نقل الوقت والتردد

يُعدّ نقل الوقت والتردد آليةً تسمح لمواقع متعددة بمشاركة وقت أو تردد مرجعي دقيق. تُستخدم هذه التقنية عادةً لإنشاء وتوزيع مقاييس زمنية قياسية مثل التوقيت الذري الدولي (TAI). يحلّ نقل الوقت مشكلاتٍ مثل ربط المراصد الفلكية بين الومضات المرصودة أو الظواهر الأخرى، بالإضافة إلى تنسيق أبراج الهواتف المحمولة لعمليات نقل المكالمات عند انتقال الهاتف من خلية إلى أخرى.

طُوّرت تقنيات متعددة، غالباً لنقل تزامن الساعة المرجعية من نقطة إلى أخرى، عبر مسافات طويلة في كثير من الأحيان. وتُعدّ دقة تقارب نانوثانية واحدة على مستوى العالم عمليةً من الناحية الاقتصادية للعديد من التطبيقات. وتُستخدم أنظمة الملاحة الراديوية بشكل متكرر كنظم لنقل الوقت.

في بعض الحالات، تُجرى قياسات متعددة على مدى فترة زمنية، ويُحدد التزامن الزمني الدقيق بأثر رجعي. على وجه الخصوص، تم تحقيق التزامن الزمني باستخدام أزواج من التلسكوبات الراديوية للاستماع إلى نجم نابض ، حيث يتم نقل الوقت عن طريق مقارنة فروق التوقيت لإشارة النجم النابض المستقبلة.

تشمل أمثلة تقنيات نقل الوقت والتردد ما يلي:

• أساليب الرصد المتزامن:
  • المراقبة المتزامنة لطور الموجة الحاملة لإشارات نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (مثل نظام تحديد المواقع العالمي GPS ) ^{[ 1 ] [ 2 ]}
  • نقل الوقت عن طريق المراقبة المتزامنة للبث التلفزيوني ^{[ 3 ]}
  • نقل الوقت عن طريق الرصد المتزامن لإشارات علم الفلك الراديوي
• طرق التحويل ثنائية الاتجاه:
  • نقل الوقت والتردد عبر الأقمار الصناعية ثنائي الاتجاه
• أساليب الشبكات:
  • بروتوكول وقت الشبكة
  • بروتوكول التوقيت الدقيق

في نظام نقل الوقت أحادي الاتجاه، يرسل أحد طرفي النظام وقته الحالي عبر قناة اتصال إلى جهاز استقبال واحد أو أكثر. ^{[ 4 ] : ​​116} يقوم جهاز الاستقبال، عند استقبال الرسالة، بفك تشفيرها، ثم إما أن يُبلغ عن الوقت مباشرةً، أو يُعدّل ساعة محلية تُوفّر تقارير زمنية احتياطية بين استقبال الرسائل. تكمن ميزة الأنظمة أحادية الاتجاه في بساطتها التقنية وقدرتها على خدمة العديد من أجهزة الاستقبال، إذ لا يعلم جهاز الإرسال بوجودها.

يتمثل العيب الرئيسي لنظام نقل الوقت أحادي الاتجاه في أن تأخيرات انتشار قناة الاتصال تبقى دون تعويض، باستثناء بعض الأنظمة المتقدمة. ومن أمثلة أنظمة نقل الوقت أحادي الاتجاه: ساعة الكنيسة أو مبنى المدينة ودق أجراسها الدالة على الوقت؛ وكرات التوقيت ؛ وإشارات الساعة اللاسلكية مثل لوران ، ودي سي إف 77، وإم إس إف ؛ وأخيرًا نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الذي يستخدم عمليات نقل وقت متعددة أحادية الاتجاه من أقمار صناعية مختلفة، مع معلومات الموقع ووسائل متقدمة أخرى لتعويض التأخير، مما يسمح لجهاز الاستقبال بتعويض معلومات الوقت والموقع في الوقت الفعلي.

