Санкт-Петербург Средний пр. В.О., д. 86
ПОРТАЛ ЗНАНИЙ
СОВРЕМЕННОЙ АВИОНИКИ
42 ТЕРМИНОВ ПО ТЕМАТИКЕ АВИАСИСТЕМ

Универсальное координированное время UTC

Определение

Универсальное координированное время или UTC — основной стандарт, с помощью которого мир регулирует часы и время. UTC находится в пределах 1 секунды от среднего солнечного времени на 0° долготы и не настроен на летнее время. В некоторых странах используется термин “среднее время по Гринвичу”.

Согласование времени и частоты передач по всему миру началась 1 января 1960 года. UTC впервые был официально принят в качестве Рекомендации Международного консультативного комитета по радио (CCIR) 374 “Стандартные частоты и сигналы времени” в 1963 году, но официальное сокращение UTC и официальное английское название не были приняты до 1967 года.

Система была отрегулирована несколько раз, включая короткий период, когда радиосигналы координации времени транслировали и UTC, и “Ступенчатое атомное время” (SAT) до того, как новый UTC был принят в 1970 году и внедрен в 1972 году. Это изменение также приняло дополнительные секунды, чтобы упростить будущие корректировки. В Рекомендации CCIR 460 указано, что “а) несущие частоты и временные интервалы должны поддерживаться постоянными и должны соответствовать определению секунды; б) шаговые корректировки, при необходимости, должны составлять ровно 1 с, чтобы поддерживать приблизительное согласие с Универсальным временем (UT) и в) стандартные сигналы должны содержать информацию о разнице между UTC и UT.”

Был сделан ряд предложений по замене UTC новой системой, которая позволила бы устранить дополнительные секунды. Решение об их удалении было отложено до 2023 года.

Текущая версия UTC определена Рекомендацией Международного союза электросвязи (МСЭ-R TF.460-6), Стандартные частоты и сигналы времени, и основана на Международном атомном времени (TAI) с добавлением дополнительных секунд в нерегулярные интервалы, чтобы компенсировать замедление вращения Земли. По мере необходимости добавляются дополнительные секунды, чтобы UTC оставалось в пределах 0,9 секунды от универсального времени UT1.



Этимология

Официальное сокращение для универсального координированного времени - UTC. Эта аббревиатура возникла из-за желания Международного союза электросвязи и Международного астрономического союза использовать одну и ту же аббревиатуру на всех языках. Первоначально говорящие на английском языке предложили CUT (от “coordinated universal time”), а говорящие на французском языке предложили TUC (“temps universel coordonné”). Компромиссом стал UTC, который соответствует шаблону для сокращений вариантов Универсального Времени (UT0, UT1, UT2, UT1R и т.д.).



Использование

Часовые пояса по всему миру выражаются с использованием положительных или отрицательных смещений из UTC.

Самый западный часовой пояс использует UTC-12, отставая на 12 часов; самый восточный часовой пояс использует UTC+14, опережая UTC на четырнадцать часов. В 1995 году островное государство Кирибати перенесло свои атоллы на Лайнских островах с UTC-10 на UTC+14, чтобы во всём Кирибати был один и тот же день.

UTC используется во многих интернет и веб стандартах. Протокол сетевого времени (NTP), предназначенный для синхронизации часов компьютеров через интернет, передает информацию о времени из системы UTC. Если требуется точность только в миллисекундах, клиенты могут получить текущий UTC с нескольких официальных интернет-серверов UTC. Для точности до микросекунды клиенты могут получать время из спутниковых сигналов.

UTC также является стандартом времени, используемым в авиации, например для планов полета и управления воздушным движением. Прогнозы погоды и карты используют UTC, чтобы избежать путаницы с часовыми поясами и переходом на летнее время. Международная космическая станция также использует UTC в качестве стандарта времени.

Радиолюбители часто планируют свои радиоконтакты в UTC, потому что передачи на некоторых частотах могут быть получены во многих часовых поясах.



