home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ DP Tool Club 8 / CDASC08.ISO / VRAC / USNO.ZIP / USNO.TXT < prev   
Text File  |  1993-08-25  |  80KB  |  1,592 lines

  1. U.S. Naval Observatory
  2. Washington, DC
  3. 20392-5100
  4. USA
  5.  
  6. March 1984
  7.  
  8. "KEEPER OF THE MASTER CLOCK"
  9.  
  10. Do you need to know the precise time?
  11.  
  12. If you're ever told you are late for an appointment, how would
  13. you like to say:  "My clock tells me the correct time to within
  14. one ten millionth of a second". Of course, your clock costs
  15. $30,000 and weighs 150 pounds, but it is as correct as man and
  16. technology can currently make it.
  17.  
  18. This is perhaps a frivolous way to look at the vital function of
  19. precise timekeeping. The U.S. Naval Observatory has been in the
  20. forefront of timekeeping since the early 1800's. In 1845, the
  21. Observatory offered its first time service to the public - a time
  22. bell was dropped at noon. Beginning in 1865 time signals were
  23. sent daily by telegraph to Western Union and others.  In 1904 a
  24. U.S. Navy station broadcast of the first worldwide radio time
  25. signals was based on a clock provided and controlled by the
  26. Observatory. A special telescope, known as a Photographic Zenith
  27. Tube (PZT) was installed in 1915 to observe the variation of
  28. latitude.  Beginning in 1935, it was used to determine Universal
  29. Time (UT), also called Greenwich Mean Time.
  30.  
  31. Today we have a method of keeping very precise time - the atomic
  32. clock. The principle of operation of the atomic clock is based on
  33. measuring the microwave resonance frequency (9,192,631,770 cycles
  34. per second) of the cesium atom.  At the Observatory, the atomic
  35. time scale (AT) is determined by averaging 20 to 24 atomic clocks
  36. placed in separate, environmentally controlled vaults. Atomic
  37. Time is a very uniform measure of time (1 billionth of a second
  38. per day).
  39.  
  40. The Photographic Zenith Tube is still used to determine UT based
  41. on the rotation of the Earth about its axis.  This is one method
  42. we use to set the faces of our atomic clocks. The largest PZT in
  43. existence (13 meters focal length) is in use at the Observatory.
  44. PZTs are mounted in a fixed vertical position so that a star may
  45. be photographed as it crosses the meridian near the zenith.  The
  46. meridian is defined as an imaginary line drawn from the north
  47. celestial pole to the south celestial pole and passing through
  48. the observer's zenith.  The time that each photographic image is
  49. made is recorded by a computer. Measurement of the position of
  50. the star images on the photographic plates provides data to
  51. determine the clock reading when the star crossed the meridian.
  52. The position of the star is known, and the Universal Time when it
  53. was on the meridian may be computed. Because the Earth does not
  54. rotate at a uniform rate, UT rate is not constant.
  55.  
  56. Adjustments of clock time are necessary about once a year and are
  57. due to a slow decrease in the rotation of the Earth with respect
  58. to atomic time.  These adjustments are called "leap seconds".  On
  59. June 30, and sometimes on December 31, one extra second may be
  60. added to the official U.S. time scale.  When this adjustment is
  61. necessary, the "leap second" is added to the minute beginning at
  62. 23:59 U.T.C. (7:59 p.m. EDT).
  63.  
  64. Precise time measurements are needed for the synchronization of
  65. clocks at two or more stations.  Such synchronization is
  66. necessary, for example, for communications systems. Precise time
  67. is also used for precise position determination using electronic
  68. signals from satellites or shore-based stations. Radio and
  69. television stations are also users of precise time - the time of
  70. day - and precise frequencies in order to broadcast programs. 
  71. Many programs are transmitted from coast to coast to affiliate
  72. stations around the country.
  73.  
  74. Without precise timing, the stations would not be able to
  75. synchronize the transmission of these programs to local
  76. audiences. The military and industry also use precise time to
  77. synchronize communications and navigation systems, calibrate
  78. machinery, and meet timetables for rail and air traffic.
  79.  
  80. While precise time is not necessarily for everyone, what a reply
  81. it would be for one of the most commonly heard lines in daily
  82. life - "When do we eat?"
  83.  
  84. A Time of Day announcement can be obtained by calling
  85. 202/653-1800, locally in the Washington area. For long distance
  86. callers, the number is 900/410-TIME. The latter call is a
  87. commercial service for which the telephone company charges 50
  88. cents for the first minute and 35 cents for each additional
  89. minute.
  90.  
  91. The 900 service will allow anyone in the United States to dial up
  92. direct access to the Master Clock at the Naval Observatory for
  93. US$0.50.  Australia, Hong Kong end Bermuda can also access this
  94. service at International Direct Distance Dialing rates. The
  95. official United States time is determined by the Master Clock at
  96. the U.S. Naval Observatory.
  97.  
  98. The advantages of the new service in the USA include:
  99.  
  100.      1.   Use of dedicated landlines. Long distance callers will
  101. obtain the full accuracy of the TIME announcement. Landline
  102. delays in the USA are less than 25 milliseconds, and are
  103. constant.
  104.  
  105. (By using regular long distance calling to area code 202,
  106. satellite routing can introduce delays of up to 250 milliseconds
  107. without the caller being aware of it.]
  108.  
  109.      2.   8,000 calls can be handled simultaneously. (With the
  110. local service, only 10 calls can be handled at a time.  Many are
  111. lost because of saturation. Callers may get a busy signal.)
  112.  
  113.      3.   Callers can stay on the line for as long as necessary.
  114. (With the local service, when lines are busy, there is an
  115. automatic cut-off after 15 seconds.)
  116.  
  117. Visitors to the Time Service Building wishing more definitive
  118. information should feel free to speak to any Time Service staff
  119. member or may call 202/653-1460.
  120.  
  121. *****************************************************
  122.  
  123. U.S. Naval Observatory
  124. Washington, DC
  125. 20392-5100
  126. USA
  127.  
  128. 6 April 1992
  129.  
  130. THE U.S. NAVAL OBSERVATORY MASTER CLOCK
  131.  
  132. The U.S. Naval Observatory (USNO) is charged with the
  133. responsibility for precise time determination and management of
  134. time dissemination. Modern electronic systems, such as,
  135. electronic navigation or communication systems, depend
  136. increasingly on precise time and time interval (PTTI). Examples
  137. would be the ground based LORAN-C navigation system and the
  138. satellite based Global Positioning System (GPS). These systems
  139. are all based on the travel time of the electromagnetic signals:
  140. an accuracy of 10 nanoseconds (10 one-billionths of a second)
  141. corresponds to a position accuracy of about 10 feet. In fast
  142. communications, time synchronization is equally important. All of
  143. these systems are referenced to the USNO Master Clock.
  144.  
  145. Thus, the USNO must maintain and continually improve its clock
  146. system so that it can stay one step ahead of the demands made on
  147. its accuracy, stability and reliability.
  148.  
  149. The present Master Clock of the USNO is based on a system of some
  150. 24 independently operating cesium atomic clocks and 5 to 8
  151. hydrogen maser atomic clocks. These clocks are distributed over
  152. 12 environmentally controlled clock vaults, to insure their
  153. stability. By automatic hourly intercomparison of all clocks, a
  154. time scale can be computed which is not only reliable but also
  155. extremely stable. Its rate does not change by more than about 1
  156. nanosecond per day from day to day.
  157.  
  158. On the basis of this computed time scale, a clock reference
  159. system is steered to produce clock signals which serve as the
  160. USNO Master Clock. The clock reference system is driven by a
  161. hydrogen maser atomic clock. Hydrogen Masers are extremely stable
  162. clocks over short time periods (less than one week). They provide
  163. the stability and reliability needed to maintain the accuracy of
  164. the Master Clock System.
  165.  
  166.  
  167. MASTER CLOCK REFERENCE SYSTEM #2
  168.  
  169. The electronic system in this room is Reference System #2, which
  170. is part of the U.S. Naval Observatory Master Clock.  The major
  171. parts of this system are:
  172.  
  173. Hydrogen Maser #18 (first cabinet from the right)
  174. Hydrogen Maser #19 (second cabinet from the right)
  175. Electronic Control System (cabinet on the left side)
  176. Environmental Control System (behind the door in the rear)
  177.  
  178. Masers are atomic clocks which have outstanding short-time
  179. stability.  This is due to the fact that Masers directly use the
  180. atomic microwave radiation coming from Hydrogen atoms which emit
  181. the frequency of 1420MHz when they change the state of their
  182. single electron.  The radiation (which is very weak, 1E-11 Watts
  183. approximately) can be used to phase lock a quartz crystal clock
  184. to it. This type of atomic clock differs from the Cesium clocks
  185. where one only detects the presence of a transition. The main
  186. components of a Maser are the hydrogen gas supply, a controllable
  187. "leak" for the gas into the high vacuum system, a gas discharge
  188. to produce atomic Hydrogen, and a state selector which rejects
  189. atoms in the lower energy state so that only the higher state can
  190. enter the resonance cavity.  Once the atoms enter the resonance
  191. cavity, they find other atoms radiating and they fall in step. 
  192. They "start to talk to each other" and echo what they hear.  This
  193. produces a highly coherent oscillation.  This is the signal to
  194. which the crystal oscillator is phase locked.  All of that is
  195. packaged in the cabinets on the right, including power supplies,
  196. temperature control, and magnetic shielding.
  197.  
  198. Great care is required to keep environmental disturbances small
  199. so that the full performance potential of these sophisticated
  200. clocks can be realized. The masers have been built by a group
  201. under Dr. Robert F. C. Vessot at the Smithsonian Astrophysical
  202. Observatory in Cambridge, Massachusetts.
  203.  
