países mantenen del UTC, por medo de sus laboratoros prmaros de metrología, las cuales son denotadas por UTC(k, donde k ndca el acrónmo del laboratoro que genera la escala, son de suma mportanca ya que éstas son las que se utlzan para las aplcacones drectas en los procesos ndustrales y otros usos práctcos. En el caso de Méxco la realzacón del UTC es mantenda por el CENAM. Dcha realzacón es denotada por UTC(CNM.. El UTC(CNM En marzo de 996 el Centro Naconal de Metrología (CENAM ncó su contrbucón en la generacón del UTC [] []. En aquel msmo año, el CENAM ncó la generacón de su escala UTC(CNM, de la cual se dervan la hora del día para los tres husos horaros del país. Al momento de escrtura de este trabajo, el UTC(CNM se genera en térmnos de la salda de un reloj atómco de tpo comercal de alto desempeño el cual es comparado con otros tres relojes atómcos de ceso de tpo comercal, un máser actvo de hdrógeno y un patrón prmaro de recuenca de bombeo óptco [4]. El reloj utlzado para la generacón del UTC(CNM se le llama tambén Reloj Maestro. En el corto plazo el UTC(CNM será generado en térmnos de una escala de tempo promedada que toma en cuenta el desempeño, no

2 Smposo de Metrología 6 al 7 de Octubre de 6 solamente de un reloj atómco, sno de un ensamble de relojes. El UTC(CNM provee al país de una reerenca de tempo de muy alta exacttud y establdad, con un nvel de sncronía con el UTC mejor que nanosegundos.. COMPARACIÓN INTERNACIONAL DEl UTC(CNM Desde marzo de 996, el UTC(CNM se mantene en un programa de comparacón nternaconal con otras escalas de tempo UTC(k de aproxmadamente laboratoros prmaros de metrología alrededor del mundo. Dcho programa de comparacón es coordnado por el BIPM. Los resultados ocales de la comparacón del UTC(CNM con el UTC son publcados mensualmente en la Crcular T del BIPM. La técnca de vsta común del Sstema de Posconamento Global (GPS es utlzada para los eectos de dcha comparacón []. El CENAM sgue la agenda de observacones del BIPM para la regón del Noroeste de Amérca. Por otro lado, a partr de mayo del, el CENAM partcpa en un programa de comparacones en el SIM que utlza tambén el sstema GPS en vsta común pero ncorpora receptores GPS de 8 canales [6]. Cabe ndcar que los resultados de la comparacón del UTC(CNM dentro del SIM son consstentes con los resultados del BIPM publcados mensualmente en la Crcular T [7]. 4. RESULTADOS DE LA COMPARACIÓN INTERNACIONAL DEL UTC(CNM La gura muestra grácamente los resultados publcados en la Crcular T del BIPM entre enero del 4 y abrl del 6, sobre las derencas UTC UTC(CNM. La establdad del UTC(CNM, medda en térmnos de la desvacón de Allan, para tempos de promedacón de año es de.7 partes en. La Fgura muestra los puntos de la escala UTC(CNM sobre los cuales se ha eectuado un ajuste ntenconal en el corrmento racconal de recuencas del reloj maestro. Cabe menconar que en todos los casos los cambos en la desvacón racconal de recuenca en el reloj maestro han sdo menores que -4. La tabla muestra los valores numércos de los corrmentos racconales de recuenca eectuados en el reloj maestro y los observados en el UTC(CNM. Los valores de la desvacón racconal de recuenca desplegada en el panel del reloj maestro, son denotados por. UTC - UTC(CNM / ns UTC - UTC(CNM enero 4 - abrl 6 4 Fgura. Resultados publcados en la Crcular T del BIPM sobre la comparacón del UTC(CNM con el UTC. Los resultados mostrados corresponden al perodo que va de enero del 4 a abrl del 6. UTC - UTC(CNM / ns UTC - UTC(CNM enero 4 - abrl Fgura. Desvacones racconales promedo del UTC(CNM respecto al UTC. Las desvacones racconales de recuenca promedo del UTC(CNM respecto al UTC son denotan como. En ambos casos se utlzan los subíndces A y D para ndcar antes y después del corrmento de recuenca. Fnalmente, se ndcan como δ P y δ E los cambos en la derenca racconal de recuenca en el reloj maestro y en el UTC(CNM, respectvamente. La gura 4 muestra las derencas de tempo del UTC(CNM respecto al UTC, así como de otras escalas smlares. Las derencas de tempo mostradas en la gura 4 son las publcadas en la Crcular T del BIPM. 8