Механизм

UTC делит время на дни, часы, минуты и секунды. Дни обычно идентифицируются с использованием григорианского календаря, но также могут использоваться номера юлианских дней. Каждый день содержит 24 часа, а каждый час - 60 минут. Количество секунд в минуте обычно составляет 60, но со случайной високосной секундой это может быть 61 или 59 вместо этого. Таким образом, в шкале времени UTC секунды и все более мелкие единицы времени (миллисекунды, микросекунды и т.д.) имеют постоянную длительность, а минуты и все более крупные единицы времени (часы, дни, недели и т.д.) имеют переменную длительность. Решения о введении дополнительной секунды объявляются как минимум за шесть месяцев в “Бюллетене С”, выпускаемом Международной службой вращения Земли. Дополнительные секунды нельзя предсказать заранее из-за непредсказуемой скорости вращения Земли.

Почти во всех днях UTC содержится ровно 86 400 секунд Международной системы единиц СИ, каждая из которых равна 60 секундам. UTC находится в пределах примерно одной секунды от среднего солнечного времени на 0° долготы, так что, поскольку средний солнечный день немного длиннее 86 400 СИ-секунд, иногда для последней минуты дня UTC устанавливается 61 секунда. Дополнительная секунда называется високосной. Она учитывает общую сумму дополнительной длины (около 2 миллисекунд каждая) всех средних солнечных дней с предыдущей високосной секунды. В последнюю минуту дня UTC разрешено содержать 59 секунд, чтобы покрыть отдаленную возможность того, что Земля будет вращаться быстрее, но это ещё не было необходимо. Нерегулярная продолжительность дня означает, что дробные юлианские дни не работают должным образом с UTC.

С 1972 года UTC рассчитывается путем вычитания накопленных високосных секунд из Международного атомного времени (TAI), которое представляет собой координатную шкалу времени, отслеживающую условное собственное время на вращающейся поверхности Земли (геоиде). Чтобы поддерживать близкое приближение к UT1, UTC иногда имеет разрывы, когда он изменяется от одной линейной функции TAI к другой. Эти разрывы принимают форму високосных секунд, реализованных в день UTC неправильной длины. Международная служба вращения Земли (IERS) отслеживает и публикует разницу между UTC и универсальным временем, где разница DUT1 = UT1 - UTC, и вводит разрывы в UTC для поддержания DUT1 в интервале (-0,9 с, +0,9 с).

Как и в случае с TAI, UTC известен с наивысшей точностью в ретроспективе. Пользователи, которым требуется аппроксимация в реальном времени, должны получить ее из временной лаборатории, которая распространяет аппроксимацию, используя такие методы, как GPS или радиосигналы времени. Такие аппроксимации обозначены UTC (k), где k - аббревиатура для временной лаборатории. Время событий может быть предварительно записано в одном из этих приближений; более поздние исправления могут применяться с использованием ежемесячной публикации таблиц различий между каноническими TAI / UTC и TAI (k) / UTC (k) Международного бюро мер и весов (BIPM), которые оцениваются участвующими лабораториями в режиме реального времени.

Из-за замедления времени стандартные часы, не находящиеся на геоиде или в быстром движении, не будут поддерживать синхронность с UTC. Следовательно, телеметрия от часов с известным отношением к геоиду используется для предоставления UTC, когда это требуется в таких местах как космические корабли.

Невозможно вычислить точный интервал времени, прошедший между двумя временными метками UTC, без обращения к таблице, показывающей, сколько високосных секунд произошло за этот интервал. Таким образом, невозможно вычислить точную продолжительность временного интервала, который заканчивается в будущем и может включать неизвестное количество високосных секунд (например, количество секунд TAI между “сейчас” и 2099-12-31 23:59:59). Поэтому во многих научных приложениях, требующих точного измерения длинных (многолетних) интервалов, вместо этого используется Международное атомное время TAI. TAI также обычно используется системами, которые не могут обрабатывать дополнительные секунды. Время GPS всегда остается точно на 19 секунд позади TAI (ни одна система не подвержена влиянию високосных секунд, введённых в UTC).



Часовые пояса

Часовые пояса обычно определяются как отличающиеся от UTC на целое число часов, хотя с законами каждой юрисдикции нужно будет ознакомиться, если потребуется точность менее секунды. В нескольких юрисдикциях установлены часовые пояса, которые отличаются нечетным целым числом получасовых или четвертьчасовых часов от UT1 или UTC.

