Introducción

Introducción


El tiempo es una magnitud física con la que es posible medir la duración o separación de dos acontecimientos. La duración o separación de dichos acontecimientos puede ser determinada mediante la utilización de algún instrumento que permita integrar la unidad de medida temporal de la escala de tiempo utilizada. La observación del tiempo permite ordenar los sucesos en secuencias, estableciendo un pasado, presente y futuro, que da lugar al principio de causalidad, uno de los axiomas del método científico.

El tiempo es una magnitud física con la que es posible medir la duración o separación de dos acontecimientos.
En el Sistema Internacional (SI) la unidad básica para la medición de tiempo es el segundo. La sucesión consecutiva de una serie de segundos permite la conformación de lo que se denomina como escala de tiempo. La unidad de medida de una escala de tiempo particular (el segundo) puede determinarse mediante diferentes métodos que dependen de la naturaleza de la definición. Por ejemplo, Tiempo Medio en Greenwich (GMT escala de tiempo, no confundir con la zona horaria), el antecesor de Tiempo Universal (UT), está basado en la duración de un día solar medio. En cambio, el tiempo atómico internacional (TAI, del Francés, Temps Atomique International) se basa en la observación de cientos de patrones (relojes) de Cesio alrededor del mundo. Por lo tanto, una escala de tiempo está basada en observaciones astronómicas (UT) mientras que la otra es altamente uniforme y basada en la observación de un fenómeno físico asociado al átomo de Cesio. Esto genera una diferencia entre UT y TAI producida por diversos fenómenos que afectan a la rotación terrestre sobre la cual se basa la determinación de UT.

Para conciliar nuestros horarios naturales (UT) con las escalas de tiempo altamente uniformes como TAI, se define una variante del UT llamada Tiempo Universal Coordinado (UTC, del Francés, Temps Universel Coordonné), basada al igual que TAI en el segundo del SI, pero definida de forma que no difiera del UT1 en más de 0,9 segundos. Para conseguirlo, se introducen correcciones de un segundo, denominadas segundos intercalares, en el tiempo UTC a medida que las observaciones así lo aconsejan. No obstante, existe en la actualidad una propuesta para modificar la definición de UTC de manera de eliminar el segundo intercalar. Para leer más sobre segundo intercalar, diríjase a este link: http://tycho.usno.navy.mil/leapsec.html


Fig 1. Gráfico de relación entre escalas de tiempo actuales

Misión del Servicio Internacional de la Hora (SIH)

La misión del SIH es la de mantener y diseminar el Tiempo Universal Coordinado (UTC). Dicha diseminación se realiza a través de la entrega semanal de observaciones de satélites GPS en formato CGGTTS y RINEX. Utilizando dicha entrega, es posible conocer la diferencia de tiempo entre el patrón de cesio utilizado por el SIH y el sistema GPS (tiempo GPS). Dichas diferencias de tiempo pueden diferenciarse con las de otro oscilador que se desee contrastar o vincular a la escala de tiempo calculada por el BIPM.

En forma mensual, el BIPM publica la denominada Circular T (https://www.bipm.org/en/bipm-services/timescales/time-ftp/Circular-T.html) donde se especifican los pesos de los relojes involucrados en el cálculo de UTC así como también las diferencias de tiempo respecto de la escala UTC (diferencia denominada UTC – UTC(k), donde k representa el laboratorio de interés). A través de dicha circular, y obteniendo las observaciones del SIH, es posible obtener el estado de un oscilador ubicado en Argentina y compararlo con una escala de alta estabilidad como UTC.

A partir de 2013, el BIPM comenzó a publicar soluciones en forma semanal que brindan diferencias de tiempo día a día (en vez de semana a semana como en la Circular T). A esta solución se la denominó UTC rápida (UTCr) y es consistente con UTC en el entorno de unos pocos nano segundos (https://www.bipm.org/en/bipm-services/timescales/time-ftp/Rapid-UTC.html). Es posible utilizar UTCr cuando se requiere de un período de actualización inferior a una semana o cuando se requieren resultados más expeditivos.

Objetivos del SIH

  1. Mantener la materialización de la escala de Tiempo Universal Coordinado en las instalaciones del Instituto Geográfico Nacional.
  2. Diseminar la mencionada escala a través de los medios tecnológicos disponibles en la actualidad.
  3. Brindar asesoramiento relacionado con los conceptos de tiempo y transferencia de tiempo para aplicaciones geodésicas.