3 Smposo de Metrología 6 al 7 de Octubre de 6 UTC - UTC(CNM / ns UTC - UTC(CNM enero 4 - abrl Fgura. Puntos de la escala UTC(CNM que ndcan una accón ntenconal sobre la desvacón racconal de recuenca del reloj maestro Reloj Maestro / - UTC(CNM / - A D δ P A 7 D 8 8 δ E , , , , , Tabla. Valores numércos de los corrmentos racconales de recuenca en el reloj maestro del CENAM y en el UTC(CNM. De la gura se apreca que las derencas entre el UTC(CNM y el UTC para el perodo de tempo entre enero del 4 y abrl del 6 son smlares a las del UTC(NPL, UTC(ROA y las del UTC(KRIS. Por otro lado, las escalas de tempo UTC(PTB, UTC(NRC y UTC(OP muestran una dspersón alrededor del UTC a largo plazo lgeramente menor que el UTC(CNM. La escala de tempo UTC(NIST muestra la menor dspersón tanto a corto como a largo plazo. Cabe ndcar que el UTC(NIST es generado en térmnos de una escala de tempo promedada smlar a la que se dscute en la seccón de este artículo. Las establdades de las escalas de tempo pueden ser meddas objetvamente usando la desvacón de Allan. La gura muestra la establdad del UTC(CNM medda en térmnos de la desvacón de Allan. Excepto en una regón cercana a τ = 6 meses, la establdad del UTC(CNM puede ser aproxmada por la expresón: σ ( τ 8, donde τ es el tempo de y τ promedacón meddo en segundos. UTC - UTC(k / ns EEUU Alemana UTC - UTC(k enero 4 - abrl 6 Inglaterra Franca 4 Méxco 6 Corea 7 Canadá 8 España UTC(CNM UTC(NRC UTC(KRIS UTC(ROA UTC(NPL UTC(PTB UTC(OP UTC(NIST Fgura 4. Derencas de tempo respecto al UTC de algunas escalas de tempo UTC(k durante el perodo entre enero del 4 y abrl del 6. Con el objeto de tener un marco de comparacón para la establdad del UTC(CNM, la gura 6 muestra la establdad de las escalas de la gura 4. La establdad del UTC(CNM es smlar a la establdad del UTC(OP para todos los tempos de promedacón. Tambén es smlar al UTC(KRIS salvo para tempos de promedacón de año donde el UTC(CNM muestra mejor establdad. La establdad del UTC(NIST permanece sempre mejor que el resto de las escalas de tempo analzadas. Es nteresante notar que, para el período de tempo analzado, la establdad del UTC(CNM dere sstemátcamente de la establdad del UTC(NIST por un actor no mayor que. Los resultados de establdad mostrados en la gura 6 han sdo obtendos utlzando drectamente las derencas de tempo publcadas en la Crcular T del BIPM.. RELOJ VIRTUAL DEL CENAM La generacón de escalas de tempo promedadas se basa en un ensamble (conjunto de relojes y un algortmo matemátco que combna de manera óptma sus característcas metrológcas. El resultado del algortmo matemátco es un Reloj Vrtual. Las escalas de tempo generadas en térmnos de relojes vrtuales, tambén llamadas escalas de tempo promedadas, tenen mejor desempeño en 9

4 Smposo de Metrología 6 al 7 de Octubre de 6 conabldad, establdad y exacttud que cualquera de los relojes partcpantes en el ensamble..e- Establdad del UTC(CNM lechas sóldas. El comparador de ases realza una medcón cada segundo con una resolucón de pcosegundo. Sn embargo cabe ndcar que el rudo del comparador está al nvel de pcosegundos. Desvacòn de Allan.E-4-4 Canal Canal Canal Canal N.E- - dìas mes año Tempo de promedacón / s Tempo de premedacón / s M N Reloj Maestro Reloj Reloj Reloj Reloj N Fgura. Establdad del UTC(CNM medda en térmnos de la desvacón de Allan. Establdad de las escalas UTC(k Desvacòn de Allan.E- -.E-4.E- - Canadá Alemana Inglaterra 6 7 Tempo de promedacón / s Corea España Méxco Franca EEUU NRC KRISS ROA OP NIST días mes año CENAM.E-6-6 E+ E+6 E+7 E+8 Tempo de promedacón / s Fgura 6. Establdades de la escala de tempo UTC(CNM comparada con la establdad de otras escalas de tempo smlares. El algortmo matemátco detrás de una escala de tempo promedada calcula a un tempo t, la derenca de tempo entre cada uno de los relojes atómcos membros del ensamble y el reloj vrtual V. El tempo generado por el reloj vrtual V, que es el tempo de la escala, se obtene aplcando la correccón apropada al tempo de cualquera de los relojes membros del ensamble. La partcpacón de cada uno de los relojes se realza medante la medcón de la derenca de tempo respecto a un reloj común, denomnado usualmente reloj maestro. Para el caso del reloj vrtual del CENAM, las comparacones entre los relojes del ensamble se realzan por medo de un comparador de ases no comercal de canales. Dchas comparacones están