EL UTC(CNM): NUEVO ESQUEMA DE GENERACIÓN

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1 Smposo de Metrología 200 EL UTC(CNM): NUEVO ESQUEMA DE GENERACIÓN N. Díaz Muñoz, F. Jménez Tapa, M. López Romero Dvsón de Tempo y Frecuenca, Centro Naconal de Metrología km. 4.5 Carretera a los Cués, El Marqués, Querétaro Teléfono 0 (442) , ndaz@cenam.mx Resumen: El Tempo Unversal Coordnado, UTC, es la referenca nternaconal de tempo, su generacón se encuentra en constante mantenmento y está a cargo del Bureau Internatonal des Pods et Measures, BIPM. El UTC es una escala de tempo vrtual, donde poco más de medo centenar de laboratoros alrededor del mundo mantenen una realzacón local de esta escala contrbuyendo a su generacón. En Méxco se genera la escala denomnada UTC(CNM) mantenda por la Dvsón de Tempo y Frecuenca del Centro Naconal de Metrología (CENAM). A partr del de Octubre de 2009 el UTC(CNM) se realza en térmnos de un reloj vrtual. En este trabajo se expone el esquema de generacón del UTC(CNM) en térmnos de una escala de tempo promedada, asmsmo se presenta el análss del desempeño del UTC(CNM), mostrando sus característcas de establdad y exacttud.. INTRODUCCIÓN Una escala de tempo es el resultado de ntegrar undades de tempo de manera contnua, nfnta y ordenada. Exsten muchas escalas de tempo empleadas en dversas aplcacones, en partcular, menconaremos algunas relaconadas con la referenca nternaconal de tempo: a) La escala de Tempo Unversal (UT), es una escala de tempo astronómca, donde la undad básca se defne y se mde en térmnos de los movmentos de rotacón y traslacón de la Terra. b) La escala de Tempo Atómco Internaconal (TAI), en esta escala hay concdenca para defnr la undad básca con la defncón del Sstema Internaconal de undades (SI) y se genera por el BIPM. c) La escala de Tempo Unversal Coordnado (UTC), se genera tambén por el BIPM en base al TAI y al UT, esto se cumple de acuerdo con las sguentes ecuacones: UTC TAI = n () UTC UT 0, 9s (2) Donde n es un número entero de segundos. En la ecuacón () se establece que la dferenca entre el UTC y el TAI es sempre gual a un número entero de segundos. En la ecuacón (2) se restrnge al UTC para que no dfera del UT más de 0,9 segundos. La determnacón del valor de n y el momento en que se debe modfcar este valor, se determna por el Internatonal Earth Rotaton Servce and Reference System (IERS). El BIPM recbe datos de escalas de tempo provenentes de dversos laboratoros de metrología ubcados alrededor del mundo y así generar el UTC, sn embargo el UTC no puede utlzarse drectamente en aplcacones ndustrales y técncas debdo que es el resultado numérco de un algortmo matemátco. Las escalas de tempo que contrbuyen al UTC, generadas por los dversos laboratoros de metrología [], son de gran mportanca debdo a que son justamente éstas las que se utlzan en las aplcacones drectas en la ndustra y en la tecnología. Estas realzacones del UTC locales se dentfcan como UTC(k), donde k ndca el acrónmo del laboratoro que genera la escala. Para el CENAM, k = CNM, por consguente la escala generada se denomna UTC(CNM). 2. DESCRIPCIÓN DEL UTC(CNM) 2. Antecedentes del UTC(CNM) En marzo de 996 el CENAM se agregó al conjunto de laboratoros que contrbuyen en la generacón del UTC [2], en aquel msmo año el CENAM ncó la generacón de la escala de tempo real UTC(CNM) de la cual se derva la hora del día para los tres husos horaros del país. Desde el año 996 hasta septembre de 2009 el UTC(CNM) fue generado por un solo reloj de Ceso, denomnado Reloj Maestro, sendo el reloj con mejor desempeño del conjunto de relojes atómcos que operan en los laboratoros Centro Naconal de Metrología