في نظام نقل الوقت ثنائي الاتجاه، يقوم كل من الجهازين بإرسال واستقبال رسائل الآخر، مما يُجري عمليتي نقل وقت أحاديتي الاتجاه لتحديد الفرق بين الساعة البعيدة والساعة المحلية. ^{[ 4 ] : ​​118} مجموع هذين الفرقين الزمنيين هو زمن التأخير ذهابًا وإيابًا بين الجهازين. يُفترض عادةً أن هذا التأخير موزع بالتساوي بين اتجاهي الإرسال والاستقبال. وبناءً على هذا الافتراض، فإن نصف زمن التأخير ذهابًا وإيابًا هو زمن الانتشار الذي يجب تعويضه. من عيوب هذا النظام ضرورة قياس زمن الانتشار ثنائي الاتجاه واستخدامه لحساب تصحيح التأخير. يمكن تنفيذ هذه الوظيفة في المصدر المرجعي، وفي هذه الحالة تحد سعة المصدر من عدد العملاء الذين يمكن خدمتهم، أو بواسطة برنامج في كل عميل. يوفر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) خدمة مرجعية زمنية لمستخدمي الحاسوب على الإنترنت، ^{[ 5 ]} بالاعتماد على تطبيقات جافا صغيرة يتم تحميلها على كل عميل. ^{[ 6 ]} يستخدم نظام نقل الوقت والتردد عبر الأقمار الصناعية ثنائي الاتجاه ( TWSTFT)، المستخدم في المقارنة بين بعض مختبرات الوقت، قمرًا صناعيًا كرابط مشترك بين المختبرات. يستخدم بروتوكول وقت الشبكة رسائل قائمة على الحزم عبر شبكة IP.

تاريخياً، كان تحديد خط الطول عبر التلغراف وسيلةً مهمةً لربط نقطتين. وكان بالإمكان استخدامه في اتجاه واحد أو في اتجاهين، حيث يُمكن لكل مرصد تصحيح وقت أو موقع المرصد الآخر. وقد أرست أساليب التلغراف في القرن التاسع عشر العديد من التقنيات نفسها المستخدمة في العصر الحديث، بما في ذلك حسابات تأخير زمن الرحلة ذهاباً وإياباً ومزامنة الوقت في نطاق 15 إلى 25 مللي ثانية. ^{[ 7 ]}

يمكن تحديد فرق التوقيت بين ساعتين بمقارنة كل ساعة في آنٍ واحد بإشارة مرجعية مشتركة تُستقبل في كلا الموقعين. ^{[ ٨ ]} طالما أن كلا المحطتين الطرفيتين تستقبلان إشارة القمر الصناعي نفسها في الوقت نفسه، فإن دقة مصدر الإشارة ليست مهمة. كما أن طبيعة الإشارة المُستقبلة ليست مهمة، على الرغم من أن أنظمة التوقيت والملاحة المتاحة على نطاق واسع، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو نظام لوران (LORAN)، تُعدّ ملائمة.

تتراوح دقة الوقت المنقول بهذه الطريقة عادةً بين 1 و10  نانوثانية. ^{[ 9 ]}

منذ ظهور نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية الأخرى ، أصبح التوقيت عالي الدقة وبأسعار معقولة متاحًا من خلال العديد من أجهزة استقبال GNSS التجارية . وقد صُمم النظام في البداية بدقة توقيت عامة أفضل من 340 نانوثانية باستخدام "الوضع الخشن" منخفض الجودة، و200  نانوثانية في وضع الدقة. ^{[ 10 ]} يعمل جهاز استقبال GPS عن طريق قياس زمن انتقال الإشارات الواردة من عدة أقمار صناعية بدقة. وتُحدد هذه المسافات، بالإضافة إلى معلومات المدار الدقيقة، موقع جهاز الاستقبال. يُعد التوقيت الدقيق أساسيًا لتحديد موقع GPS بدقة. يُشفّر الوقت من الساعة الذرية الموجودة على متن كل قمر صناعي في الإشارة اللاسلكية؛ ويحدد جهاز الاستقبال مقدار التأخير بين وقت استقبال الإشارة ووقت إرسالها. وللقيام بذلك، تُصحح الساعة المحلية لتتوافق مع وقت الساعة الذرية لنظام GPS من خلال حساب ثلاثة أبعاد والوقت بناءً على أربع إشارات أو أكثر من الأقمار الصناعية. ^{[ 11 ]} أدت التحسينات في الخوارزميات إلى تحقيق العديد من أجهزة استقبال GPS الحديثة منخفضة التكلفة دقة أفضل من 10 أمتار، مما يعني دقة توقيت تبلغ حوالي 30 نانوثانية. تحقق المراجع الزمنية المختبرية القائمة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) دقة تصل إلى 10 نانوثانية بشكل روتيني. ^{[ 12 ]}

• الخدمة الدولية لدوران الأرض وأنظمة الإسناد
• بروتوكول التوقيت الدقيق
• التزامن
• قياسات الزمن والتردد
• إشارة زمنية
• مزامنة الوقت في أمريكا الشمالية