representadas en la gura 7 por medo de las 8 NPL PTB Fgura 7 Dagrama esquemátco de las comparacones que toman parte en la generacón del Reloj Vrtual del CENAM. Las líneas sóldas representan los relojes y comparacones reales mentras que las líneas ntermtentes representan al reloj y comparacones vrtuales. El algortmo de la escala de tempo promedada del CENAM, denomnada tambén ETP-, es smlar al de la escala de tempo promedada AT del NIST [8]. La ETP- es una escala de tempo procesada en tempo real. El algortmo genera en tempo real las derencas de cada uno de los relojes membros del ensamble respecto al reloj vrtual. El algortmo de la ETP- realza estmacones de la derenca de tempo y derenca de recuenca entre cada uno de los membros del ensamble y el reloj vrtual en cada cclo de medcón. Dcho cclo de medcón en la ETP- puede ser elegdo entre un segundo y día. El algortmo de la ETP- utlza 4 ecuacones undamentales para la generacón del reloj vrtual, a saber: Dτ X ( t + τ = X ( t + Y ( t + τ. N X ( t + τ = w X ( t + τ X ( t + τ j= Y ( t + τ = j V [ ] j X ( t + τ X τ j ( t 4

5 Smposo de Metrología 6 al 7 de Octubre de 6 Y ( t + τ + my ( t Y ( t + τ = + m Aquí X ( t + τ es la predccón de la derenca de tempo del reloj -ésmo respecto al reloj vrtual V para el tempo t+τ, X (t es la derenca de tempo del reloj -ésmo respecto al reloj vrtual al tempo t, Y (t es la recuenca del reloj -ésmo al tempo t, la constante D es el corrmento de recuenca del reloj -ésmo respecto al reloj vrtual V, τ es el cclo de teracón. Los subíndces toman valores desde hasta N, donde N es el número de relojes que partcpan en la generacón de la escala de tempo ETP-. w j es el peso del reloj j-ésmo. Cabe ndcar que los pesos están normalzados, esto es, N = w =. La eleccón de los valores especícos para los pesos ω se hace por medo de la relacón ϖ, donde σ es la desvacón de Allan del σ reloj -ésmo estmada para un tempo de promedacón de día. Y ( t + τ es la predccón de la derenca de recuenca promedo del reloj - ésmo. Fnalmente, la constante m es estmada en uncón de la mejor establdad para cada reloj. Con el objeto de transormar el reloj vrtual V en un reloj real, se ha ntroducdo, con peso cero, un Mcrophase Steper (MPS al ensamble de relojes cuya entrada es la recuenca del Máser. El algortmo de la ETP- mde las derencas racconales, con tempos de promedacón que van desde una hora hasta día, entre la salda del MPS y el reloj vrtual V y utlza dcha normacón para corregr de manera automátca la recuenca del Máser. De esta orma la ETP- ncorpora un control automátco para gualar la recuenca de la salda del MPS a la recuenca del reloj vrtual. Ver gura CONCLUSIONES La escala de tempo UTC(CNM se genera de manera nnterrumpda desde marzo del 996. Las derencas de tempo entre el UTC(CNM y el UTC se mantenen sstemátcamente por debajo de ns desde marzo del. Se ha desarrollado en el CENAM un algortmo que permte operar un reloj vrtual el cual a su vez establece la plataorma para generar el UTC(CNM en térmnos de la recuenca corregda de un Máser actvo de Hdrógeno. M H Reloj Maestro Reloj peso w Fgura 8. Ensamble de relojes para la generacón del UTC(CNM en térmnos del reloj vrtual V. REFERENCIAS peso w Reloj peso w Reloj peso w V Máser peso w M peso Comuncacón UTC(CNM MPS [] Terry J. Qunn, The BIPM and the Accurate Measurement o Tme, Proc. o the IEEE, Vol. 79, No. 7, July 99, pp [] Crcular T del BIPM. [] J. M. López-Romero et al, Frst Year Results o the Internaconal Comparson o the UTC(CNM, Proc. o the 997 IEEE Internatonal Frequency Control Symposum, pp [4] Iván Domínguez et al, Prmer Reloj Atómco Construdo en Amérca Latna: Evaluacón de Errores Sstemátcos, Memoras del Smposo de Metrología, Querétaro, Méxco. [] Allan D., Wess M., Accurate Tme and Frequency Transere Durng Common-vew o GPS Satellte, Proc 98 Internatonal Frequency Control Symposum, pp [6] J.M. López-Romero et al, SIM Tme and Frequency Comparson Network n Near Real Tme, Smposo de Metrología 6. [7] Mchael Lombard et at, The Inter-Amercan Metrology System (SIM Common Vew GPS Comparson Network, [8] Marc A. Wess and Thomas P. Wessert, TA, A Tme Scale Algorthm or Post-Processng: AT Plus Frequency Varance, IEEE Trans. Instr. and Meas., Vol. 4, No., Aprl 99, pp. 496.