7. Одновременность событий. Синхронизация часов

§7. Одновременность событий. Синхронизация часов

Напомним, что под системой отсчета подразумевается тело отсчета, с которым связаны система координат и ряд неподвижных одинаковых часов, синхронизированных между собой. Часами будем считать любой прибор, в котором используется тот или иной периодический процесс.

При проведении различных физических измерений широко пользуются понятием одновременности двух или нескольких событий. Например, для определения длины стержня, расположенного вдоль осиX системы отсчета К и движущегося относительно этой системы (рис. 7.1), необходимо одновременно, то есть в один и тот же момент времени , зафиксировать значения координатиконцов стержня:

. (7.1)

Для этого в каждой системе отсчета должно быть множество часов, находящихся в различных точках пространства. Все эти часы должны идти согласованно, синхронно — их показания в каждый момент времени должны быть одинаковыми.

Синхронизировать часы, помещенные в различные точки системы отсчета, можно только с помощью каких-либо сигналов. Наиболее быстрые сигналы, пригодные для этой цели, — это световые или радиосигналы, которые распространяются с известной скоростью С. Выбор световых сигналов обусловлен еще и тем, что их скорость не зависит от направления в пространстве, а также одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Синхронизацию часов можно произвести следующим образом. Допустим что, из начала системы координат точки по радио в момент времени передается радиосигнал. В момент, когда этот сигнал достигнет часов, находящихся от точки на известном расстоянии S, их устанавливают так, чтобы они показывали время , то есть с учетом времени распространения сигнала. В результате такой операции все часы данной системы отсчета будут синхронизированы в каждый момент времени.

§8. Преобразование Лоренца

Тот факт, что второй постулат специальной теории относительности несовместим с классическим законом сложения скоростей, а следовательно, и с преобразованиями Галилея, приводит к необходимости отказаться от этих преобразований. Возникает задача нахождения истинных формул преобразований при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, то есть формул, связывающих координаты и время одного и того же события в двух инерциальных системах отсчета.

Новые преобразования были выведены Эйнштейном на основе сформулированных им постулатов. Формально они совпали с преобразованиями, найденными ранее Лоренцем в связи с попытками объяснить неудачу опыта Майкельсона. Но только Эйнштейн вскрыл их глубокий смысл.

Рассмотрим две инерциальный системы отсчета К и К’ (рис. 5.1). Как и прежде, система К’ движется относительно системы К в направлении оси X с постоянной скоростью . Установим в разных точках обеих систем отсчета одинаковые часы и синхронизируем их: отдельно часы системыК и отдельно часы системы К’. За начало отсчета времени возьмем в обеих системах момент (), когда начала координат (точки и 0′) совпадают.

Так как система К’ движется относительно системы К равномерно, связь между координатами идолжна по-прежнему, как и в преобразованиях Галилея, линейно зависеть от времени, то есть

, (8.1)

где — некоторый коэффициент.

Аналогичное выражение можно записать для обратного перехода от системы К к системе К’:

. (8.2)

Для определения коэффициента предположим, что в начальный момент времени (), когда точки и 0′ совпадали, из точки в направлении оси X был послан световой сигнал, который через время , измеренное в системеК, достиг точки А с координатой . В системеК’ эта точка имела координату , где— время, измеренное в системеК’. Заметим, что скорость С в силу второго постулата одна и та же.

Подставив координаты ив выражения (8.1) и (8.2), получим

,

.

Перемножив правые и левые части этих равенств и произведя сокращение на , получим

,

(8.4)

Таким образом, связь между координатами иимеет вид:

(8.5)

Для нахождения связи между ипроделаем следующее. Исключив из выражений (8.1) и (8.2) величинуи решив их после этого относительно, получим с учетом выражения (8.4):

(8.6)

Координаты иипри рассматриваемом движении системК и К’ остаются равными друг другу.

Таким образом, преобразования для координат и времени, получившие название преобразований Лоренца, имеют вид:

, ,, , (8.7)

где

Обратные преобразования в силу равноправности всех инерциальных систем отсчета должны иметь аналогичный вид, но с учетом изменения знака скорости V:

, ,, . (8.8)

Анализ формул преобразований Лоренца позволяет сделать ряд важных выводов.

Во-первых, особенностью преобразований Лоренца является то, что при они переходят в преобразования Галилея (5.1). Это означает, что теория относительности не отвергает преобразования Галилея, а включает их в истинные преобразования как частный случай, справедливый при.

Во-вторых, из преобразований Лоренца следует, что при подкоренные выражения становятся отрицательными и формулы теряют физический смысл. Это означает, что движение тел со скоростью, большей скорости света в вакууме, невозможно.

В-третьих, в формулы преобразования времени входит пространственная координата, что отражает неразрывную связь пространства и времени.

