Der helle Mond geht über dem Meer auf, wann treffen wir uns am Ende der Welt?

Autor: Year of Tons

Gutachter: Xing Jianping, Professor für Anwendungstechnologie für Beidou-Kommunikationssysteme, Fakultät für Mikroelektronik, Shandong-Universität

„Sie sind von Ihrem Kurs abgewichen. Wir haben Ihre Route neu geplant. Bitte kehren Sie an der entsprechenden Stelle um …“ Manche denken bei diesen Worten an die Lebensphilosophie, andere kehren brav um, ich jedoch sinniere jedes Mal darüber, ob ich den falschen Weg eingeschlagen habe oder die Navigation ungenau war.

Bei der Positionsbestimmung müssen Sie mindestens die Entfernung zwischen Ihnen und vier verschiedenen Satelliten kennen. Wo genau sich diese Satelliten befinden und wie weit Sie entfernt sind, hängt direkt von der Genauigkeit dieser Daten ab, die für die endgültige Positionsberechnung entscheidend ist. Die Grundlage für eine genaue Berechnung ist, dass jeder über ein einheitliches, präzises Zeitsystem verfügen muss.

#Eine Sekunde

Um ein Zeitsystem zu etablieren, müssen wir die beiden Konzepte „Moment“ und „Periode“ bestimmen. Die Zeit ist die konkrete Uhrzeit, Minute und Sekunde, und der Zeitraum ist die Länge einer Sekunde. Offensichtlich hängt die Länge von mehr als einer Sekunde von einer Art kontinuierlichem und stabilem periodischen Bewegungsphänomen als Maßstab ab. Seit der Antike ließ sich die Länge eines Tages problemlos anhand von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang bestimmen. Doch erst später, im Zuge eingehender Atomforschung, konnte eine gute Definition der Länge einer Sekunde festgelegt werden.

Die derzeit genaueste Sekunde (Atomsekunde) ist die Dauer von 919.2631.770 Strahlungszyklen, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen. Einfach ausgedrückt wird die Länge einer Sekunde durch die Schwingungsdauer des Cäsium-133-Atoms berechnet (diese Schwingung ist kontinuierlich und stabil).

#PekingZeit

Auch die Rotation der Erde ist eine kontinuierliche und stabile periodische Bewegung. Die auf dieser Grundlage ermittelte Zeit wird als Weltzeit bezeichnet und findet Anwendung in Disziplinen wie der Astronomie und der Geodäsie. Ist dies die Peking-Zeit (oder Greenwich Mean Time), die in unserem täglichen Leben verwendet wird? Die Antwort ist nein. Da die Erdrotation langfristig dazu neigt, sich um etwa eine Sekunde pro Jahr zu verlangsamen, handelt es sich bei der Weltzeit nicht um ein streng einheitliches Zeitsystem. Natürlich können wir nicht das gesamte Jahr nutzen, um rückwärts zu berechnen und die Länge jeder Sekunde zu bestimmen.

Da die Länge einer Sekunde auf einer Atomuhr extrem stabil ist, verwenden wir sie zur Bestimmung der Standardlänge einer Sekunde. Jedes Jahr wird irgendwann künstlich die durch die Erde verursachte Extrasekunde hinzugefügt. Die hinzugefügte Sekunde wird als Schaltsekunde bezeichnet und ist derselbe Vorgang wie beim Schaltjahr. Die so ermittelte Zeit wird als Koordinierte Weltzeit (kurz: Koordinierte Zeit) bezeichnet.

Wenn die Differenz zwischen der koordinierten Zeit und der Weltzeit 0,9 Sekunden überschreitet, wird zur koordinierten Zeit eine Sekunde hinzugefügt. Fast alle Länder verwenden mittlerweile die koordinierte Zeit, einschließlich der Peking-Zeit.

#Satellitenzeit​

Der Betrieb jedes Navigations- und Zeitsatelliten hängt von seiner eigenen Atomuhr ab. Sein Zähler erhöht sich alle 1,5 Sekunden und kehrt nach einer Woche (604.800 Sekunden) auf 0 zurück. Die Wochennummer erhöht sich um 1 und wird auf Null zurückgesetzt, wenn der Maximalwert erreicht ist. Beispielsweise ist der Startpunkt der Beidou-Zeit 00:00 Uhr am 1. Januar 2006 und der Maximalwert der wöchentlichen Zählung beträgt 8191. Daher erfolgt im Jahr 2164 eine wöchentliche Zurücksetzung.

Die Zeitinformationen der Atomuhr werden in die gesendeten Navigations- und Zeitnachrichten geschrieben. Was das Problem der Schaltsekunde betrifft, muss die Konvertierung vollständig von der empfangenden Software durchgeführt werden. Der Satellit ist nur für die kontinuierliche Zeitmessung zuständig, daher wird die Lücke zwischen ihm und der koordinierten Zeit immer größer und vergrößert sich jedes Jahr um etwa 1 Sekunde.

#Monitor

Beim Flug eines Satelliten muss der relativistische Effekt berücksichtigt werden. Die Atomuhr des Satelliten ist pro Tag 38 Mikrosekunden schneller als die gleiche Atomuhr auf der Erde. Daher muss die Frequenz der Atomuhr vor dem Senden ins All anhand dieser Zahl angepasst werden. Darüber hinaus gibt es immer einige unbekannte Störungen, die zu unvorhersehbaren Fehlern bei der Satelliten-Atomuhr führen, sodass die vom Satelliten selbst gemessene Zeit nicht direkt als Grundlage für die Entfernungsmessung in der Navigation verwendet werden kann und natürlich auch nicht zur Bereitstellung anderer Dienste genutzt werden kann.

Welche Zeit soll also zugrunde gelegt werden? Es handelt sich um die Systemzeit, die durch die Bodenüberwachung angegeben wird. Die Bodenüberwachungszeit von Beidou wird von der Atomuhrgruppe des PLA-Zeit- und Frequenzzentrums in Peking abgeleitet. Es ist der Systemzeit-Benchmark von Beidou. Alle Dienste, die wir erhalten (wie zum Beispiel die Navigation), basieren auf dieser Systemzeit. Es ist nur so, dass in der gesendeten Navigationszeitnachricht sowohl die Satellitenzeit als auch die Systemzeit enthalten sind. In ähnlicher Weise handelt es sich bei beiden um kontinuierliche Zeitangaben, und die Konvertierung des Schaltsekundenproblems bleibt weiterhin dem Empfänger überlassen. Die Zeitüberwachung auf einem einzelnen Satelliten ist nicht schwierig. Wir können einfach ein paar weitere Atomuhren auf dem Satelliten mitführen, die Systemzeit in Echtzeit vergleichen und die am besten geeignete Uhr auswählen.

Natürlich müssen wir die Abweichung zwischen der Beidou-Zeit und der Internationalen Atomzeit genau überwachen, aber mit dem Beidou-System können wir auf jeden Fall über unser eigenes Zeitsystem verfügen, und es ist zudem ein präzises Zeitsystem.

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.