  204. The two Masers operate jointly, one of them being the "lead"
  205. Maser and the other being phase locked to the lead to within 10
  206. picoseconds (ps).  This is done so that we can switch from one to
  207. the other without making any noticeable steps in time or in rate
  208. (light travels just 0.3mm in 1ps).  The actual difference between
  209. the two Masers is displayed on the oscilloscope on top if the
  210. Electronic Control System.  The line's ragged appearance is
  211. caused by the control actions of the computer which makes the
  212. very small frequency changes once per hour in the follower
  213. Maser's frequency synthesizer.  The computer has blinking lights;
  214. they blink as long as the computer is idling.
  215.  
  216. The control computer also measures temperatures, humidity and a
  217. host of diagnostic indication in order to alert the operators to
  218. any possible trouble.  If the problem is associated with the lead
  219. Maser, then this Maser will be replaced with the other Maser by
  220. electronically switching the input to the clock designated in
  221. Reference System #2 in the cabinet on the left (the electronic
  222. control system).
  223.  
  224. The control computer serves as a local data node.  It reports the
  225. settings and measurements to the main Time Service Data
  226. Acquisition and Control System (DAS).  It also receives
  227. instructions from the DAS on how to keep the system on the
  228. computed time scale for a protracted period.  Essentially then,
  229. this system is a type of flywheel which implements and extends
  230. the computed time scale of the Observatory.  For this purpose,
  231. the driving oscillators, i.e., the Masers, must have the very
  232. best shorttime stability obtainable.  They must also be very
  233. reliable. This latter point can only be achieved with redundancy. 
  234. That is why two Masers are combined in this system.
  235.  
  236. The stability obtained with a single Maser is better than one
  237. part in ten to the 14 (1E-14) for periods from a few hundred
  238. seconds out to several days.  1E-14 allows a timing precision of
  239. better than 1 nanosecond over one day.
  240.  
  241. ********************************************************
  242.  
  243. U.S. Naval Observatory
  244. Washington, DC
  245. 20392-5100
  246. USA
  247.  
  248. 1 May 1992
  249.  
  250. The U.S. Naval Observatory and
  251. The Global Positioning System
  252.  
  253. by Mihran Miraman
  254.  
  255. The U.S. Naval Observatory (USNO) monitors the timing of the
  256. Global Positioning System (GPS) for the purpose of providing a
  257. reliable and stable coordinated time reference standard for the
  258. satellite navigation system. Monitoring the timing of the GPS has
  259. been a mission requirement of the USNO since the first satellites
  260. were launched, more than ten years ago. During this period, the
  261. GPS has evolved into a nearly complete network of satellites
  262. which provides accurate time as well as precise position.
  263. Likewise, the USNO GPS operations have also evolved to
  264. accommodate the increased timing requirements of both military
  265. and civilian users. These users rely on the GPS as a means for
  266. time synchronization with the USNO and as a common source for the
  267. purpose of precise time transfer. As more satellites are added to
  268. the constellation and the costs of user equipment decrease, the
  269. number of users will steadily increase.
  270.  
  271. The data provided to GPS operations are usually of a classified
  272. nature and not available to unauthorized users. However, the USNO
  273. also operates GPS receivers that are unkeyed and function in the
  274. unauthorized mode. The data from these receivers are available to
  275. users via USNO publications and the USNO Automated Data Service
  276. (ADS).
  277.  
  278. The USNO has several GPS timing receivers in constant operation
  279. in Washington, DC; the primary units are a STel-502 and a dual
  280. frequency receiver (DFR) also produced by STel. The STel-502
  281. receiver has been in continuous operation since 1984 and is the
  282. source of all GPS data that appear in USNO publications and the
  283. USNO ADS. The DFR is a modified version of a GPS monitor site
  284. receiver. It is capable of tracking both frequencies emitted from
  285. the satellites and corrects for ionospheric effects. The DFR is
  286. an encryption keyed receiver, which operates in a classified
  287. mode. Consequently, the data from this receiver are not available
  288. to unauthorized users.
  289.  
  290. The USNO also operates GPS timing receivers at remote Data
  291. Acquisition Sites (Dabs). These sites are located at strategic
  292. military installations and civilian agencies for the purpose of
  293. time synchronization and for monitoring the timing of the Loran-C
  294. radio navigation system. These receivers provide a means for
  295. determining the offset of the remote site clocks from the USNO
  296. Master Clock via the GPS. These receivers are not encryption
  297. keyed and the data are therefore unclassified. This permits the
  298. data to be transferred to the USNO by conventional means, i.e.,
  299. telephone lines.
  300.  
  301. The time differences provided by the USNO for the GPS represent
  302. the difference between the USNO Master Clock (MC) and the GPS
  303. Composite Clock (CC) as derived from each individual satellite.
  304. Currently, precise timing to approximately +/-35 nanoseconds
  305. (billionths of a second) relative to the USNO Master Clock may be
  306. obtained by monitoring any Block I satellite, and any Block II
  307. satellite so long as encryption measures such as Selective
  308. Availability (SA) and Anti-Spoofing (AS) have not been activated.
  309. These measures degrade and or deny the precise positioning
  310. capability of the GPS to unauthorized users. Block I satellites
  311. are prototypes and do not have the encryption capability of Block
  312. II operational satellites.
  313.  
  314. Daily average values for Block I, Block II, and the entire GPS
  315. constellation of satellites are also determined. These values
  316. represent a 2-day filtered smoothing of measurements from those
  317. satellites considered reliable. These single values are an
  318. estimate of the difference between MC(USNO) and CC(GPS), with a
  319. precision of timing to about +/-10 nanoseconds for Block I
  320. satellites, and for Block II and the entire constellation when SA
  321. is not implemented. When SA is implemented, the precision of
  322. timing is about +/-60 nanoseconds for Block II satellites and the
  323. entire constellation.
  324.  
  325. The two receivers at the USNO in Washington are scheduled to
  326. track satellites according to a recommended common-view tracking
  327. schedule for international time comparisons. This schedule is
  328. provided by the Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)
  329. in Paris, France. The primary link between the BIPM and its time
  330. scale contributors is the GPS. Satellite track times are chosen
  331. to minimize elevation angles between pairs of stations. Open
  332. periods are filled with the emphasis on providing a balanced
  333. coverage of all usable satellites.
  334.  
  335. In addition to precise timing, the USNO also supports GPS
  336. operations with information regarding the orientation of the
  337. Earth in space. The very long baseline interferometry (VLRI)
  338. program, of the USNO, determines daily parameters for the
  339. position of the Earth's rotational pole. These parameters correct
  340. the dynamical reference frame of the GPS satellites to an
  341. inertial reference frame. This information is necessary for
  342. determining improved orbits for the satellites.
  343.  
  344. The USNO GPS database provides a reliable, near real-time data
  345. set which military and civilian users rely on for precise clock
  346. synchronization and Earth orientation. Access to the GPS timing
  347. data via the USNO ADS is user friendly and available worldwide
  348. over telephone lines and computer networks. As the GPS reaches
  349. its full potential, USNO GPS operations will continue to expand
  350. to provide the precise timing support essential to both military
  351. and civilian users.
  352.  
  353. *********************************************************
  354.  
  355. U.S. Naval Observatory
  356. Washington, DC
  357. 20392-5100
  358. USA
  359.  
  360. [Not dated]
  361.  
  362. LEAP SECONDS
  363.  
  364. Civil time is occasionally adjusted by one second increments to
  365. insure that the difference between a uniform time scale defined
  366. by atomic clocks does not differ from the Earth's rotational time
  367. by more than 0.9 seconds.  Coordinated Universal Time (UTC), an
  368. atomic time, is the basis for our civil time.
  369.  
  370. In 1956, following several years of work, two astronomers at the
  371. U.S. Naval Observatory (USNO) and two astronomers at the National
  372. Physical Laboratory (Teddington, England) determined the
  373. relationship between the frequency of the Cesium atom (the
  374. standard of time) and the rotation of the Earth at a particular
  375. epoch.  As a result, they defined the second of atomic time as
  376. the length of time required for 9,192,631,770 cycles of the
  377. Cesium atom at zero magnetic field.  The second thus defined was
  378. equivalent to the second defined by the fraction 1 /
  379. 31,556,925.9747 of the year 1900.  The atomic second was set
  380. equal, then, to an average second of Earth rotation time near the
  381. turn of the 20th century.
  382.  
  383. The Sub-bureau for Rapid Service and Predictions of the
  384. International Earth Rotation Service (IERS), located at the U.S.
  385. Naval Observatory, monitors the Earth's rotation.  Part of its
  386. mission involves the determination of a time scale based on the
  387. current rate of the rotation of the Earth.  UT1 is the
  388. non-uniform time based on the Earth's rotation.
  389.  
  390. The Earth is constantly undergoing a deceleration caused by the
  391. braking action of the tides.  Through the use of ancient
  392. observations of eclipses, it is possible to determine the
  393. deceleration of the Earth to be roughly 1-3 milliseconds per day
  394. per century.  This is an effect which causes the Earth's
  395. rotational time to slow with respect to the atomic clock time. 
  396. Since it has been nearly 1 century since the defining epoch (i.e. 
  397. the ninety year difference between 1990 and 1900), the difference
  398. is roughly 2 milliseconds per day.  Other factors also affect the
  399. Earth, some in unpredictable ways, so that it is necessary to
  400. monitor the Earth's rotation continuously.
  401.  
  402. In order to keep the cumulative difference in UT1-UTC less than
  403. 0.9 seconds, a leap second is added to the atomic time to
  404. decrease the difference between the two.  This leap second can be
  405. either positive or negative depending on the Earth's rotation. 
  406. Since the first leap second in 1972, all leap seconds have been
  407. positive.  This reflects the general slowing trend of the Earth
  408. due to tidal braking.
  409. Confusion sometimes arises over the misconception that the
  410. regular insertion of leap seconds every few years indicates that
  411. the Earth should stop rotating within a few millennia.  The
  412. confusion arises because some mistake leap seconds as a measure
  413. of the rate at which the Earth is slowing.  The one-second
  414. increments are, however, indications of the accumulated
  415. difference in time between the two systems.  As an example, the
  416. situation is similar to what would happen if a person owned a
  417. watch that lost two seconds per day.  If it were set to a perfect
  418. clock today, the watch would be found to be slow by two seconds
  419. tomorrow.  At the end of a month, the watch will be roughly a
  420. minute in error (thirty days of two second error accumulated each
  421. day).  The person would then find it convenient to reset the
  422. watch by one minute to have the correct time again.