Принцип работы синхронизация времени

Программно-аппаратный комплекс "Сервер единого времени" TimeVisor™ — "классическое" устройство синхронизации времени, решающее задачу обеспечения высокоточной синхронизации абонентов сети, входящих в состав системы. Источником точного времени является приемник систем GPS или ГЛОНАСС, совмещенный с активной антенной. Приемник имеет пыле- влаго- защищенный корпус, размещается вне помещения под открытым небом.

ПРИНЦИП РАБОТЫ TimeVisor

Работа Сервера единого времени основана на приеме сигналов точного времени, которые передаются Глобальной Системой Позиционирования GPS (Global Positioning System) или ГЛОНАСС.

Передача пакетов точного времени от TimeVisor к абонентам локальной сети осуществляется по сетевому протоколу времени NTP (Network Time Protocol). Для взаимодействия абонентов с TimeVisor на них устанавливаются и настраиваются службы точного времени. Поддерживаемые операционные системы: Windows 2000/XP/Vista/7, Linux, QNX (и ряд других).

Служба точного времени кроме коррекций времени осуществляет подстройку хода системных часов компьютера, что позволяет сохранить точное время в течение продолжительного периода в случае сбоя работы сети.

Для повышения надежности и отказоустойчивости можно использовать дополнительный (резервный) сервер времени. Резервирование устройства синхронизации времени настраивается при конфигурировании служб точного времени на абонентах.

Устройство синхронизации времени TimeVisor в зависимости от настроек обеспечивает работу в следующих режимах:

«Клиент-сервер». Абоненты периодически отправляют запросы серверу времени на получение точного времени. Получив запрос, сервер времени сразу же отправляет запросившему абоненту ответ, содержащий метку времени. Данный режим позволяет синхронизировать время на абонентах с минимальной погрешностью.

«Широковещательный». TimeVisor периодически рассылает сигналы точного времени всем абонентам сети. Этого решения вполне достаточно для автоматической синхронизации времени всех абонентов сети при относительно невысоких требованиях к погрешности синхронизации.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ

• Привязка системного времени абонентов к источнику точного времени
• Синхронизация времени всех абонентов, входящих в состав системы
• Автоматическая подстройка хода системных часов по источнику времени
• Протоколирование работы сервера времени
• Настройка сервера времени.

ПРЕИМУЩЕСТВА

Высокая точность синхронизации системного времени абонентов сети, полностью удовлетворяющая требованиям РД 153-34.1-35.127-2002

• Малые габариты
• Возможность применять в промышленных условиях эксплуатации
• Возможность резервирования серверов
• Простота настройки и эксплуатации
• Отсутствие влияния на синхронизацию времени переходов «зима/лето» (опция).

ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ

Существует ряд информационных систем, в которых необходимо наличие точного единого времени. Требования таких систем не позволяют использовать общедоступные серверы времени с Интернет-доступом, поэтому устройство синхронизации времени должно находиться в локальной сети. К системам с высокими требованиями к точности времени относятся:

• Автоматизированные системы коммерческого учёта ресурсов (особенно энергоресурсов)
• Распределённые корпоративные информационные системы
• Системы промышленной автоматизации
• Автоматизированные платёжные системы
• Автоматизированные системы управления транспортом и т.д.

Для повышения надёжности и отказоустойчивости предусмотрена возможность использования дополнительного (резервного) сервера времени. Резервирование настраивается при конфигурировании служб точного времени на абонентах. При недоступности основного сервера времени, службы точного времени абонентов будут использовать резервный сервер.

Часовые станции и системы часофикации: назначение и принцип работы

Электронные часовые станции или системы часофикации устанавливаются там, где необходимо обеспечить одинаковый ход часов на нескольких табло и обеспечить удаленное управление ведущего табло. Это школы, учебные учреждения, поликлиники, промышленные предприятия, офисные и торговые центры.

• тип и количество часов (уличные или офисные, цвет индикации, размер),
• конфигурация системы (количество часов на этаже, этажность здания),
• дополнительные функции (функция «звонок», синхронизации с источником точного времени).

В качестве первичных часов «Главный мастер» используются стандартные электронные часы со специальным электронным модулем (контроллером). Синхронизация «Главного мастера» с сигналами точного времени может производится с помощью GPS приёмника или персонального компьютера по системному времени. Синхронизация с помощью GPS более точная, происходит каждый 15 минут и не зависит от сбоев в линии питания, отключения от сети или других факторов.
Проводной пульт управления предназначен для переноса сигналов точного времени от компьютера к «главному мастеру» в отсутствии иных способов синхронизации (GPS или ПК). Этот способ не очень хорош, так как возникающие погрешности могут не обеспечить точность переносимого времени.
«Главный мастер» может синхронизировать часы на расстоянии не более 100 метров. Ведомые часы должны быть оснащены специальным модулем синхронизации. Часы соединяются в единую сеть тонким двухжильным проводником поперечным сечением 0,5 кв. мм. Сигнал синхронизации не имеет полярности и синхронизирует ведомые часы каждый час в 00 минут 00 секунд. Соответственно, в сутках 24 синхронизирующих импульса проходит по линии для обеспечения точного времени в системе часофикации.
Если здание или сооружение имеет большую площадь, которую необходимо оснастить системой часофикации, то во избежании потери сигнала синхронизации в линиях связи, необходимо устанавливать промежуточные часы «ведомый/мастер». Эти часы обеспечивают приём сигнала, усиливают его до необходимого значения и передают далее к ведомым часам. Т.е. служат ретрансляторами сигнала синхронизации.
Система синхронизации часов может поддерживать как часы для помещений, так и для улицы. Основное правило при проектировании системы, это выбрать тип синхронизации и точно рассчитать длину соединяющего провода во избежании затухания синхронизирующего сигнала.
Таким образом, достигается полная синхронизация хода всех входящих в систему часов! А часовые станции разработанные для учебных учреждений имеют функцию управление звонками для учебных заведений по запрограммированному заранее расписанию.