2 Smposo de Metrología 200 de la Dvsón de Tempo y Frecuenca del CENAM. Para asegurar el buen desempeño del UTC(CNM) el reloj maestro se mantenía en comparacón nterna permanente con todo el grupo de relojes atómcos. Esta comparacón se llevaba a cabo a través de la técnca denomnada Comparacón de Fase por Doble Mezclador [2]. Bajo este esquema se realzaba una medcón de fase de las señales de 5 MHz de cada par de relojes atómcos cada segundo, las 24 horas del día, todos los días. Con dchas medcones era posble estmar la establdad en frecuenca de cada reloj atómco y conocer a su vez su desempeño, permtendo determnar cuál del conjunto de relojes era el mejor y así defnrlo como reloj maestro. A partr del de octubre de 2009 y hasta la fecha, el UTC (CNM) se realza con la contrbucón de todos los relojes atómcos del CENAM, utlzando un algortmo matemátco que permte combnar las mejores característcas metrológcas de cada reloj generando de esta manera una escala de tempo promedada. Este esquema de generacón de escalas de tempo promedadas ha sdo mplementado recentemente en algunos de los laboratoros que de gual manera contrbuyen en la generacón del UTC Comparacón Internaconal del UTC(CNM) El Sstema de Posconamento Global (GPS) [3] es un sstema sateltal operado por el Departamento de Defensa de los Estados Undos para fnes de defensa y navegacón prncpalmente, el cual tambén se usa como un sstema ntermedaro para la transferenca de tempo de muy alta exacttud. El sstema GPS consta de 24 satéltes dstrbudos en 6 orbtas, con 4 satéltes por órbta. Dchas órbtas son semsíncronas con perodos de h58 mnutos, cada órbta a 55º de nclnacón respecto al plano ecuatoral con km de rado (4.2 veces el rado de la terra). El sstema GPS transmte en dos portadoras ubcadas en la banda L, a saber: GHz y a.2276 GHz. La emsón se hace utlzando técncas de espectro dsperso lo que hace que la transmsón sea resstente a nterferencas naturales e nducdas permtendo a su vez que la señal de los satéltes esté sempre presente en cualquer punto de la terra. Las señales emtdas por el sstema GPS se generan por relojes atómcos a bordo en cada satélte. Entre las múltples aplcacones del GPS se encuentra la de medcón de tempo ya que el sstema opera bajo prncpos de sncronía. Parte de la nformacón que envían los satéltes es el tempo de la escala GPS-tme, la cual es una escala de tempo propa del sstema. Una de las técncas más usadas en la comparacón de escalas de tempo, que están físcamente separadas grandes dstancas, es la denomnada técnca de vsta común del sstema GPS. Receptor GPS-B y sstema de medcón B t B-S (t)= T B (t) T GPS (t) - D B Vsta Técnca común de COMMON-VIEW del Sstema GPS Receptor GPS-A y sstema de medcón A t A-S (t)= T A (t) T GPS (t) - D A T A-B (t) = T A-S (t) - T B-S (t) = T A (t) T B (t) (D A D B ) Fg. Representacón gráfca de la técnca de vsta común del sstema GPS. Dcha técnca opera báscamente de la sguente manera: ) Tanto el laboratoro A como el laboratoro B realzan medcones smultáneas de dferenca de tempo entre su escala de tempo local y un msmo satélte del sstema GPS. ) Ambos laboratoro convenen prevamente una agenda común para las observacones. ) Intercambo de las medcones realzadas por cada laboratoro. Las medcones de dferenca de tempo t A-S al tempo t que realza el laboratoro A con el satélte S pueden escrbrse como t t) = T T D A S ( (3) A GPS donde T GPS (t) es el tempo del sstema GPS al nstante t, mentras que T A (t) es el tempo del laboratoro A al msmo nstante t, D A es la suma de retardos en la propagacón de la señal del satélte S hasta el receptor en el laboratoro A. De manera smlar, las medcones que realza el laboratoro B pueden expresarse como: t t) = T T D B S ( (4) B GPS A B Centro Naconal de Metrología 2