  423.  
  424. This scenario is analogous to that encountered with the leap
  425. second.  The difference is that instead of setting the clock that
  426. is running slow, we choose to set the clock that is keeping a
  427. uniform, precise time.  The reason for this is that we can change
  428. the time on an atomic clock while it is not possible to alter the
  429. Earth's rotational speed to match the atomic clocks.  Currently
  430. the Earth runs slow at roughly 2 milliseconds per day.  After 500
  431. days, the difference between the Earth rotation time and the
  432. atomic time would be one second.  Instead of allowing this to
  433. happen a leap second is inserted to bring the two times closer
  434. together.
  435.  
  436. The decision to introduce a leap second in UTC is the
  437. responsibility of the International Earth Rotation Service
  438. (IERS).  According to international agreements, first preference
  439. is given to the opportunities at the end of December and June,
  440. and second preference to those at the end of March and September. 
  441. Since the system was introduced in 1972, only dates in June and
  442. December have been used.  [The leap second is inserted at
  443. 23:59:59 UTC.  It is designated 23:59:60, and is followed by
  444. 00:00:00 UTC.]
  445.  
  446. ********************************************************
  447.  
  448. U.S. Naval Observatory
  449. Washington, DC
  450. 20392-5100
  451. USA
  452.  
  453. July 22, 1991
  454.  
  455. TIME SERVICE PUBLICATIONS
  456.  
  457. Series 4 - Daily Time Differences - Provides time differences
  458. between the U.S. Naval Observatory Master Clock and LORAN-C,
  459. Television and satellite (GPS) systems. Also provides information
  460. on the operational status of each system including VLF (Navy and
  461. Omega).  General notices of interest for precision timekeeping
  462. are also given.  (Issued weekly/ADS/MARK III)
  463.  
  464. Series 7 - Earth Orientation Bulletin (International Earth
  465. Rotation Service (IERS) Bulletin A) Lists Earth orientation data
  466. (x, y, UT1-UTC, nutation) as available from the International
  467. Earth Rotation Service. Predictions of Earth orientation
  468. information for up to one year from the date of publication are
  469. given. (Issued weekly/ADS/MARK III)
  470.  
  471. Series 8 - Times of Coincidence (NULL) Ephemeris Tables for
  472. Television - At present, these tables are applicable only for
  473. WTTG, Washington, DC. They may be of interest in countries
  474. operating on the NTSC system. (Issued as necessary)
  475.  
  476. Series 9 - Times of Coincidence (NULL) Ephemeris Tables and
  477. General Information for LORAN-C - Individual tables are issued
  478. for the master station of each LORAN chain. Coordinates and
  479. emission delays are updated. (Issued as necessary)
  480.  
  481. Series 14 - Time Service Announcement - Includes general
  482. information pertaining to time determination, measurement and
  483. dissemination. (Issued as necessary)
  484.  
  485. Series 15 - Earth Orientation Bulletin (IERS Bulletin B) and
  486. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) Circular T -
  487. Bulletin B lists monthly Earth orientation data. Circular T gives
  488. all differences between the atomic time scales (UTC and TA1)
  489. maintained by independent laboratories. (Issued monthly to U.S.
  490. addresses only)
  491.  
  492. Series 16 - Precise Time Transfer Report - Lists the time
  493. difference UTC(USNO MC)-UTC(reference clock) for Defense
  494. Satellite Communications System terminals, adjustments to
  495. reference clocks and precise time synchronization measurements.
  496. The time differences are obtained via satellite time transfers
  497. and television. (Issued quarterly)
  498.  
  499. *********************************************************
  500.  
  501.             International Standards of Time and Frequency
  502.             ---------------------------------------------
  503.                                 by
  504.                        Gernot M. R. Winkler
  505.                        U.S. Naval Observatory
  506.                        Washington, DC. 20392
  507.  
  508.  
  509. STANDARDS OF TIME
  510.  
  511. Before the introduction of modern means of communications, there
  512. was no world standard of time.  Each locality kept its own local
  513. time, realized by the local observatory or, in most cases,
  514. sundials.  The railroads were one of the first that needed some
  515. form of regional time and they promoted the introduction of
  516. standard time.  Soon thereafter, international coordination
  517. became necessary.  The history of international standards of time
  518. and frequency begins with the Washington Conference of 1884.
  519. This conference recommended the following:
  520.  
  521.      1.   That a Standard Meridian be adopted by all countries.
  522.      2.   That this meridian be the meridian going through the    
  523.           transit instrument at the Greenwich Observatory.
  524.      3.   That East longitude should be counted plus from this    
  525.           standard meridian, and west negative.
  526.      4.   That a Universal Day be adopted, and that this day be a
  527.           mean solar day, to begin at mean midnight of the
  528.           initial meridian, coinciding with the beginning of the
  529.           civil day and date of this meridian, and that it be
  530.           counted from zero up to 24 hours.
  531.      5.   That the astronomical and nautical days should also
  532.           begin at mean midnight (this was implemented in 1925).
  533.      6.   That it is hoped that the decimal system be extended to
  534.           the division of angular space and to time.
  535.  
  536. With the exception of point six, all of these recommendations
  537. were eventually adopted.  But more had to be done.  With the
  538. advent of radio time signals, the need arose for coordination of
  539. these signals, which differed often by several seconds.  In
  540. October 1912, by invitation of the French, a conference was
  541. convened at the Paris Observatory to study this problem.  As an
  542. eventual result of these deliberations, the Bureau International
  543. de l'Heure (BIH) was formed at the Paris Observatory. After the
  544. formation of the International Astronomical Union in 1919, its
  545. newly established Time Commission was charged with supervision of
  546. the BIH.  It was a natural consequence of the need to coordinate
  547. the time determinations of the contributing observatories that
  548. the BIH established a reference system of longitude that was
  549. based on all of the instruments that made observations, thereby
  550. conceptually separating the Standard Meridian from the original
  551. transit instrument in Greenwich.  In addition, the Universal Time
  552. (UT), as a measure of the Universal Day, was different from the
  553. old Greenwich Mean Solar Time because it started the day at
  554. midnight while old GMT started at Noon.
  555.  
  556. For a while, the English-speaking countries continued to refer to
  557. this new UT also as Greenwich Mean Time (GMT), thereby
  558. contributing to some confusion because GMT could mean either the
  559. old or the new convention.  And with time, more details had to be
  560. considered:  UT is actually a system of slightly different times
  561. and one distinguishes:
  562.  
  563.      UT0  which is Mean Solar Time at the Standard Meridian (near
  564.           the old Greenwich meridian but not identical with it)
  565.           plus 12 hours.  This UT0 as it is observed by transit
  566.           instruments must be corrected for Polar Motion (PM).
  567.           That gives
  568.  
  569.      UT1  This UT1 is still somewhat variable due to the seasonal
  570.           variations of the rotation of the Earth.  These have
  571.           been empirically determined and can be applied as a
  572.           correction to UT1.  The result is
  573.  
  574.      UT2  This is nearly uniform time.  Modern high precision
  575.           atomic clocks, however, keep time still much more
  576.           uniform, about 1 million times more.  The need arose,
  577.           therefore, to distinguish the time of the clocks and
  578.           time signals (UTC) from the astronomically determined
  579.           UT2.  A leap second is introduced whenever the
  580.           difference UT2 - UTC goes beyond 0.5 seconds (s).  The
  581.           maximum difference allowed is 0.9s. On the average, a
  582.           leap second is introduced every one to three years. 
  583.           This will probably change in the future because there
  584.           is a gradual (secular) slowing down of the rotation of
  585.           the Earth.  The day is for these reasons not equal to
  586.           86400s but slightly longer.  The accumulated difference
  587.           is taken out by means of the leap second.
  588.  
  589. UTC  is, with the exception of the leap seconds, strictly uniform
  590. clock time that is coordinated internationally by the Bureau
  591. International de Poids et Mesures (BIPM), which has taken over
  592. the functions of the old BIH in regard to atomic time.  The
  593. other, astronomical times, UT1 and UT2, fall under the
  594. responsibility of the International Earth Rotation Service
  595. (IERS), the central bureau of which is at the Paris Observatory
  596. and various sub-bureaus at other major time centers.  E.g., the 
  597. sub-bureau for Rapid Service and Predictions is at the USNO in
  598. Washington.
  599.  
  600. International coordination, as it concerns the radio time
  601. signals, falls under the auspices of the International
  602. Telecommunications Union (ITU), and its consultative body, the
  603. CCIR.  The details that concern the radio time signal
  604. standardization, including details of the leap second
  605. implementation and fixing the UTC frequency in 1972, have been
  606. published as CCIR Study Group VII Recommendations in the CCIR
  607. Green Books.
  608.  
  609. The BIPM defines and coordinates the International Atomic Time
  610. (TAI), which is a pure atomic time, never adjusted.  It is the
  611. basis of UTC that differs from TAI only in consequence of the
  612. leap seconds.
  613.  
  614.  
  615. STANDARDS OF FREQUENCY
  616.  
  617. Until 1955 the unit of time has been the Second as a subunit of a
  618. mean solar day.  Later, one tried to overcome the known
  619. variability of the speed of rotation of the Earth by using its
  620. orbital motion around the Sun as the time standard.  This
  621. produced the old "Ephemeris Second" as standard.  Frequency is
  622. given as cycles per second, and whenever the second changed, so
  623. did frequency.  This was a very undesirable situation, and work
  624. to refer frequency to an invariable unit of time started as soon
  625. as the first practical atomic clock was created by Dr. Louis
  626. Essen at the National Physical Laboratory (NPL) in Teddington,
  627. UK.  Joint measurements by the NPL and the USNO started in 1956
  628. and established a connection between the astronomical unit of
  629. time and the cesium resonance that served as a practical
  630. standard.  In 1960, agreement was reached to accept this
  631. measurement as a provisional standard.  The frequency of cesium
  632. was given as 9,192,631,770 cycles per Ephemeris Second.  The
  633. formal designation of UTC was also introduced at that time by
  634. agreement between the British and American time keeping
  635. authorities.  The Hertz is the unit of frequency given as cycles
  636. per standard second.
