Государственный первичный эталон единицы времени и частоты¶

Государственный первичный эталон единицы времени и частоты — это национальный эталон Российской Федерации, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единиц времени и частоты (секунды и герца) с наивысшей в стране точностью. Эталон является основой государственной системы обеспечения единства измерений в области времени и частоты и определяет шкалу координированного времени России, которая синхронизирована с международной шкалой UTC.

¶Назначение и функции

Эталон выполняет три ключевые функции:

• Воспроизведение секунды — единицы времени в Международной системе единиц (СИ), определение которой основано на частоте перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
• Хранение национальной шкалы времени — непрерывной последовательности секунд, формируемой на основе показаний эталонных атомных часов.
• Передача единиц времени и частоты вторичным эталонам и рабочим средствам измерений, обеспечивая единство измерений на всей территории страны.

¶Состав эталона

Современный Государственный первичный эталон времени и частоты (ГЭТ 1-2022) включает в себя несколько функциональных блоков:

• Цезиевые реперы — первичные стандарты частоты на основе атомных пучков цезия, задающие значение секунды. В состав эталона входят как классические цезиевые фонтаны, так и стандарты на основе лазерного охлаждения атомов.
• Водородные мазеры — высокостабильные квантовые стандарты частоты, используемые для хранения шкалы времени в краткосрочной и среднесрочной перспективе благодаря низкому уровню фазовых шумов.
• Оптические стандарты частоты — перспективные стандарты на основе ионов и нейтральных атомов (стронций, иттербий), обеспечивающие воспроизводимость частоты на уровне 10⁻¹⁸ и выше.
• Аппаратура формирования шкалы времени — система компараторов, синтезаторов и вычислительных средств, объединяющая сигналы всех стандартов и формирующая национальную шкалу времени.
• Система сличения — аппаратура для сравнения эталона с международными и национальными эталонами других стран, включая спутниковые методы (GPS, ГЛОНАСС) и методы передачи сигналов точного времени.

¶Точность и характеристики

Метрологические характеристики эталона определяются его воспроизводимостью и нестабильностью. Для ГЭТ 1-2022 характерны следующие показатели:

• относительная нестабильность частоты за сутки — порядка 10⁻¹⁵;
• относительная воспроизводимость частоты — на уровне 10⁻¹⁵;
• погрешность шкалы времени относительно международной шкалы UTC — не более нескольких наносекунд.

Достижение таких характеристик обеспечивается использованием лазерного охлаждения атомов, магнитной защиты, а также сложной системы компенсации систематических сдвигов частоты (гравитационных, тепловых, электромагнитных).

¶Хранение и передача единиц

Эталон хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) в посёлке Менделеево Московской области. Передача единиц времени и частоты осуществляется через:

• сигналы точного времени, передаваемые по радио и через сеть Интернет (NTP-серверы);
• спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS, бортовые шкалы которых синхронизируются с эталоном;
• вторичные эталоны, находящиеся в региональных центрах метрологии.

¶Роль в экономике и науке

Эталон обеспечивает работу критически важных инфраструктур: систем связи и телекоммуникаций, энергетики, транспорта, финансовых операций. Высокоточное время необходимо для функционирования сетей 5G, синхронизации работы электростанций, навигационных систем и геодезических измерений. В науке эталон используется для проверки фундаментальных физических теорий, включая исследования в области релятивистской геодезии и поиска вариаций фундаментальных констант.

¶История

Первые государственные эталоны времени в СССР были созданы в 1930-х годах на основе кварцевых генераторов. С развитием квантовой электроники в 1950-х годах появились молекулярные и атомные стандарты. В 1967 году секунда была переопределена через атомный переход цезия, что потребовало создания новых эталонов. Последняя модернизация российского эталона завершилась в 2022 году, когда в его состав были включены оптические стандарты частоты, что позволило повысить точность на порядок.

¶Источники

• ГОСТ Р 8.129-2013 «Государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты».
• Материалы ВНИИФТРИ о составе и характеристиках ГЭТ 1-2022.
• Документы Международного бюро мер и весов (BIPM) о сличениях национальных эталонов.