Transferencia de tiempo y frecuencia

La transferencia de tiempo y frecuencia es un sistema en el que múltiples sitios comparten una hora o frecuencia de referencia precisa. Esta técnica se utiliza comúnmente para crear y distribuir escalas de tiempo estándar, como el Tiempo Atómico Internacional (TAI). La transferencia de tiempo resuelve problemas como la correlación entre destellos u otros fenómenos observados por observatorios astronómicos, así como la coordinación de transferencias entre antenas de telefonía móvil cuando un teléfono se desplaza de una celda a otra.

Se han desarrollado diversas técnicas, a menudo transfiriendo la sincronización del reloj de referencia de un punto a otro, frecuentemente a largas distancias. Una precisión cercana a un nanosegundo a nivel mundial resulta económicamente viable para numerosas aplicaciones. Los sistemas de navegación por radio se utilizan con frecuencia como sistemas de transferencia de tiempo.

En algunos casos, se realizan múltiples mediciones durante un período de tiempo y la sincronización horaria exacta se determina retrospectivamente. En particular, la sincronización horaria se ha logrado utilizando pares de radiotelescopios para escuchar un púlsar , y la transferencia de tiempo se realiza comparando los desfases temporales de la señal recibida del púlsar.

Algunos ejemplos de técnicas de transferencia de tiempo y frecuencia son:

• Métodos de observación simultánea:
  • Observación simultánea de la fase portadora de señales GNSS (como GPS ) ^{[ 1 ] [ 2 ]}
  • Transferencia de tiempo mediante la observación simultánea de transmisiones de TV ^{[ 3 ]}
  • Transferencia de tiempo mediante la observación simultánea de señales de radioastronomía
• Métodos de transferencia bidireccional:
  • Transferencia bidireccional de tiempo y frecuencia vía satélite
• Métodos de red:
  • Protocolo de tiempo de red
  • Protocolo de tiempo de precisión

En un sistema de transferencia de tiempo unidireccional, un extremo transmite su hora actual a través de un canal de comunicación a uno o más receptores. ^{[ 4 ] : 116} Al recibir el mensaje, los receptores lo decodifican y, o bien informan la hora, o bien ajustan un reloj local que proporciona informes de tiempo de retención entre la recepción de mensajes. La ventaja de los sistemas unidireccionales es que pueden ser técnicamente sencillos y dar servicio a muchos receptores, ya que el transmisor desconoce la identidad de estos.

El principal inconveniente del sistema de transferencia de tiempo unidireccional es que los retrasos de propagación del canal de comunicación no se compensan, salvo en algunos sistemas avanzados. Ejemplos de sistemas de transferencia de tiempo unidireccionales son el reloj de una iglesia o un edificio municipal y el tañido de sus campanas indicadoras de la hora; las bolas horarias ; las señales de radiofrecuencia como LORAN , DCF77 y MSF ; y, por último, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) , que utiliza múltiples transferencias de tiempo unidireccionales desde diferentes satélites, con información de posición y otros medios avanzados de compensación de retardo para permitir que el receptor compense la información de tiempo y posición en tiempo real.

En un sistema de transferencia de tiempo bidireccional, los dos pares transmitirán y recibirán los mensajes del otro, realizando así dos transferencias de tiempo unidireccionales para determinar la diferencia entre el reloj remoto y el reloj local. ^{[ 4 ] : 118} La suma de estas diferencias de tiempo es el retardo de ida y vuelta entre los dos nodos. A menudo se supone que este retardo se distribuye uniformemente entre las direcciones entre los pares. Bajo esta suposición, la mitad del retardo de ida y vuelta es el retardo de propagación que debe compensarse. Una desventaja es que el retardo de propagación bidireccional debe medirse y utilizarse para calcular una corrección de retardo. Esa función puede implementarse en la fuente de referencia, en cuyo caso la capacidad de la fuente limita el número de clientes que pueden ser atendidos, o mediante software en cada cliente. El NIST proporciona un servicio de referencia de tiempo a los usuarios de computadoras en Internet, ^{[ 5 ]} basado en applets de Java cargados por cada cliente. ^{[ 6 ]} El sistema de transferencia de tiempo y frecuencia por satélite bidireccional (TWSTFT) que se utiliza en la comparación entre algunos laboratorios de tiempo utiliza un satélite para un enlace común entre los laboratorios. El Protocolo de Tiempo de Red (NTP) utiliza mensajes basados ​​en paquetes a través de una red IP.

Históricamente, la determinación telegráfica de la longitud fue una forma importante de conectar dos puntos. Podía utilizarse de forma unidireccional o bidireccional, con cada observatorio corrigiendo potencialmente la hora o la posición del otro. Los métodos telegráficos del siglo XIX establecieron muchas de las mismas técnicas utilizadas en la actualidad, incluyendo los cálculos de retardo de tiempo de ida y vuelta y la sincronización horaria en el rango de 15 a 25 milisegundos. ^{[ 7 ]}

La diferencia horaria entre dos relojes se puede determinar comparando simultáneamente cada reloj con una señal de referencia común que se recibe en ambos sitios. ^{[ 8 ]} Siempre que ambas estaciones terminales reciban la misma señal satelital al mismo tiempo, la precisión de la fuente de la señal no es importante. La naturaleza de la señal recibida tampoco es importante, aunque los sistemas de navegación y sincronización ampliamente disponibles, como GPS o LORAN, resultan convenientes.

La precisión del tiempo transferido de esta manera suele ser de 1 a 10  ns. ^{[ 9 ]}

Desde la llegada del GPS y otros sistemas de navegación por satélite , se dispone de una sincronización muy precisa y asequible gracias a muchos receptores GNSS comerciales . Su diseño inicial preveía una precisión de sincronización general mejor que 340 nanosegundos utilizando el modo "grueso" de baja calidad y 200  ns en el modo de precisión. ^{[ 10 ]} Un receptor GPS funciona midiendo con precisión el tiempo de tránsito de las señales recibidas de varios satélites. Estas distancias, combinadas geométricamente con información orbital precisa, identifican la ubicación del receptor. La sincronización precisa es fundamental para una ubicación GPS precisa. La hora de un reloj atómico a bordo de cada satélite se codifica en la señal de radio; el receptor determina cuánto tiempo después recibió la señal de la que se envió. Para ello, un reloj local se corrige a la hora del reloj atómico del GPS resolviendo para tres dimensiones y el tiempo basándose en cuatro o más señales de satélite. ^{[ 11 ]} Las mejoras en los algoritmos llevan a muchos receptores GPS modernos de bajo coste a alcanzar una precisión mejor que 10 metros, lo que implica una precisión de sincronización de unos 30 ns. Las referencias de tiempo de laboratorio basadas en GPS alcanzan habitualmente una precisión de 10 ns. ^{[ 12 ]}

• Servicio Internacional de Rotación Terrestre y Sistemas de Referencia
• Protocolo de tiempo de precisión
• Sincronización
• Metrología del tiempo y la frecuencia
• Señal horaria
• Sincronización horaria en Norteamérica