3 Smposo de Metrología 200 Tomando las dferencas de las medcones del laboratoro A y del laboratoro B se tene la sguente relacón: T A B = T T A S B S A TB ( DA DB = T ) (5) Es decr, la contrbucón del GPS en la ecuacón 5 se cancela (al nvel de los nanosegundos) permanecendo solamente las dferencas de tempo entre los laboratoros A y B. Los retardos D A y D B son funcón de la poscón de los satéltes al momento de la comparacón, así como de la poscón de las antenas GPS de los laboratoros y de los retardos nternos de cada receptor GPS. Con esta técnca es posble hacer comparacones de escalas de tempo entre pares de laboratoros con ncertdumbres del orden de los nanosegundos[4] El nuevo esquema de generacón UTC(CNM). La generacón de la Escala de Tempo Promedada mplantada en el CENAM desde Octubre de 2009, está basada en un conjunto de relojes atómcos y un algortmo matemátco que combna las característcas metrológcas de cada reloj partcpante, la conjuncón de estos dos elementos da como resultado la obtencón de un Reloj Vrtual o escala de tempo promedada y de esta forma se puede tener un mejor desempeño en confabldad, establdad y exacttud de lo que puede arrojar por s solo cada reloj. El algortmo responsable de la generacón de la Escala de Tempo Promedada fue denomnado ETP-. El algortmo calcula a un tempo t, las dferencas de tempo de cada uno de los relojes partcpantes y el Reloj Vrtual (RV). El tempo generado por el Reloj Vrtual, se obtene aplcando la correccón apropada al tempo de cualquera de los relojes que partcpan en la ETP-. Cada reloj partcpa medante la medcón de la dferenca de tempo respecto a un reloj común denomnado reloj maestro. En los laboratoros de Tempo y Frecuenca del CENAM, se realza la comparacón entre relojes por medo de un comparador de fases de 32 canales. El comparador de fases realza una medcón cada segundo con una resolucón de pco segundo y emplea la técnca de medcón denomnada doble mezclador. Fg. 2 Dagrama representatvo de la generacón del Reloj Vrtual, en donde las líneas soldas son los relojes y comparacones reales en tanto que las líneas ntermtentes son las comparacones de cada reloj atómco con el reloj vrtual. El algortmo de la ETP- está conformado de 4 ecuacones, como se muestran a contnuacón: ˆ τ ) = X Dτ + Y + τ 2 X (6a) N j= j [ Xˆ τ ) X )] τ (6b) X ) = w τ Yˆ ( t Y τ ) = j Xˆ τ ) X τ + (6c) Yˆ τ ) + my ) = + m τ (6d) ˆ Donde X τ ) es la predccón de la dferenca de tempo del reloj -ésmo respecto al reloj vrtual para el tempo t + τ. X τ ) es la dferenca de tempo del reloj -ésmo respecto al reloj vrtual al tempo t. La constante D es el corrmento de frecuenca del reloj -ésmo respecto al reloj vrtual. j Centro Naconal de Metrología 3

4 Smposo de Metrología 200 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 promedada. w j es el peso del reloj j-ésmo. Los pesos están normalzados, esto es,. La = determnacón de los valores de los pesos w se hace por medo de la relacón w σ N w, donde σ es la desvacón de Allan del reloj -ésmo estmada para un tempo de promedacón de día. Yˆ τ ) es la predccón de la dferenca de frecuenca promedo del reloj -ésmo. Y τ ) es la dferenca de frecuenca del reloj -ésmo. La constante m es estmada en funcón de la mejor establdad para cada reloj. Con el algortmo matemátco descrto anterormente se ha mplantado en la Dvsón de Tempo y Frecuenca del CENAM la escala de tempo promedada. Incalmente se contaba con 4 relojes de Ceso y máser actvo de hdrógeno, actualmente dos de estos relojes de Ceso han sdo retrados. La escala se calcula cada hora tenendo una asgnacón de pesos dnámca. Con el propósto de que la escala de tempo se converta en una escala real se utlza un Mcro Phase Steeper (MPS), el cual recbe la nstruccón de correccón del algortmo que calcula el reloj vrtual y modfca una de las señales de frecuenca del máser de hdrógeno cada vez que se calcula la escala de tempo, es decr cada hora. La señal orgnada por el máser de hdrogeno y modfcada por el MPS es la llamada UTC(CNM). La salda del MPS se utlza