  637.  
  638. Since 1967 we use as the unique, official standard of time (and
  639. by implication also of frequency) the duration of 9,192,631,770
  640. cycles of a microwave resonance frequency of the cesium atom
  641. under specified conditions.  The new definition has been set to
  642. agree, within the errors of measurement, with the traditional
  643. measure of time which is dictated by our dependency on the Sun. 
  644. This new standard, however, has the great advantage that it can
  645. be easily realized anywhere; i.e., we can carry our time measure
  646. with us wherever we go.  In using it we must, however, pay
  647. attention to the necessity of making certain transformations of
  648. our time measures of events in systems which are in motion and/or
  649. in different gravitational potential relative to us.  This
  650. necessity arises precisely because of the purely relational (as a
  651. relation between processes) nature of our time concept.  The
  652. mathematical relations constitute what is known as relativity
  653. theory.
  654.  
  655.  
  656. THE INTERNATIONAL SYSTEM OF UNITS SI
  657.  
  658. The system of measurement units that has been internationally
  659. adopted as the successor of the "metric" system is the Systeme
  660. International (SI), which is in its ideal principles a system for
  661. local use, the same way as the concept of time itself.  This
  662. locality has been specifically recognized in the case of the time
  663. measures, albeit only gradually.  At the time of the adoption of
  664. the present SI Second in 1967, it was implied that the definition
  665. had to be in the concept of proper time. Only much later, when
  666. the exact meaning of TAI had to be considered, was the 
  667. distinction between local (proper) time and coordinate time
  668. included in the actual wording of a recommendation. Regarding the
  669. other base units of the SI, the evolution of the system is not
  670. yet completed. The Second has become the most important unit: by
  671. having defined the speed of light once and for all, the unit of
  672. length is now also based upon the Second.  In addition, the
  673. Second is based not on a prototype, but on a postulated constant
  674. of nature - the energy levels of the cesium atom.  Efforts are 
  675. under way to continue in this direction: away from prototypes
  676. towards constants of nature.
  677.  
  678. In practical terrestrial timing applications, the need to reduce 
  679. remote time measurements relativistically became very obvious
  680. with the first satellite timing experiments.  However, it took
  681. some time to make this part of relativity a part of the timing
  682. engineer's tool box (see [2] through [10] for a discussion of
  683. details).  As an official act, the CCDS has at first clarified
  684. the principles involved, and has defined in 1970 the
  685. International Atomic Time (TAI) as a coordinate (and coordinated)
  686. time [8].  The wording (translated from the French) is:
  687.      "The TAI is the temporal reference coordinate established by
  688.      the Bureau International de l'Heure (BIH) on the basis of 
  689.      the readings of atomic clocks that operate in various
  690.      establishments in conformance with the definition of the
  691.      Second, the unit of time of the International System of
  692.      Units (SI)."  (Recommendation S 2, 1970).
  693.  
  694. This definition of TAI has been augmented with a declaration in
  695. 1980 that clarified the meaning in the relativistic context. 
  696. This became necessary because the above wording only implies the
  697. reference time TAI to be coordinated, since TAI is defined on the
  698. basis of the clock readings in the contributing establishments. 
  699. The unit of time, as it is defined as a base unit of the SI,
  700. however, necessarily refers to proper time.  Wherever we operate
  701. a cesium frequency standard, it gives us the time measure as a
  702. proper unit, even though this also was not explicitly spelled out
  703. in the original definition.  This CCDS declaration is as
  704. translated [8]: 
  705.      "TAI is a coordinate time scale, defined in a geocentric
  706.      reference frame with the SI Second as scale unit as it is
  707.      realized on the rotating geoid.  Therefore, it can be
  708.      extended to a fixed or moving point in the vicinity of the
  709.      Earth with sufficient accuracy at the present state of the
  710.      art by the application of the first order corrections of the
  711.      General Theory of Relativity;  i.e., the corrections for the
  712.      differences in the gravitational potential and the
  713.      differences of speed, in addition to the rotation of the   
  714.      Earth."
  715.  
  716. The CCIR Study Group VII has issued a report [9] that deals in
  717. some detail with the cases of a portable clock near the surface
  718. of the Earth, and with electromagnetic signals used for remote
  719. synchronization.   The report is in essential agreement with the
  720. CCDS documents with some additional detail of importance for
  721. terrestrial applications. 
  722.  
  723.  
  724. THE PRESENT SITUATION IN ASTRONOMY REGARDING STANDARDS OF TIME
  725.  
  726. The old Ephemeris Time, as it was used as the argument for
  727. orbital computations, was replaced in 1977 by Dynamical Time,
  728. which included relativity considerations with scaling (changing
  729. the rate of the clocks to compensate for the gravitational
  730. potential at the point of origin for the purpose of avoiding a
  731. secular runoff).   Two main guiding principles were used in this
  732. replacement.  First, the Moon was to be replaced with the more
  733. accurate cesium standard (even though there was ambiguity in the
  734. wording!).  And second, continuity with the past ET was
  735. considered essential.  However, the new space applications of
  736. precise time, particularly in pulsar research, suggest further
  737. evolution.  This is very significant because by far the most
  738. stringent requirements for long-term clock stability and accuracy
  739. in the relativity corrections that must be applied in the
  740. reduction of observations come from astrodynamics and
  741. astronomical research.
  742.  
  743. The 1977 decisions regarding Dynamical Time were to some degree
  744. premature and, therefore, unfortunate.  The name was entirely
  745. confusing but even in the text, an unfortunate ambiguity existed
  746. in respect to the choice of the scale unit:  was it defined at
  747. the epoch or for all time?  In addition, no agreement could be
  748. reached about the role of TAI:  was it, as the CCDS later spelled
  749. out, a coordinate time, or in astronomical context, a proper
  750. time?  And last but not least: the scaling!  At the time, we
  751. obviously did not see clearly enough the importance of
  752. consistency in our system of measurement.  In fact by scaling we
  753. gain nothing if - and that is a crucial point - we do not
  754. disseminate the time.  In that case, we do not have to worry
  755. about runoff!   On the other hand, dropping the scaling allows us
  756. to use our physical system of measurement consistently. 
  757.  
  758. IAU Colloquium 127 has now provided a long overdue clarification.
  759. Relativity has been included in all concepts from the beginning.
  760. Recommendation G2 [10] specifically mentions two coordinate
  761. systems, the (solar) barycentric and a geocentric system;  it
  762. specifies that the SI (i.e., the second, the meter, c, etc.)
  763. should be extended to outer space without scaling factors;  and
  764. it links the time coordinates to atomic clocks that operate in
  765. conformance with the definition of the Second.
  766.  
  767. Recommendations T1 and T2 establish a consistent nomenclature for
  768. the various time-like arguments that need to be distinguished as
  769. a consequence of the above recommendations.  This nomenclature
  770. takes into account the previously introduced time-like arguments
  771. that are used in the ephemerides:  Terrestrial Dynamical Time
  772. TDT, and Barycentric Dynamical Time TDB, the former originally
  773. taken as TAI + 32.184s, and usually considered as the
  774. relativistic successor to ET.  TDB is reckoned at the SI rate
  775. with scaling (which effectively assigns a number to the cesium
  776. standard frequency that is different from the SI). T1 and T2 also
  777. introduce new arguments in conformance with G1 and G2: Geocentric
  778. Coordinate Time TCG, and Barycentric Coordinate Time TCB.  And
  779. lastly, it also introduces an ideal Terrestrial Time TT that is
  780. practically TAI but without the very small errors of
  781. implementation. 
  782.  
  783. First of all, it must be noted that the French names determine
  784. the abbreviations.  And even though this seems like a bewildering
  785. profusion of different time scales, the method is clearer by
  786. grouping them in the following way:
  787.  
  788. Dynamical times were conceived for the sole purpose of providing 
  789. relativistic successors to the ET.  This historical origin,
  790. together with the urgency with which they were introduced before
  791. a systematic position could be reached, as it exists now,
  792. together with the 32.184- second offset inherited from ET,
  793. explains why better distinctions and definitions were needed. 
  794. Moreover, the name Dynamical is misleading because it refers to
  795. the intended use, while the scale is really an atomic time.  The
  796. scaling of the rate means that the standard units (e.g., of mass)
  797. must also be scaled if they are connected with TDB, a serious 
  798. complication that is avoided with the introduction of the
  799. "Coordinate" times.  These are not scaled but adopt the SI at the
  800. origins.  This is in the spirit of the SI, which is tacitly
  801. assumed to be a proper system of units.  Another problem we face
  802. is that we need to be able to conceptually separate TAI as an
  803. established, operational time, from its ideal concept, which can
  804. be better approximated after the fact by reprocessing and the
  805. inclusion of additional information (possibly, pulsar
  806. observations).  That is the reasoning behind TT.  It is
  807. practically identical with TDT except that the separation of the
  808. realized from the ideal time was not explicitly included in
  809. exactly this sense in the definition of TDT, which was rather
  810. vague on this point [10].  In addition, the possibly misleading
  811. implications arising from the name Dynamical are now avoided with
  812. TT.
  813.  
  814.  
  815. SUMMARY
  816.  
  817. The present world standard for common use is UTC.  It is very
  818. nearly Greenwich Mean Solar Time (old style) plus 12 hours.  The
  819. difference is kept to less than 0.9 s with adjustments in the
  820. form of leap seconds. The regional standard times are usually
  821. offset by an integer number of hours.  The standard of frequency
  822. is the Hertz, meaning one cycle per second.  The second is the SI
  823. second based on the atomic definition using the relationship
  824. between ET and the cesium resonance as determined by the NPL-USNO
  825. measurements of 1956 to 1960.  For applications in space,
  826. relativity corrections have to be applied and the astronomers
  827. have in addition, introduced a number of standard concepts that
  828. should assist in their applications.