Текущее гражданское время в конкретном часовом поясе может быть определено путем сложения или вычитания количества часов и минут, указанных смещением UTC, которое варьируется от UTC-12:00 на западе до UTC+14:00 на востоке.

Часовой пояс с использованием UTC иногда обозначается UTC±00:00 или буквой Z - ссылкой на эквивалентный морской часовой пояс (GMT), который обозначается буквой Z примерно с 1950 года. Часовые пояса обозначались последовательными буквами алфавита и часовой пояс Гринвича был помечен буквой Z как точка происхождения. Буква также отсылает к “zone description”, описанию зоны нуля часов, которое используется с 1920 года. Так как в фонетическом алфавите НАТО для буквы Z используется слово “зулу”, UTC иногда называют “зулусское время”. Это особенно актуально в авиации, где “Зулу” является универсальным стандартом. Это гарантирует, что все пилоты, независимо от местоположения, используют одни и те же 24-часовые часы, что позволяет избежать путаницы при полёте между часовыми поясами.

На электронных устройствах, которые позволяют настраивать часовой пояс только с помощью карт или названий городов, UTC можно выбрать косвенно, выбрав такие города, как Аккра, Гана или Рейкьявик, поскольку они всегда находятся в UTC и в настоящее время не используют летнее время.



Летнее время

UTC не меняется со сменой сезонов, но местное или гражданское время может меняться, если юрисдикция часового пояса соблюдает переход на летнее время. Например, местное время на восточном побережье Соединенных Штатов зимой на пять часов меньше UTC, но на четыре часа меньше в летнее время.

История

Сэндфорд Флеминг продвигал во всем мире стандартные часовые пояса, главный меридиан и использование 24-часовых часов в качестве ключевых элементов для передачи точного времени. Он назвал полученную систему Космическим временем. На Международной меридианной конференции в 1884 году в Вашингтоне, округ Колумбия, было выбрано местное среднее солнечное время в Королевской обсерватории, Гринвич в Англии был выбран для определения универсального дня, отсчитываемого от 0 часов в полночь. Это согласуется с гражданским временем по Гринвичу (GMT), которое используется на острове Великобритании с 1847 года. 

При этом астрономическое время по Гринвичу начиналось в полдень, через 12 часов после полуночи в тот же день (до 1 января 1925 года), тогда как навигационное время по Гринвичу началось в полдень, за 12 часов до полуночи в тот же день (в Королевском флоте до 1805 года, но сохранялось гораздо позже в другом месте). В 1884 году Гринвичский меридиан использовался для двух третей всех диаграмм и карт как основной. В 1928 году Международный астрономический союз ввел термин «универсальное время» (UT) для обозначения времени по Гринвичу, когда день начинается в полночь. До 1950-х годов сигналы эфирного времени основывались на UT и, следовательно, на вращении Земли.

В 1955 году были изобретены цезиевые атомные часы. Это обеспечивало форму хронометража, которая была более стабильной и более удобной, чем астрономические наблюдения. В 1956 году Национальное бюро стандартов США и Военно-морская обсерватория США приступили к разработке шкал времени атомной частоты; к 1959 году эти временные шкалы использовались для генерации сигналов времени WWV, названных в честь коротковолновой радиостанции, которая их транслирует. В 1960 году Военно-морская обсерватория США, Королевская гринвичская обсерватория и Национальная физическая лаборатория Великобритании координировали свои радиопередачи таким образом, чтобы временные шаги и изменения частоты были скоординированы, а полученная шкала времени неофициально называлась “Универсальное координированное время”.

В спорном решении, частота сигналов была первоначально установлена ​​в соответствии со скоростью UT, но затем сохраняла ту же частоту с использованием атомных часов и намеренно позволила отойти от UT. Когда расхождение значительно возросло, сигнал был пошагово сдвинут по фазе на 20 мс, чтобы привести его в соответствие с UT. Двадцать девять таких шагов были использованы до 1960 года.