como otro reloj que partcpa en la generacón de la escala con el objeto de retroalmentar las dferencas de tempo entre la salda del MPS y la escala. El MPS se controla de manera que las dferencas de tempo entre la salda del MPS y la escala permanezcan constantes. El MPS partcpa en la generacón de la escala con peso 0, esta descrpcón se representa en el sguente esquema. = Fg. 3 Esquema que lustra la nueva mplementacón de la generacón del UTC(CNM). Cabe menconar que la mplantacón del Reloj Vrtual se realzó con medos nformátcos, con esto se quere decr que el algortmo matemátco ETP- y el control que se realza sobre el MPS para corregr la señal del Máser de Hdrogeno proceden de un software que se descrbe a contnuacón. El software tene por nombre ESTIV que quere decr EScala de TIempo Vrtual, se desarrolló en Delph 200 y consta de 6 módulos prncpales:. ESTIV_Adquscón: Este programa realza la adquscón de dferencas de tempo entre el reloj maestro y los relojes que partcpan en la generacón del reloj vrtual, la comuncacón entre el comparador de fase y la computadora que ejecuta el software es RS-232 y cada segundo es adqurda una medcón. Fg. 4 Pantalla del programa de adquscón. Centro Naconal de Metrología 4

5 Smposo de Metrología ESTIV_Fase_Acumulada: Por la naturaleza de las medcones que se obtenen del comparador de fase, la funcón de este programa es como su nombre lo ndca, realzar la frase acumulada de las medcones del comparador de fase para que estos datos sean utlzados en la generacón del reloj vrtual. promedada y muestra gráfcos de establdad. Fg. 6 Pantalla del programa de ETP-. Fg. 5 Pantalla del programa de fase acumulada. 3. ESTIV_ETP-: Este programa se encarga de generar el reloj vrtual, el cálculo lo realza cada hora empleando las cuatro ecuacones descrtas anterormente. Tambén en este programa se realza la asgnacón de pesos de manera automátca a partr del la determnacón de las establdades de las dferencas entre el reloj vrtual y cada uno de los relojes partcpantes. En este modulo tambén se obtene el valor del corrmento en frecuenca que se emplea para controlar el MPS. Fg. 7 Pantalla del programa de corrmento de datos. 4. ESTIV_Corrmento: Este programa manda un comando al MPS para realzar el corrmento de frecuenca, la comuncacón es RS-232 y el corrmento se realza cada hora. 5. ESTIV_Grafco: Este programa se encarga de mostrar gráfcamente las dferencas de tempo entre el reloj maestro y los demás relojes, los datos de fase acumulada, los resultados de la escala de tempo Fg. 8 Pantalla del programa de gráfcos. 6. ESTIV_Alarma. Este programa se encarga de montorear los datos de fase acumulada, Centro Naconal de Metrología 5

6 Smposo de Metrología 200 en caso de exstr alguna dscontnudad en los datos el programa envía correos electróncos avsando de esta rregulardad en los datos para que los usuaros tomen las meddas pertnentes y que el evento no afecte la generacón de la escala. DIFERENCIAS DE TIEMPO / ns UTC(k) (Enero Juno 200) /2/ /03/ /07/2009 4/0/ /0/200 02/05/200 FECHA UTC(CNM) UTC(NIST) UTC(ONRJ) UTC(PTB) UTC(USNO) Fg.0 Comparacón de las dferencas de tempo entre las mejores escalas de tempo respecto al UTC, en el perodo comprenddo entre el ro de enero de 2009 al 26 de juno de 200. E-3 ESTABILIDAD DE LOS UTC(k) ( de Enero, 2009 al 30 de Septembre, 2009) Fg. 9 Pantalla del programa dealarma. 