  829.  
  830.  
  831. NOTES AND LITERATURE:
  832.  
  833. [1]  Derek Howse (1980) "Greenwich Time and the Discovery of the
  834. Longitude", Oxford University Press, ISBN 0-19-215948-8.
  835. Excellent extensive review of the early history. 
  836.  
  837. [2]  Louis Marton (ed.) (1977) Advances in Electronics and
  838. Electron Physics.  Chapter 2.  Academic Press NY.  ISBN
  839. 0-12-014644-4 LCC# 49-7504.  Gives an overview of modern time
  840. measurement with many references.
  841.  
  842. [3]  C. O. Alley, "Introduction to Some Fundamental Concepts of
  843. General Relativity and to Their Required Use in Some Modern
  844. Timekeeping Systems",  Proceedings of the Thirteenth Annual
  845. Precise Time and Time Interval (PTTI) Applications and Planning
  846. Meeting, pp. 687-727, 1981 (NASA Conference Publication 2220).
  847.  
  848. [4]  J. C. Hafele and R. E. Keating, "Around the World Atomic
  849. Clocks", Science, vol. 177, pp. 166-170, 14 July 1972.  This is
  850. the report on the first measurement of relativistic time changes
  851. with actual clocks.
  852.  
  853. [5]  C. O. Alley, "Relativity and Clocks", Proceedings of the
  854. 33rd Annual Symposium on Frequency Control, pp. 4-39A, 1979. 
  855.  
  856. [6]  N. Ashby and D. W. Allan, "Practical Implications of
  857. Relativity Radio Science, vol. 14, pp. 649-669, 1979.   This is a
  858. particularly important paper for timing applications: it
  859. discusses many specific examples, from clock trips to satellite
  860. time comparisons.
  861.  
  862. [7]  D. W. Allan, M. A. Weiss, and N. Ashby, "Around-the-World
  863. Relativistic Sagnac Experiment" Science, vol. 228, pp. 69-70, 5
  864. April 1985.
  865.  
  866. [8]  Comite Consultatif pour la Definition de la Seconde,
  867. "Declaration et Note", 9e Session, Bureau International des Poids
  868. et Mesures (BIPM), Pavillon de Breteuil, F-92310 Sevres, France, 
  869. 1980.
  870.  
  871. [9]  Recommendations and Reports of the CCIR, "Relativistic
  872. Effects in a Terrestrial Coordinate Time System",  ITU Geneva,
  873. Report 439-4, Volume VII, pp. 134-138,  1986.  A slightly
  874. modified version will be published in the "Green Book" of the
  875. XVIIth Plenary Assembly, Duesseldorf, Germany, 1990.
  876.  
  877. [10]  IAU Colloquium 127: Reference Systems,  Virginia Beach,
  878. Virginia, USA, 14-20 October 1990.  Eds. J. A. Hughes, G. Kaplan,
  879. and C. Smith, U. S. Naval Observatory, 1991.
  880.  
  881. ***********************************************************
  882.  
  883. 25 April 1992
  884.  
  885.                     DECIMAL TIME SYSTEMS
  886.  
  887. The question is often asked  why  we  do  not use the decimal
  888. system for  counting  and measuring time. The answer is that we
  889. an use the decimal system for time measurements and, indeed, that 
  890. in  science we use such a system.  However,  there  is  a
  891. difficulty in doing so which  prevents  us  from  adopting  a 
  892. purely  decimal  system  for everyday use.
  893.  
  894. Actually  there  are several different ways in which we can go
  895. about reckoning time decimally.  It all depends on what we  adopt 
  896. as  the unit of time.  If we adopt the  year as the unit then we
  897. count years and  fractions  of  a  year.   As  I write this it is
  898. 1986.724061 as example for a date that is expressed  as  a 
  899. fraction  of  the  year beginning  with  1  January,  0h  UT.  
  900. However,  there  are several difficulties  which  preclude the
  901. general adoption of this method of time reckoning for all
  902. purposes.   First  of  all,  people  are  not likely to be
  903. satisfied with  a measure which obscures the connection with  the
  904. day measure because the day is of basic importance for our life.
  905. But there is a second problem in that the  year  and  the  day
  906. are not commensurate.  A year (let  us take the tropical year,
  907. i.e., equinox  to equinox; there are others, of slightly
  908. different length) is equal to 365.2422 days.  For  a  continuous 
  909. measure,  therefore, the beginning of the year will  not coincide
  910. with the beginning of a day  but  will  move  roughly one quarter
  911. day into January 1st every year until the occurrence of a leap
  912. day will bring the beginning  of the year  back  one  day.   For 
  913. this  reason  one  has  to  fix the beginning  of  this  decimal 
  914. year reckoning in a way which makes it independent of the day
  915. count. This "Besselian" year starts when  the mean sun  reaches 
  916. the  right  ascension  of  exactly  18h 40m (mean equinox).   The 
  917. beginning  of  these  Besselian Years (BY) is given with the help
  918. of the Julian Day as follows:
  919.  
  920.      JD 2433282.423 + 365.2422(year - 1950.0)
  921.  
  922. For 1986 the BY started January 0.643 i.e., it  started  before 
  923. the beginning of the  calendar  year  (January  1,  0h  UT). This
  924. latter epoch  is  also  the  reference  for the above given
  925. fraction of the year which, therefore, must be carefully
  926. distinguished from the  BY. Our date given in this form is
  927.  
  928.      1986.725038 (BY).
  929.  
  930. But all this  is  clearly  not  practical  and  we  must  look
  931. for a different  fundamental  time  unit.   A  shorter  unit will
  932. have the benefit  of  being  also  more  precise  with  the  same 
  933. number  of fractional digits.
  934.  
  935. Nevertheless,  the  problems  of  incommensurability   will  
  936. remain because none of  the  "natural"  time  units  are
  937. commensurable with each  other.   Unless  we  wish  to allow
  938. discontinuities when we go from one year to the next (or from one
  939. day to the next) which  would sacrifice  all  advantages  of   a 
  940. decimal  counting  system,  this incommensurability  is  the 
  941. main  obstacle  to  a  generally useful decimal time measure.
  942.  
  943. Certain people use the month which  creates  even  greater 
  944. problems with the lunar calendars and  we  will not discuss it
  945. further.  (For more information see the articles on Calendar in
  946. any encyclopedia).
  947.  
  948. However,  why  not use the day?  This count is in use in the form
  949. of the Julian Day count (or the Modified Julian Day as  an 
  950. abbreviated form).
  951.  
  952. Unfortunately  there  is  also  a  problem  with  this  choice
  953. which precludes  its  general  acceptance.   If  I give the time
  954. of day in fractions of a day (e.g., 0.333333) then people again
  955. will not  make much sense of it (0800  given  in hours is more
  956. understandable). But beyond  the problems of making people accept
  957. such a new thing (which would be formidable, indeed!), there is
  958. still a second  problem.  We would have to  establish  also  a 
  959. different  system of measurements altogether.    The   present 
  960. system  as  it  is  used  in  science, technology and for legal
  961. purposes, is the successor of the  "metric" system  and  has 
  962. been   internationally  accepted  as  the  Systeme International. 
  963. It is based on the second as a base unit and as the unit of time. 
  964. Other base units are the  meter,  the  kilogram,  etc. In  this 
  965. system   only   strictly   dekadic,  i.e.,  multiples  and
  966. submultiples  of  powers  of  ten,  are permitted and are
  967. designated with the "metric" prefixes.  Examples for these are T,
  968. G, M, k,  for Tera,  Giga,  and  kilo.   A  decimal  day  time 
  969. measure  would  be completely incompatible with the  SI  because 
  970. 86400 is not a simple dekadic  multiple  of the base unit, and
  971. such a system could not, as may  be  believed,  be   adopted  
  972. without   the   most   protracted international  negotiations 
  973. ever  seen.  (The  diplomats  needed  6 months at the  beginning 
  974. of  the  Vietnam  peace conference just to reach agreement on the
  975. shape of the conference table).
  976.  
  977. But  then,  why  not  count  time  in seconds? That would avoid
  978. this problem, or would it? Yes indeed, it would avoid  this 
  979. problem  (at the expense  of  creating  a  new  one)  because 
  980. the  second is the generally  accepted  unit  of  time  and  is 
  981. a base unit of the SI. However, I doubt that the public would be 
  982. more  willing  to  accept this because now, we have  again  lost 
  983. the connection with the day. A  continuing  decimal  second count
  984. would mark the end of the first day as second 86400, the end of
  985. the second day as 172800, the  third as 259200 etc, and very soon
  986. a  time check would have to be given in 7,  then  in  8  digits, 
  987. and then in 9, etc. Each year has about 32 million seconds and
  988. these numbers rapidly become unmanageable.   The above given date
  989. would correspond with
  990.  
  991.                 906.461.953  (906 Million seconds!)
  992.  
  993. on the seconds count from the  epoch of atomic time (1 January
  994. 1958, 0h  UT)  including the 23 leap seconds which were
  995. introduced between that epoch and 1986. This is certainly not a
  996. meaningful time check.
  997.  
  998. We must conclude that the problem is not simple  and  the  field 
  999. is wide open for the world improvers to solve! 
  1000.  
  1001. At the USNO all of these time  measures are somehow in use, each
  1002. for the  purpose best suited. We can do that because there is no
  1003. problem for computers.  They have no prejudices and  can  convert 
  1004. from  one style to any other without the  slightest difficulty.
  1005. It is only the people  who make the fuss and have problems in
  1006. adjusting to anything new, or  getting  used  to  different 
  1007. measures.   After  all,  this country is still resisting the full 
  1008. acceptance of the SI, on purely traditional grounds.
  1009.  
  1010. Of  all  these  styles  the most useful for many purposes is
  1011. without question the Modified Julian Day with fractions of  a 
  1012. day.  It  has been adopted by several  international scientific -
  1013. technical bodies.   Its  intended  used,  however,  must  remain
  1014. restricted to special purposes.
  1015.  