В 1958 году были опубликованы данные, связывающие вновь созданную частоту цезиевого перехода с эфемеридной секундой. Эфемеридная секунда - это единица в системе времени, которая при использовании в качестве независимой переменной в законах движения, которые управляют движением планет и лун в солнечной системе, позволяет законам движения точно предсказывать наблюдаемые положения тела Солнечной системы. В пределах наблюдаемой точности эфемеридные секунды имеют постоянную длину, как и атомные секунды. Эта публикация позволила выбрать значение длины атомной секунды, которое соответствовало бы небесным законам движения.

В 1961 году Международное бюро де л'Эр начало координировать процесс UTC на международном уровне (но название “Универсальное координированное время” официально не было принято Международным астрономическим союзом до 1967 года). С тех пор каждые несколько месяцев происходили временные шаги, а частота менялась в конце каждого года. Скачки увеличились в размере до 0,1 секунды. Этот UTC был предназначен, чтобы позволить очень близкое приближение к UT2.

В 1967 году секунда СИ была пересмотрена с точки зрения частоты, подаваемой цезиевыми атомными часами. Определенная таким образом длина секунды была практически равна секунде эфемеридного времени. Это была частота, которая временно использовалась в TAI с 1958 года. Вскоре было признано, что иметь два типа секунд с разной длиной, а именно, секунду UTC и секунду СИ, используемую в Атомном времени TAI, было плохой идеей. Считалось, что для сигналов времени лучше поддерживать постоянную частоту, и эта частота должна соответствовать секунде системы СИ. Таким образом, было бы необходимо полагаться только на временные шаги для поддержания приближения UT. Это было экспериментально опробовано в службе, известной как “Stepped Atomic Time” (SAT), которая отмеряла время с той же скоростью, что и TAI, и использовала скачки в 0,2 секунды для синхронизации с UT2.

Была также неудовлетворенность частыми скачками в UTC (и SAT). В 1968 году Луи Эссен, изобретатель цезиевых атомных часов, и Дж. М. Р. Винклер независимо предложили, что шаги должны быть только в 1 секунду. Эта система была в конечном итоге одобрена, наряду с идеей сохранения секунды UTC равной секунде TAI. В конце 1971 года произошел последний нерегулярный скачок на 0,107758 секунд TAI, в результате чего сумма всех малых временных шагов и частотных сдвигов в UTC или TAI в течение 1958–1971 годов составила ровно десять секунд, так что 1 января 1972 года 00:00:00 UTC было 1 января 1972 года 00:00:10 TAI точно, и целое количество секунд после этого. В то же время, тик UTC был изменен, чтобы точно соответствовать TAI. UTC также начал отслеживать UT1, а не UT2. Некоторые временные сигналы начали транслировать коррекцию разницы DUT1 (UT1 - UTC) для приложений, требующих более близкого приближения UT1, чем теперь предусмотрено UTC.



Текущее количество високосных секунд

Первая високосная секунда произошла 30 июня 1972 года. С тех пор високосные секунды происходили в среднем примерно раз в 19 месяцев, всегда 30 июня или 31 декабря. По состоянию на июль 2019 года было в общей сложности 27 високосных секунд, причем все положительные, UTC на 37 секунд отставали от TAI.



Обоснование

Скорость вращения Земли очень медленно уменьшается из-за приливного замедления; это увеличивает продолжительность среднего солнечного дня. Длина секунды СИ была откалибрована на основе секунды эфемеридного времени, и теперь можно видеть, что она имеет отношение к среднему солнечному дню, наблюдаемому между 1750 и 1892 годами, проанализированному Саймоном Ньюкомбом. В результате секунда СИ близка к 1/86400 среднего солнечного дня в середине 19-го века. В более ранние века средний солнечный день был короче, чем 86 400 секунд СИ, а в более поздние века он был длиннее 86 400 секунд. Ближе к концу 20-го века длина среднего солнечного дня (также известного просто как “длина дня” или “LOD”) составляла приблизительно 86 400,0013 с. По этой причине UT теперь “медленнее”, чем TAI, на разницу (или “избыточный” LOD), равную 1,3 мс/день.