3. RESULTADOS En la fgura 0 se muestra una gráfca de las dferencas de tempo entre el UTC y algunas de las mejores escalas de tempo de dversos laboratoros naconales. Al centro de la gráfca se muestra una línea color blanco que representa la fecha en la cual se realzó el cambo de esquema en la generacón de la escala de tempo UTC(CNM) (línea azul). Como se puede observar el grafco correspondente al UTC(CNM), la dspersón de los datos del lado del nuevos esquema comparándolo con el anteror presenta una menor ampltud. Del gráfco de las dferencas de tempo de la fgura 0 se calcularon las establdades para cada laboratoro. En las fguras y 2 se presentan los gráfcos de las establdades de los UTC(k) a modo de comparar el anteror y el nuevo esquema de generacón del UTC(CNM). Cabe recalcar que las escalas de tempo de los dferentes laboratoros mostradas en las gráfcas anterores son escalas de tempo promedadas. En el grafco de la fgura se puede observar claramente la dferenca para tempos de promedacón grandes del UTC(CNM) generado con el antguo esquema respecto a los demás UTC(k) s. σ y (τ) E-4 E TIEMPO / días CNM NIST ONRJ PTB USNO Fg. Grafco de las establdades de los UTC(k) desde el de enero de 2009 hasta el 30 de septembre de Por otro lado, de las establdades mostradas en la fgura 2 se puede observar que hay una mejoría en la ventana de observacón de 80 días, para el caso del UTC(CNM) defndo en térmnos de una escala de tempo promedada, justamente el comportamento que se espera para este tpo de escalas en los largos perodos de tempo. En la fgura 3 se muestra un comparatvo de la establdad del UTC(CNM) entre ambos esquemas de generacón. Se puede observar que para tempos de promedacón menores a 30 días el antguo esquema presenta mejor establdad que el nuevo esquema, sn embargo para ventanas de Centro Naconal de Metrología 6

7 Smposo de Metrología 200 observacón mayores el nuevo esquema posee mejor establdad que el antguo esquema de generacón. E-3 ESTABILIDAD DE LOS UTC(k) ( de Octubre, 2009 al 27 de Juno, 200) el nuevo esquema respecto al esquema anteror, el cual se basaba solo en un reloj para su generacón. Se mostro que el UTC(CNM) generado a partr de una escala de tempo promedada presenta mejor establdad para tempos de promedcón de un mes o más. σ y (τ) E-4 E-5 E TIEMPO / días CNM NIST ONRJ PTB USNO Fg.2 Grafco de las establdades de los UTC(k) desde el de octubre de 2009 hasta el 27 de juno de 200. Fnalmente cabe hacer notar que para la realzacón de la escala de tempo promedada se ncó con 4 relojes de Ceso y un máser de hdrógeno. Durante este perodo dos de los relojes de Ceso se retraron del conjunto debdo al térmno de su vda útl. Este cambo se hace notar con un ncremento en la ampltud de la dspersón en las medcones de las dferencas de tempo del UTC(CNM) respecto al UTC, tal y como se puede constatar en la gráfca de la fgura 0. En un futuro nmedato se tene contemplado la resttucón de estos relojes, esperando mejorar el desempeño del UTC(CNM). AGRADECIMIENTOS E-3 ESTABILIDAD DEL UTC(CNM) ANTES Y DESPUES En general a toda la Dvsón de Tempo y Frecuenca del CENAM. REFERENCIAS σ y (τ) E-4 E TIEMPO / días UTC (CNM) Des UTC (CNM) Ant Fg. 3 Grafco comparatvo de las establdades del UTC(CNM) con el antguo esquema y el nuevos esquema. [] Terry J. Qunn, The BIPM and the Accurate Measurement of Tme, Proc. of the IEEE, Vol. 79, No. 7, July 99, pp [2] J. M. López-Romero et al, Frst Year Results of the Internaconal Comparson of the UTC(CNM), Proc. of the 997 IEEE Internatonal Frequency Control Symposum, pp [3] W. Lewandowsk and C. Thomas, GPS tme transfere, Proc. Of the IEEE, Vol 79, No 7 Julo 99. [4] F. Jménez Tapa, J. M. López Romero, Evaluacón del comportamento del UTC(CNM), Smposo de Metrología CONCLUSIONES Se presentó el nuevo esquema de generacón del UTC(CNM) en funcón de un reloj vrtual. Éste utlza un conjunto de relojes y un algortmo matemátco que combna las característcas metrológcas de cada reloj, obtenendo un reloj vrtual el cual tene mejor desempeño que cualquera de los membros del conjunto. Se mostró el sstema nformátco que componen al reloj vrtual, el cual está dvddo en módulos para una mejor ejecucón. Se llevo a cabo un comparatvo del desempeño del UTC(CNM) con Centro Naconal de Metrología 7