  1016. The date given  above  is  in  this  style  46695.457532  MJD 
  1017. which corresponds with 1986 SEP 22 (Mo)  10:58  UT.  It is day of
  1018. the year 265  and  a  time of 264.457532 days has elapsed since
  1019. the beginning of the calendar year.  The difference of  one  day 
  1020. is  due  to  the difference between  ordinal  numbers  (our  days 
  1021. of  the month) and cardinal  numbers  (with  which we count
  1022. elapsed time).  Midnight of the first day of January is the 
  1023. beginning  of  the  year  (The  day starts with midnight!  It is, 
  1024. however, advisable to avoid ambiguity if  you specify midnight)
  1025. but at this moment zero days have elapsed since the beginning  of 
  1026. the  year.   The  command @DAT gives also the parameter  T  which 
  1027. counts time from January 0, 0UT (This epoch is used in some
  1028. formulae) and this is now
  1029.  
  1030.     T = 265.457532 days
  1031.  
  1032. Caution  is  indeed required if one uses any of these non
  1033. "standard" ways to give date and time!
  1034.  
  1035. History:
  1036.  
  1037. It is most likely that our system of dividing the  day  into 
  1038. hours, minutes, and seconds is  of  Babylonian  origin. The
  1039. numbers 12, 30, 60,  and  360  must  have  attracted  attention
  1040. as number bases very early. The month is about 30 days and the
  1041. year has about  360  days, i.e., 12 months. In addition,  these  
  1042. numbers excel in that they are divisible  by  more factors than
  1043. the number 10 which contains only 2 and 5. In fact, one can say   
  1044. with justification that  the  choice  of ten as base of our 
  1045. number  system  has not been the optimum choice. It  was  based 
  1046. on the purely accidental fact of our ten fingers and ten toes,
  1047. very important for the counting  by  mathematically  naive
  1048. people.  Eight would be much  better  and is indeed used
  1049. extensively in  computer  work.   But,  of  course, for the well
  1050. schooled person almost any choice would do particularly  today 
  1051. when  conversion  by computers   is    completely    automatic.   
  1052. The   importance   of standardization   in  many,  but  not  all, 
  1053. areas  recedes  as  the population becomes  more  sophisticated.  
  1054. This  is  true  even  for languages.  Just see the  proliferation 
  1055. of computer languages which bother  the  beginners  much  more 
  1056. than  the experts.  In fact, one could make the case that using 
  1057. different  systems  keeps  the  mind fresh!
  1058.  
  1059. The Babylonians were careful and  early observers of the heavens
  1060. and they  divided  the  circle  into 360 degrees, corresponding
  1061. with the daily steps the sun makes on the sky. At  that  time 
  1062. Astronomy  and Astrology were practically the  same  thing. 
  1063. These 360 steps of the sun  were  divided  into 12 main areas,
  1064. the zodiacal signs which are also related to the moon. Both,  Sun 
  1065. and  Moon  take  on  different characters depending on in which
  1066. of  these signs they are.  This led also  to  the  concept  of 
  1067. celestial  houses  (again  12), etc. The division  into  12 
  1068. units  became,  therefore,  an   important   and indispensable
  1069. step, which led to  the  division of the day and night into  12
  1070. hours each.  The subdivisions into minutes and seconds came much
  1071. later, seconds have appeared only in the later medieval.
  1072.  
  1073. Apparently Man is prolific in giving  names  to  inventions  of 
  1074. his mind. Most recently  another  unit  of  time  has  become
  1075. popular in computer  circles,  particularly  those concerned with
  1076. digital video work. It is the Jiffy which now re-appears as the
  1077. name for  1/60  of a second, the time  for  one  picture  scan.  
  1078. In one thousand years nobody will probably know where this unit
  1079. came from!
  1080.  
  1081. G. Winkler.
  1082.  
  1083. *************************************************************
  1084.  
  1085.                 THE MERCURY ION FREQUENCY STANDARD.
  1086.                 ----------------------------------
  1087.  
  1088. The Mercury  Ion  Frequency  Standard  is  a  novel  kind  of
  1089. atomic frequency  standard.   By  using ions which are
  1090. electrically charged it is possible to confine them in a small
  1091. region  of  space  by  the use of an electromagnetic  field 
  1092. trap.  This allows the observation of  the particles for a long
  1093. time (many seconds) without having them collide with the walls
  1094. which would disturb the atomic resonance  one wishes to use as a
  1095. frequency reference.
  1096.  
  1097. The  mercury  isotope  Hg  199  has  an  extremely  narrow
  1098. microwave resonance  line at 40,507 MHz.  A narrow line at a high
  1099. frequency is desirable  because  this  defines   a   reference  
  1100. frequency   very precisely.  To give a comparison  with  the
  1101. widely used Cesium clock we list a few numbers in the table
  1102. below:
  1103.  
  1104.                             Cesium 133           Hg 199(+)
  1105. -----------------------------------------------------------
  1106. Atomic weight                 133                   199
  1107. Resonance frequency         9,192 MHz            40,507 MHz
  1108. Line width                    500 Hz                800 mHz
  1109. Quality factor (f/Df)       1.8E7                  5E10
  1110. Improvement over Cs                               2,700
  1111.  
  1112. Principle of Operation:
  1113.  
  1114. By  firing  electrons  into the Hg vapor, ions are generated and
  1115. are kept in the RF trap.  About 2 million  ions  form  a  cloud.  
  1116. Their motion is gently slowed down by  the presence of low
  1117. pressure Helium (1E-6  Torr).  At that pressure the Helium
  1118. pressure shift, i.e., the frequency  change  of  the  Hg 
  1119. resonance  is  slight  and  can   be accurately calibrated.  The 
  1120. actual  resonance,  or clock transition is observed in the
  1121. following way:
  1122.  
  1123. In  addition to Hg 199 which has a hyperfine structure there is
  1124. also another isotope of Hg, which does not  have  a  hyperfine 
  1125. structure (Hg 202).  A very strong U.V. line  at 194 nm is
  1126. generated with this isotope  in a mercury discharge. This light
  1127. is absorbed by the upper state of the clock transition in Hg
  1128. 199(+) to bring the ions into  a higher (optical) state from 
  1129. which  they  then relax into both lower states.  Through  the 
  1130. pumping  action,  however,  the upper (clock) state will be
  1131. quickly de-populated and all ions end up in the  lower (clock)
  1132. state which does  not  absorb  the  pumping light. From this
  1133. moment  on  the  vapor is transparent and no relaxation
  1134. fluorescence can be observed.  If, however, one exposes these
  1135. ions to  the  clock resonance frequency, then they  will  be 
  1136. moved into the upper clock state  and  can again absorb light. 
  1137. The fact that they absorb light is observed through the
  1138. fluorescence when they fall into  the  lower optical  levels.  
  1139. The  fluorescence,  therefore,  is  the  means to detect   the  
  1140. clock   transition.   The  frequency  measurement  is performed
  1141. in a steadily repeating sequence of pumping (discharge  is on), 
  1142. exposure   with   the   microwave   resonance  frequency,  and
  1143. observation  of  the  fluorescence  at  the next pumping cycle.
  1144. Each cycle lasts 2.5 seconds.  By averaging such measurement
  1145. cycles  over a few hours, a resolution of a  few  parts in ten to
  1146. the fifteen can be   achieved.   A  prototype  instrument  of 
  1147. this  kind  has  been constructed by the Hewlett-Packard
  1148. Laboratories in Palo Alto,  Cal. and has been delivered to the 
  1149. USNO  in  July 1986. It is now a part of the USNO master clock
  1150. system. A second unit has been delivered by the  HP. Laboratories
  1151. in  May 1987  and is now being evaluated.  Its design has been
  1152. slightly modified to utilize the experience obtained with the
  1153. first unit.  Up until now,  we cannot see any secular drift
  1154. between the two units above about  3E-17 per day.  This is the
  1155. limit of resolution with the data at hand.   Eventually this will
  1156. be lower as more data will be accumulated.
  1157.  
  1158. For  more  details  see  the paper by Cutler et al. in the 13th
  1159. PTTI Proceedings (1981, p. 563)  and a more recent report by
  1160. Cutler et.al. given at the last Frequency Control Symposium. 
  1161. (Available upon request)
  1162.  
  1163. G. Winkler
  1164.  
  1165. ************************************************************
  1166.  
  1167.  
  1168. EXPLANATIONS CONCERNING CLOCK READINGS AND CLOCK DIFFERENCES.
  1169. -------------------------------------------------------------
  1170.  
  1171. A  clock  is  principally an interpolation device. Its readings
  1172. must therefore be corrected to an established time scale  by 
  1173. adding  the clock correction to the reading.  A more general
  1174. method of referring clock  readings  to  time  scales  or  other 
  1175. clocks consists in the algebraic method of giving clock
  1176. differences.
  1177.  
  1178. The  difference  between  two  clocks  A  and  B  is  given  by 
  1179. the difference of their readings for the same event.  In 
  1180. practice  this is done by  measuring  the  time  interval between
  1181. two corresponding markers  of the two clocks with clock A
  1182. connected to the start input and clock B connected to the stop
  1183. input of a time  interval  counter (meter). Let A  and  B  be 
  1184. the  corresponding  readings  of the two clocks (for the same
  1185. event). Then their difference will be A - B. If UTC is the true
  1186. time  of  the  corresponding  event then  the  clock correction
  1187. for clock A will be UTC - A.
  1188.  
  1189. The clock error is A -  UTC.  The  error is therefore the amount
  1190. one has  to  subtract  from a clock reading whereas the
  1191. correction is to be added to refer the reading to the reference
  1192. time scale.
  1193.  
  1194. The rate of a clock is the change of its clock correction  per 
  1195. unit of time.  In practice this is often  given in ns/day (in the 
  1196. case of precision clocks).
  1197.  
  1198. The  frequency  of  the  clock's  frequency  generator, on the
  1199. other hand, is related to the error because if the clock  error 
  1200. increases then its frequency is  high  in  respect to the
  1201. reference. Frequency is  usually  given  as  relative  or  
  1202. fractional frequency, i.e., in parts in a billion,  or whatever.  