Пример системы часофикаций зданий и промышленных объектов на основе ведущих и ведомых часов
(система единого времени)

Пример системы часофикаций зданий и промышленных объектов на основе ведущих и ведомых часов
(система единого времени)

Radio Controlled

Бесплатная доставка по всей России. 2 года гарантия от Casio. Подарки в каждом заказе!

Шоканы и Ко, мы решили взяться за новое дело — описывать работу функций в часах Casio. Как работают, почему нужно быть предельно осторожным с данными и какие отклонения могут быть. При этом мы не исключаем и собственного недопонимания в некоторых моментах, поэтому ждем ваших комментариев для дополнения материала и лучшего понимания происходящего. Такой себе коллективный разум в деле. Это не будет конкретная модель, а описание общих принципов работы, которые актуальны для всех часов Casio. Сегодня поговорим о радиосинхронизации [Multiband] в часах Casio (на примере свежего официального описания серии GWN-Q1000).

GWN-Q1000 — морские G-Shock-и c радиосинхронизацией

Основы работы — встроенная в часы антенна принимает сигнал с 6 радиостанций по всему миру, и автоматически корректируется время. Радиостанции синхронизируются со временем по Гринвичу (UTC), которое устанавливается атомными часами. Атомное время считается самым точным временем среди всех существующих. В технологии атомных часов используется принцип собственных колебаний, происходящих на уровне атомов и молекул. Атомы постоянно переходят на другой энергетический уровень. Во время каждого из этих переходов выделяется электромагнитное излучение. Именно постоянное количество этих излучений за определенный промежуток времени принято считать за эталонную секунду. Для точного измерения используется атом цезия-133, т.к. он является единственным стабильным изотопом.

Погрешность такого времени не превышает 30 наносекунд, или простыми словами — в течение 30 миллионов лет часы отстанут максимум на 1 секунду! Для сравнения, кварцевый механизм допускает погрешность в целых полсекунды в день.

Как уже было сказано выше, 6 радиостанций по всему миру являются источником сигнала — в Японии [2 станции], Северной Америке, Великобритании, Европе и Китае. Приблизительный диапазон приема для разных станций [сплошной линией обозначен максимальный радиус приема сигнала]:

Для Великобритании и Германии

Для США

Для Японии

Для Китая

Примерный радиус приема сигнала в километрах:

• Майнфлинген (Германия) или Анторн (Англия): 500 км
• Форт-Коллинз (США): 1000 км
• Фукусима или Фукуока/Сага (Япония): 500 км
• Шанцю (Китай): 1500 км.

Предостережения

• Прием радиосигнала скорее всего будет невозможен на расстояниях, превышающих указанные выше.
• На качество сигнала могут влиять погодные условия и определенное время суток.
• Сигнал лучше принимается ночью, а не днем.
• Прием сигнала может длиться от 2 до 10 минут, а в некоторых случаях и все 20. Советуем во время приема радиосигнала не выполнять с часами никаких операция и не перемещать их.
• Прием сигнала может существенно затрудняться, если часы находятся, внутри железобетонного здания, транспортного средства, рядом с бытовой техникой, мобильными телефонами, линиями электропередач, в горах.
• Сигнал не будет приниматься если уровень заряда батарейки 3 (L) и ниже; выполняется работа датчиков давления, температуры, высоты и глубины; часы находятся в режиме сна [экономии энергии].
• Прием сигнала может прерваться, если звучит звуковой сигнал будильника.

GST-W300 — стальные джишоки с радиосинхронизацией

Если часы находятся в режиме текущего времени, часы автоматически принимают радиосигнал. Если включен режим настройки, сигнал приниматься не будет. Часы автоматически принимают сигнал до 6 раз в день в промежутке с 00:00 до 05:00. Если автоматический прием сигнала выключен, то его можно выполнить вручную. Напоминаем, что процесс описан для часов G-Shock GWN-Q1000 (модуль 5744). Для других моделей Casio последовательность действий может быть иной, но принцип остается тем же.