Historia del SIH

En el año 1927 se iniciaron las observaciones para la determinación de la latitud y longitud del Observatorio de Córdoba. Dichas observaciones tenían por objetivo trazar en forma precisa y definitiva los meridianos de la cartografía nacional en su correcta posición. A tales efectos, el Profesor Ingeniero Félix Aguilar realizó numerosas observaciones tanto en Postdam (Alemania), como en Buenos Aires y Córdoba para realizar las determinaciones necesarias.

Dado el conocimiento e instrumental adquirido por el Instituto Geográfico para estas determinaciones, la Unión Geodésica y Geofísica Internacional reunida en Praga en el año 1927, invitó a la Argentina a organizar el envío de señales horarias de precisión. Debido a dicha invitación, el Poder Ejecutivo Nacional encomienda al Instituto Geográfico la transmisión de señales horarias de precisión que comienzan a emitirse el 1º de junio de 1931. Nace de esta forma el SIH, que transmitía las señales horarias necesarias para determinaciones astronómicas fundamentales y expeditivas.

En el comienzo, el SIH utilizaba patrones pendulares. A partir de 1967 comenzó una etapa de modernización de los equipos con la incorporación de relojes de cristal de cuarzo Rhode & Schwarz. Con el paso del tiempo y el avance de la tecnología, comenzaron a utilizarse patrones de Cesio. Sobre dichos patrones se ha realizado la definición moderna del segundo del Sistema Internacional (SI).

Esta definición dice que 1 segundo es “la duración de 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio (133 Cs), a una temperatura de 0 º K”1. El IGN instaló su primer patrón de cesio a principios de la década de 1970.

El Sistema de Tiempo instalado en el SIH

El SIH cuenta en la actualidad con un moderno sistema de Escala de Tiempo Precisa fabricado por la empresa Microsemi e instalado en diciembre de 2017 que permite la materialización en tiempo real de una escala de tiempo atómico ponderada que representa el mejor “promedio” de varios patrones de cesio 5071A. Dicho sistema tiene el propósito de:

  1. Materializar localmente la escala de tiempo UTC, denominada internacionalmente como UTC(IGNA).
  2. Contribuir con observaciones independientes de cada reloj atómico que conforma la escala para la determinación de TAI.

El sistema cuenta con un receptor GPS de doble frecuencia que permite realizar comparaciones de tiempo de alta estabilidad mediante la técnica PPP (ver sección Comparación remota de relojes), un servidor de almacenamiento de datos y un servidor de transferencia de tiempo a través de Internet (utilizando el protocolo NTP). Para garantizar la operación continua en caso de cortes de suministro eléctrico, el sistema cuenta con respaldo de baterías y grupo electrógeno.

¿Qué es un reloj atómico?

Un reloj atómico es un sistema que utiliza una frecuencia de resonancia atómica normal para alimentar un contador o reloj digital. El reloj digital contabiliza el número de ciclos generado por el patrón y, transcurrido un número específico de ciclos, suma un intervalo de tiempo o produce una señal de salida específica. El intervalo integrado por el reloj es, habitualmente, un segundo SI (base de la definición del Sistema Internacional), generando un pulso eléctrico a tiempo (on-time) cada un segundo. A esta señal se la llama señal de 1 pulso-por-segundo (1 PPS, pulse-per-second).

Como ejemplo concreto, si el patrón de cesio tiene una salida de 5 MHz, pasado un segundo trascurren en la salida 5 millones de ciclos de una señal eléctrica sinusoidal los cuales son contabilizados por el reloj utilizando un sistema de compuertas preciso, el cual general la señal de 1 PPS. El PPS es un marcador de disparo que indica (en flanco de subida), el momento exacto en que trascurren la cantidad de ciclos correspondientes a un segundo SI.

Materialización de la Escala de Tiempo Atómico

Para generar TAI el Bureau Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) usa algoritmos matemáticos diseñados específicamente para tal efecto. En la actualidad al algoritmo utilizado se le denomina ALGOS. Estos algoritmos determinan las estabilidades de los relojes participantes y les asignan pesos estadísticos para la ponderación. Es importante señalar que la escala TAI es una escala virtual en el sentido de que no existe señal física alguna que la defina. TAI es más bien el resultado matemático de un promedio ponderado.