  1203. Fractional frequency,  therefore, has the opposite sign from the
  1204. clock rate.  A plus rate  corresponds with a slow rate or a low
  1205. frequency.
  1206.  
  1207. The bulletins of the  USNO, particularly SER 4,  in general give
  1208. the phase value (or the time readings) in the sense MC - Signal.
  1209. This is a convenience which allows the  readings to be
  1210. interpreted as signal delays.  On chart recordings of the 
  1211. arriving  signal the increasing readings correspond with the 
  1212. phase values as given in the bulletin. With this  "convention"
  1213. the  readings increase if the receiver delay is larger.
  1214. Example:
  1215.  
  1216. Phase value = time of arrival = MC - Antenna
  1217.             = MC - Transmitter + prop.delay + receiver delay
  1218.  
  1219.  
  1220.            Clock Performance and Performance Measures.
  1221.            ------------------------------------------
  1222.  
  1223. The quality of a clock is not dependent upon its error or its 
  1224. rate. It is the rate  variations  from  interval  to interval
  1225. (usually the standard  interval  is  a day) which determine the
  1226. quality.  If these variations are irregular then  the  clock's 
  1227. behavior  can  only  be described statistically.  If  the  rate
  1228. changes systematically, i.e., if  it  increases  by  nearly the
  1229. same amount every day then we talk about a drift of this clock. 
  1230. Quartz crystal clocks  and  (much  less so) Rubidium  vapor 
  1231. cells  typically  have  such  a  drift.  Cesium clocks,  unless 
  1232. there  is  something  wrong with them, or they have been
  1233. misadjusted, show no drift.
  1234.  
  1235. Regarding the performance of  pocket or  wrist crystal watches, 
  1236. the most important disturbance comes from the  temperature
  1237. variations to which the watch is exposed.  As a rule of thumb,
  1238. crystals have a temperature coefficient of about 1 part per
  1239. million.  That amounts to a rate change of 0.1s per day per degree
  1240. temperature change.
  1241.  
  1242. All measurements of clock performance, or clock stability, start
  1243. with a set of regularly executed measurements of the clock
  1244. correction.  With these measurements a table is constructed with
  1245. the time of measurement (or the day number in the series), the
  1246. measurement, and first and second differences. The table looks
  1247. like this:
  1248.  
  1249.  n  Clock Error   First Diff.    Second Doff.    Sec.Dif.Square
  1250.            ms          ms/d           ms/d/d
  1251. ---------------------------------------------------------------
  1252.   0       325           0
  1253.   1       350          25
  1254.   2       377          27              2               4
  1255.   3       401          24             -3               9
  1256.   4       430          29              5              25
  1257.   5       461          31              2               4
  1258.   6       494          33              2               4
  1259.   7       529          35              2               4
  1260.   8       566          37              2               4
  1261.   9       601          35             -2               4
  1262.  10       636          35              0               0
  1263.  11       673          37              2               4
  1264.  12       710          37              0               0
  1265.  13       749          39              2               4
  1266.  14       790          41              2               4
  1267.  15       835          45              4              16
  1268.  
  1269. etc.
  1270.  
  1271. The squares column will be needed in a moment. We have assumed
  1272. that we observe a quartz crystal clock which is temperature
  1273. controlled. The units are milliseconds and the rates are given in
  1274. ms/day.  In the case of atomic clocks, the unit would probably be
  1275. in nanoseconds because of the much greater stability of these
  1276. clocks.
  1277.  
  1278. Our example clock would be a very good crystal clock because the
  1279. rate variations as shown in the 4th column are small. 
  1280. Nevertheless, the rate shows a systematic increase of 20ms in 14
  1281. days, i.e., the clock has a noticeable drift. This drift is also
  1282. visible as the average second difference (sum = 20, divide by 14
  1283. ---> average drift = 20/14 = 1.43ms/d/d).
  1284.  
  1285. The widely adopted and by far the most simple measure of clock
  1286. stability is the co called Allan Variance, internationally known
  1287. as two sample sigma. It is computed as follows:  Form the squares
  1288. of the second differences, add them, divide by 2 times the number
  1289. of terms and form the square root. This gives
  1290.  
  1291.      86/28 = 3.07;  the square root finally gives  1.75ms/day
  1292.  
  1293. as the measure of stability.  Such stability measures are also
  1294. often expressed in relative terms, i.e., as parts per million,
  1295. etc. One finds the translation between these two styles by 
  1296. remembering that one day has 86400 s. Therefore 1ms rate change
  1297. per day corresponds with
  1298.  
  1299.      (1.0E-3)/8.64E4    =  1.157 parts in 10 to the eight
  1300.  
  1301. Our test clock, therefore, exhibits a frequency instability of
  1302. 2.02 parts in 10 to the eight from day to day (1.157x1.75).
  1303.  
  1304.  
  1305. Remember: A clock error is given in units of time (s, ms, ns),
  1306. whereas a rate difference is given as a relative number or as
  1307. ms/day, ns/day, etc.
  1308.  
  1309.  
  1310. More information is available in literature upon request.
  1311.  
  1312. *****************************************************************
  1313.  
  1314.                HOW DO WE FIND THE VERY BEST CLOCK?
  1315.  
  1316. The question is frequently  asked  how  one  can decide which of
  1317. the best  clocks  available  to  us  is really the very best.
  1318. Because we assume that we have selected the  best  clocks 
  1319. available,  there is nothing  better  to  compare  our  clocks 
  1320. with.  We  seem  to  have uncovered a principal difficulty.  
  1321. However,  there  is an answer to this  perplexing  question.  We 
  1322. only  have  to  consider  our basic principles:
  1323.  
  1324. Time is not only the most basic but also the most  abstract 
  1325. measure which  we  use  to   bring   order   into  nature. 
  1326. Because  of  its abstractness,  and because we all think we know
  1327. what it is we become easily confused. Therefore one has to 
  1328. develop  clear  and  distinct ideas.
  1329.  
  1330. Time is a  measure  which  we  bring  into  nature  according to
  1331. our definitions.   We  postulate  that the same interval of time
  1332. elapsed if we can demonstrate that the same process  has  taken 
  1333. place.  Now how do you establish identical processes  and how do
  1334. you decide your specific  question of which of the best clocks is
  1335. the very best? The answer  is  given  in  the  literature 
  1336. concerning   time   keeping, especially in the documentation  of
  1337. our time computation algorithms. This  literature is available on
  1338. request.  The essence is this.  The best clock is the one which
  1339. shows  the  smallest  residuals  in  its errors in reference to a
  1340. time  scale  which is computed on the basis of  a  clock  set. 
  1341. And the second best clock is the one which shows the second
  1342. smallest residuals in respect to the computed time  scale which 
  1343. is  statistically  better  than  any  contributing  clock. In
  1344. practice,  however,  you  use  only  clocks  for  the set which
  1345. have otherwise been shown to be acceptable.  We do not use 
  1346. Mickey  Mouse watches because they would  not  be  cost
  1347. effective.  One would have to  use  zillions  of them and it
  1348. would not be practical!  Everybody knows that Mickey Mouse
  1349. watches agree very poorly  among  themselves whereas atomic
  1350. clocks  agree  within  nanoseconds  (ns)  from day to day.   Of 
  1351. all  the  Mickey Mouse watches at most one of them can be right
  1352. and most likely  none  is.  The  situation  and  reasoning  is
  1353. identical with the reasoning which  we  apply when we judge
  1354. anything else.  If  we  find substantial disagreement then
  1355. probably nobody is right or at most one can be correct.  Which
  1356. one it is  we  can  only find out gradually as  more  information
  1357. becomes available.  This is the  scientific  way  which is not
  1358. different from common sense, only more systematic. We do not
  1359. arbitrarily assign credence to one  clock on the basis of
  1360. intuition.
  1361.  
  1362. Basically the answer is, therefore,  that  clocks can only be
  1363. judged by  the  degree  of  conformity  with  other  clocks.  The
  1364. best time measure is that which agrees with the consensus of a 
  1365. set  of  other processes.  As  you  probably  will  agree, 
  1366. nothing  else  could be expected to be useful in science.
  1367.  
  1368. This  is the basis of our time keeping: We have a group of
  1369. nominally 24 standard clocks and we compute from hourly measures
  1370. a  best  time scale which is then used to  produce a table of
  1371. corrections for each of  the  clocks. As you see, time keeping is
  1372. intrinsically dependent on statistics and probability.  If 10
  1373. clocks agree  to  within,  let us say 10 ns, and one  differs  by
  1374. 100 ns, then it is overwhelmingly unlikely  that this one clock
  1375. has been right and the other 10 wrong.  It is the same procedure
  1376. as it is  used  in  a  court  of  law.  One interrogates and
  1377. cross  examines  the  witnesses  who each will tell you  a 
  1378. slightly  different  story.  One  or  two  may  tell  you  a
  1379. completely   different   story.  The  proceedings  are  designed 
  1380. to establish a core of facts which correspond  with  the 
  1381. consensus  of the witnesses and  that  is  accepted  as  "truth". 
  1382. Of course, what really  happened  may still be different but we
  1383. have no other way to arrive at an acceptable definition of 
  1384. truth.   And  this  consensus can be evaluated in terms of
  1385. probability theory.
  1386.  
  1387. In science the procedure is exactly  the same. We try to
  1388. establish a consistent   measure  and  consistent  theories  so 
  1389. that  they  are applicable in the largest possible domain.  With 
  1390. clocks  the  ideal reference cannot be  realized  but  only  be
  1391. approximated by finding the  consensus  of  a  large number of
  1392. different standard processes. That is the reason why scientists
  1393. are  so  interested  in  comparing clocks based on different
  1394. principles. Up  to now all such tests have revealed  no 
  1395. surprises.  It turns out that a time scale constructed on the
  1396. basis of undisturbed standard processes in the  form  of  our
  1397. atomic clocks is  superbly  applicable  in  the description of
  1398. other natural  processes  such  as  in  astronomy  (pulsars), or
  1399. in modern technology, where one has to do the same thing
  1400. independently at  the same time but at different places.  On the
  1401. basis of these principles it  has  also been discovered in 1934
  1402. that our earth does not rotate uniformly but shows small seasonal
  1403. variations in the length  of  the day.
