Даже сломанные часы дважды в сутки показывают точное время. К сожалению, это не отменяет их бесполезность. Более того, если часы идут, толку от них тоже будет мало, если… они не синхронизированы с другими.

 Эта статья была опубликована в журнале OYLA №8(48). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Когда мы говорим о времени, то всегда оперируем двумя понятиями: календарём как математическим инструментарием для организации интервалов времени и устройством, которое их отсчитывает. На протяжении большей части истории человечество оперировало только большими интервалами времени, такими как сезоны или годы. Их вполне хватало древнему землепашцу или охотнику.

Около 1500 года до н. э. в Древнем Египте были изобретены солнечные часы. Смена дня и ночи, как и смена сезонов, позволяла легко отсчитывать дни и года. Но солнечные часы впервые дали человеку возможность измерять отрезки времени длиной меньше суток.

Первые механические часы по­явились в VII веке н. э. в Древнем Китае, их придумал монах и математик И Син. Теперь люди могли отсчитывать время и днём, и ночью. С течением веков часовые механизмы совершенствовались, становились точнее и компактнее.

Впервые потребность синхронизировать время в удалённых друг от друга мес­тах появилась благодаря поездам. Почти до конца XVIII века время в городах Анг­лии определялось местными солнечными часами. В результате каждый город жил по своему времени: относительно Лондона Оксфорд «спешил» на 5 минут, Карнфорт — на 11 минут, а Барроу почти на четверть часа!

Представьте, что составы из разных городов приходили бы на станции со своим временем на борту. Как определить, кто опоздал, а кто прибыл раньше? Не­уди­вительно, что с увеличением количества поездов рассинхронизованность их движения стала настоящей проблемой, более того — в некоторых случаях она могла привести к столкновению составов. С этим боролись при помощи таблиц с указанием временных корректировок для каждого города. Машинист каждого поезда сверял «своё время» с временем на станции.

Но всё изменило появление телеграфа в середине XIX века. К 1855 году сигналы точного времени из Гринвича передавались по проводам вдоль всех железнодорожных линий Британии. Сегодня почти каждое электронное устройство умеет показывать точное время, причём без нашего вмешательства. Как этого удалось добиться? 

Кажется, нужно просто завести все часы одновременно и отправить их в разные места. Но одна из главных проблем в отсчёте времени — нестабильность почти всех часовых механизмов. Они могут непредсказуемо замедляться, ускоряться, или — чаще всего — делать и то, и другое попеременно. Это связано с несовершенством самих устройств и влиянием на них окружающей среды. И на пружины в механических часах, и на кристаллы кварца, и на высокотехнологичные электронные схемы влияют температура, влажность, вибрация и другие малоконтролируемые факторы. Даже два часовых механизма одной модели со временем будут иметь расхождение. Поэтому периоди­чески необходимо их синхронизировать. Но как часто?

Любая синхронизация требует дополнительных энергозатрат. Энергия устройств, работающих от автономных источников питания (всевозможных датчиков, аппаратов «интернета вещей» и даже марсоходов), ограничена. К тому же частая синхронизация перегружает каналы связи (об этом мы поговорим далее). Поэтому нужен разум­ный баланс.

Основным источником большинства эталонов времени являются сигналы глобальных спутниковых систем — GPS (глобальная система позиционирования) или ГЛОНАСС. У всех GPS-спутников на борту есть сверхточные атомные часы, синхронизированные друг с другом и с часами на Земле. Это напрямую связано с их основной задачей — определением местоположения объектов.

Приёмники на Земле получают сигналы от разных спутников с небольшой разницей во времени, так как они находятся на разных дистанциях от него. На основе этой разницы, зная координаты спутников, можно определить своё местоположение, а заодно и откалибровать свои часы. Инженеры называют такое вычисление позиции трилатерацией. Поэтому на спутниках GPS устанавливают сверхточные часы, синхронизироваться с которыми может любой желающий. Для этого вам нужен GPS-приёмник. Однако учтите: сигнал от спутника может легко быть потерян из-за условий местности, погоды и окружающих зданий. Кроме того, сигнал довольно просто заглушить и подделать: злоумышленник при желании может обмануть ваше устройство, заставив его думать, что оно находится не в том месте и не в то время.

Для повышения надёжности работы со временем крупные компании и лаборатории используют комбинацию из собственных атомных часов и GPS-приёмников. Она гарантирует стабильность и точность: GPS-приёмники используются для первичной установки времени и периодической коррекции атомных часов, а атомные часы, в свою очередь, поддерживают ход времени, когда спутниковый сигнал недоступен или кажется ненадёжным. Для обнаружения неисправностей или хакерских атак используют несколько приёмников GPS-сигнала: если показания одного сильно расходятся с другими, то такой сигнал игнорируется, а компьютер предупреждает о проблеме.

Спутники несколько раз в минуту пере­дают информацию о своём положении и текущем времени на Землю, а все желающие устройства принимают и обрабатывают эти сигналы. Спутников должно быть много, чтобы в любой момент сигнал от нескольких из них мог быть принят в любой части планеты.