Las observaciones realizadas en todos los laboratorios son efectuadas al mismo tiempo permitiendo de esta forma comparar los diferentes patrones de tiempo. Dichas observaciones, además de colaborar con la definición de TAI y la materialización de UTC, permiten también diseminar UTC(IGNA), denominación del laboratorio del Instituto Geográfico Nacional. En la actualidad, el IGN contribuye a TAI y disemina UTC mediante dos métodos basados en observaciones GPS: vista común de satélites y Posicionamiento Puntual Preciso (PPP, Precise Point Positioning). Visto desde el punto de vista conceptual, el sistema e comparaciones opera según el siguiente diagrama de bloques:

Comparación remota de relojes

La comparación remota de relojes permite la medición a distancia de la diferencia de tiempo (fase) de dos o más patrones de tiempo (dependiendo de la técnica utilizada) sin la necesidad de transportar los patrones para realizar las comparaciones. Las tres técnicas más utilizadas para realizar estas comparaciones son:

  1. Vista común de satélites (CV) o Todos los satélites en vista (AV)
  2. Posicionamiento Puntual Preciso (PPP)
  3. Comparación bidireccional de tiempo y frecuencia vía satélite (TWSTFT)

Gracias al receptor doble frecuencia del sistema Microsemi, el IGN posee la capacidad de realizar tanto CV/AV como PPP. Las ventajas de PPP respecto de CV/AV (simple frecuencia) han sido comprobadas por artículos científicos recientes y es actualmente la técnica utilizada para el envío de observaciones al BIPM.

Técnicas "Vista Común de Satélites" y "Todos los Satélites en Vista"

Así como los relojes atómicos cuentan con una salida de 1 PPS que permite obtener el momento exacto en que trascurre dicha unidad de tiempo, algunos receptores GPS especializados también poseen dicha salida. Esta señal se genera en base a los mensajes de navegación que le permiten al receptor, junto con las observaciones de pseudodistancia, sincronizarse al tiempo GPS. El receptor está permanentemente corrigiendo su reloj de cuarzo para que éste se adecue a la precisión necesaria para calcular correctamente las pseudodistancias a cada satélite. Como resultado de este proceso, el receptor puede calcular su posición y tiempo en forma precisa.

Utilizando un contador de intervalos para medir la diferencia de tiempo entre el pulso generado por el patrón de cesio y el pulso del receptor GPS, es posible diferenciar esta observación con aquella de otro patrón de cesio que esté observando el mismo satélite. Como resultado, se obtiene la diferencia de tiempo entre ambos relojes, eliminándose los efectos y errores comunes del satélite observado.

A diferencia de la técnica CV, la técnica de Todos en vista (AV) permite realizar la comparación de tiempo observando todos los satélites en vista entre dos relojes atómicos, en vez de utilizar solo aquellos en común. La ventaja de esta técnica es que permite realizar una estimación más robusta de la diferencia de tiempo entre el reloj atómico y la escala de tiempo del sistema GPS.

El IGN procesa diariamente las observaciones del receptor GPS instalado en la escala de tiempo Microsemi para producir archivos en formato CGGTTS, estándar de transferencia de tiempo utilizado a nivel mundial. Para más información acerca del formato CGGTTS, diríjase a http://tycho.usno.navy.mil/cggtts.html.

Técnica "Posicionamiento Puntual Preciso"

La técnica de transferencia de tiempo PPP está basada en la observación de las fases de las señeles portadoras L1 y L2 del sistema GPS. Utilizando estas observaciones, es posible determinar en forma muy precisa (con un entorno de error inferior al centímetro) la posición y, por lo consiguiente, el tiempo del reloj del GPS respecto de la escala de tiempo del sistema GPS. Al igual que con CV y AV, es posible diferenciar las observaciones entre relojes atómicos de manera de eliminar la escala de tiempo GPS y obtener la diferencia de tiempo entre los relojes a comparar.

Contacto

Telefono: +54 11 4753-5573 Interno 187
Correo electrónico: dgomez@ign.gob.ar (Ing. Agrim. Demián Gómez)