  1404.  
  1405. But for more  details  I  again  refer  you  to the papers
  1406. mentioned above.
  1407.  
  1408. Gernot M. R. Winkler.
  1409.  
  1410. *************************************************************
  1411.  
  1412. STANDARD TIME:    In the U.S. the standard time is governed by
  1413. the Uniform Time Act  of 1966 with amendments of 1972. This law
  1414. specifies the times of change-over to advanced time and back to
  1415. standard time.  The  amendment of 1972 gives permission to a
  1416. state to exempt the most easternmost portion of that  state  from 
  1417. the  time change.  For example, the easternmost part of Indiana
  1418. is not on Daylight Saving Time.  Areas or states presently not 
  1419. on advanced  time  are  Arizona,  Hawaii,  Puerto  Rico,  the
  1420. Virgin Islands, American Samoa and, the previously mentioned
  1421. eastern part of Indiana.
  1422.  
  1423. The  Uniform Time Act is administered by the Department of
  1424. Transportation.
  1425.  
  1426. In 1986 another amendment has been passed by congress  which 
  1427. changes  the dates of change-over.
  1428. The new rule is:
  1429.      Spring change to advanced time on first Sunday in April
  1430.      (0200 local time).
  1431.      Fall return  to standard time on last Sunday in October
  1432.      (0200 local time).
  1433.  
  1434.  
  1435. THE DOT POINTS OF CONTACT ARE:  GENERAL INFORMATION . . . .
  1436. 202-366-4723
  1437. FOR DETAILED LEGAL QUESTIONS :  JOANNE PETRI  . . . . . . .
  1438. 202-366-9306
  1439.  
  1440. ***************************************************************
  1441.  
  1442.  
  1443.    26 July 1985
  1444.  
  1445.               THE U.S. NAVAL OBSERVATORY MASTER CLOCK.
  1446.  
  1447. The   U.S.   Naval   Observatory   (USNO)   is  charged  with 
  1448. the    responsibility for precise time determination  and 
  1449. management  of    time dissemination.  Modern electronic systems,
  1450. such as electronic    navigation  or  communications  systems, 
  1451. depend  increasingly  on    precise time and time interval
  1452. (PTTI).    Examples  would  be  the    navigation systems LORAN
  1453. and Transit. The reason for these is that    they  are all based
  1454. on travel time of the electromagnetic signals:    an accuracy of
  1455. 10 nanoseconds (10  one  billionths  of  a  second)   
  1456. corresponds   to   a   position  accuracy  of  10  feet.  In 
  1457. fast    communications, time synchronization is equally
  1458. important.  All of    these official systems are referenced to
  1459. the USNO master clock.
  1460.  
  1461. Thus,  the  USNO  must  maintain and continually improve its
  1462. clock    system so that it can stay one step ahead of the demands 
  1463. made  on    its  accuracy,  stability,  and  reliability.   The
  1464. present master    clock of the USNO is based on a system of
  1465. independently operating    cesium beam and hydrogen maser clocks,
  1466. distributed over a number    of temperature  controlled  clock 
  1467. vaults.  This  assures a  high    reliability  of  operation  but
  1468. also makes the small disturbances,    which are unavoidable  even 
  1469. in  the  best  clocks,  statistically    independent.  By
  1470. automatic hourly intercomparison of all clocks, a    time  scale 
  1471. can  be  computed which is not only very reliable but    also
  1472. extremely stable.  Its rate does  not  change  by  more  than   
  1473. about 1 nanosecond per day from day to day. 
  1474.  
  1475.    On the basis of this computed time a clock reference system
  1476. can be    steered  to  produce  clock  signals  which serve as
  1477. reference for    portable clocks, the telephone time
  1478. announcement, and an extensive    monitor system which is the
  1479. interface  with  the  above  mentioned    timed  electronic 
  1480. systems.  These  reference  systems  (there are    several, 
  1481. again  in   the   interest   of   absolutely   essential   
  1482. reliability)   are   driven   by  "fly-wheel"  oscillators, 
  1483. i.e.,    extremely stable clocks, which produce  the  short-time 
  1484. stability    and  accessibility of the system. The clocks used
  1485. for this purpose    are Hydrogen Masers, the same type of clock
  1486. which is also used  by    radio astronomers as local standard.
  1487.  
  1488.    Developments  are  under  way  to  possibly  replace some of
  1489. these    devices with even more capable clocks in the  future 
  1490. because  the    USNO,  in  order  to fulfill its mission, must
  1491. continually improve    its methods and instrumentation.  More
  1492. detailed information about    the USNO timing activities is
  1493. provided below.
  1494.  
  1495.  
  1496.                    USNO Activities in the Timing Area
  1497.  
  1498.                             1.  Master Clock
  1499.  
  1500. Three reference systems are used to realize the coordinated clock
  1501. timescale of the Observatory.  All time interval measurements are
  1502. made against these reference systems which are designated MC1,
  1503. MC2 and MC3. Each system is driven by a hydrogen maser directly. 
  1504. The frequency synthesizers of these masers are set once per day,
  1505. if necessary, to keep the reference systems close to the computed
  1506. mean timescale UTC(USNO), which in turn is close to the predicted
  1507. UTC(BIPM).  The unsteered internal reference is designated as
  1508. A.1, while the reference of the actual Master Clock(s) is
  1509. UTC(USNO).  UTC(USNO) is kept within 100 ns of UTC(BIPM).  An
  1510. estimate of the slowly changing difference UTC(BIPM) -
  1511. UTC(USNO,MC) is computed daily and published on the Automatic
  1512. Data Service (ADS).
  1513.  
  1514.                               2.  Timescale
  1515.  
  1516. The USNO timescale is generated as described by L.  A. 
  1517. Breakiron, 1991, Proceedings of the 23rd Annual Time and Time
  1518. Interval (PTTI) Applications and Planning Meeting, pp.  297-305,
  1519. except for revisions in the weighting and steering.  The ensemble
  1520. consists of about 9 masers and 30+ cesium clocks.  The clocks are
  1521. included in the actual ensemble or rejected on the basis of both
  1522. long-term and short-term performance. Most of the cesium clocks
  1523. are of the new HP5071 type.  The clocks are distributed in 11
  1524. vaults, all of which are temperature-controlled.  Some are also
  1525. humidity-controlled.  The weights change with time so that the
  1526. masers are completely deweighted 90 days in the past in order to
  1527. prevent any residual drift from affecting the timescale.  The
  1528. reference clocks are steered to the timescale by no more than 400
  1529. ps/day and with a time constant that varies from 10 to 60 days. 
  1530. Reference system #2 is designated as lead reference, or MC2, to
  1531. which all measurements can be corrected if necessary.  However,
  1532. most of the time the differences between these systems are about
  1533. 1ns or less.  Measurements between all clocks are made every
  1534. hour; a second, independent high precision system measures the
  1535. high performance clocks every 100s.  The various clock vaults are
  1536. located in several buildings that are separated by as much as
  1537. 300m.  The connecting cables are either low loss coaxial cables
  1538. or fiber optic links.  All are installed underground.
  1539.  
  1540.                          3.  Time Dissemination
  1541.  
  1542. Various timed systems are being kept within narrow tolerances of
  1543. the USNO Master Clock.  The LORAN chains covering North America
  1544. have been within about 100ns(rms), whereas the overseas chains
  1545. had larger tolerances, the largest in the case of the
  1546. Mediterranean chain (1micros).
  1547.  
  1548. The Transit navigational satellite system has been within 100us
  1549. of UTC(USNO).  Most of the timing users will find it advantageous
  1550. to switch now to the GPS as a worldwide source of precision time.
  1551.  
  1552. The GPS, with the correction given in the navigation message (A0
  1553. and A1), has been within 15ns rms during the period April through
  1554. July 5, 1993.  This refers to observations with the selective
  1555. availability removed.  Including selective availability, observed
  1556. with a single frequency receiver, the rms error has been 69ns,
  1557. with a maximum error of 291ns.  These measurements include all
  1558. available satellites with a 13-minute observation per pass.  By
  1559. obtaining the small residual difference between UTC(USNO,MC) and
  1560. UTC(BIPM) from the Automatic Data Service (ADS) of the USNO, a
  1561. near real time access to UTC is, therefore, possible via the GPS
  1562. at the level of accuracy given above.  By averaging over all
  1563. available satellite passes per day, a fixed station with a cesium
  1564. frequency standard can increase this precision to below 10ns with
  1565. appropriate filtering.  The obtainable accuracy will usually be
  1566. limited by the stability and calibration of the local
  1567. antenna-receiver delays.
  1568.  
  1569. For highest accuracy, the USNO has extended the use of its
  1570. two-way satellite time transfer instrumentation.  Regular time
  1571. transfers have been continued with the NIST in Boulder, Colorado,
  1572. with the NRC in Ottawa, Canada, and with the USNO station in
  1573. Richmond, Florida.  During 1992, experiments have also been
  1574. conducted with the Technical University in Graz, Austria, and
  1575. with OCA in Grasse, France.  An additional high precision time
  1576. reference station has been established on the island of Oahu,
  1577. Hawaii, and initial two-way time transfers have been started with
  1578. that station.  Some problems with the spread-spectrum modems have
  1579. limited the obtained precision of these measurements to about
  1580. 3ns.  The mobile Earth station has been used to make relative
  1581. delay calibration between USNO and several other sites.  It is
  1582. currently being planned to resume the time transfers to Europe,
  1583. but approval from INTELSAT has not yet been received.  The
  1584. instrumentation at the USNO consists currently of two 4.5m VERTEX
  1585. antennas, the mobile Earth station, one VSAT, and a new
  1586. "Fly-Away" small terminal that will be used for the quick
  1587. calibration of remote stations because this terminal can be
  1588. easily transported by air and assembled by one person in a few
  1589. hours.
  1590.  
  1591. Thu Jul 22 14:09:46 utc 1993
  1592.