Превышение длины дня над номинальными 86 400 с. накапливается со временем, в результате чего день UTC, первоначально синхронизированный со средним солнцем, становится десинхронизированным и опережает его. Ближе к концу 20-го века, когда LOD на 1,3 мс. выше номинального значения, UTC работал быстрее UT на 1,3 мс. в день, опережая на секунду примерно каждые 800 дней. Таким образом, високосные секунды были вставлены примерно в этот интервал, замедляя UTC, чтобы поддерживать его синхронизацию в долгосрочной перспективе. Фактический период вращения зависит от непредсказуемых факторов, таких как тектоническое движение, и должен наблюдаться, а не вычисляться.

Точно так же, как добавление високосного дня каждые четыре года не означает, что год увеличивается на один день каждые четыре года, добавление високосной секунды каждые 800 дней не означает, что средний солнечный день увеличивается на секунду каждые 800 дней. Среднему солнечному дню потребуется около 50000 лет для удлинения на одну секунду (со скоростью 2 мс/век). Эта скорость колеблется в диапазоне 1,7–2,3 мс/век. В то время как частота только одного приливного трения составляет около 2,3 мс/век, подъем Канады и Скандинавии на несколько метров со времени последнего ледникового периода временно снизил этот показатель до 1,7 мс/век за последние 2700 лет. Таким образом, правильная причина для високосных секунд заключается не в текущей разнице между фактическим и номинальным LOD, а скорее в накоплении этой разницы за определенный период времени: ближе к концу 20-го века эта разница составляла около 1/800 секунды в день; поэтому примерно через 800 дней она накапливалась до 1 секунды (и затем добавлялась дополнительная секунда).



Будущее

Поскольку вращение Земли продолжает замедляться, положительные дополнительные секунды будут требоваться чаще. Долгосрочная скорость изменения длины дня составляет примерно +1,7 мс. за столетие. В конце 21-го века LOD будет примерно 86 400,004 с., что потребует дополнительных секунд каждые 250 дней. Через несколько веков частота високосных секунд станет проблематичной.

Некоторое время в 22-м веке каждый год будут требоваться две високосные секунды. Текущая возможность добавления високосных секунд только в июне и декабре будет недостаточной для поддержания разницы менее 1 секунды, и может быть принято решение ввести високосные секунды в марте и сентябре. По прогнозам, в 25-м веке каждый год потребуется четыре дополнительных секунды, поэтому нынешних квартальных вариантов будет недостаточно.

В апреле 2001 года Роб Симан из Национальной обсерватории  оптической астрономии предложил разрешать добавлять високосные секунды ежемесячно, а не дважды в год.

Существует предложение переопределить UTC и отменить високосные секунды, чтобы солнечные часы очень медленно выходили из синхронизации с гражданским временем. Результирующий постепенный сдвиг движений солнца относительно гражданского времени аналогичен сдвигу сезонов относительно годового календаря, который следует из календарного года, не точно совпадающего с продолжительностью тропического года. Это будет практическим изменением в гражданском хронометраже, но оно вступит в силу медленно в течение нескольких столетий. UTC (и TAI) будет все больше и больше опережать UT; оно совпадало бы с местным средним временем по меридиану, медленно дрейфующему на восток (достигая Парижа и далее). Таким образом, система времени потеряет свою постоянную связь с географическими координатами на основе опорного меридиана. Предполагая, что в ближайшие столетия не произойдет каких-либо серьезных событий, влияющих на цивилизацию, разница между UTC и UT может достигнуть 0,5 часа после 2600 года и 6,5 часа около 4600 года.

7-я Исследовательская комиссия Сектора радиокоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-R) и Рабочая группа 7A не смогли прийти к единому мнению относительно того, следует ли представить это предложение Ассамблее радиосвязи 2012 года; председатель 7-й Исследовательской комиссии избрал для вынесения этого вопроса Ассамблею радиосвязи 2012 года (20 января 2012 года), однако МСЭ отложил рассмотрение этого предложения до Всемирной радиоконференции в 2015 году. Эта конференция, в свою очередь, рассмотрела вопрос, но не было принято постоянного решения; она только решила продолжить изучение с целью пересмотра в 2023 году.



to top