Laboratorium Czasu i Częstotliwości, we współpracy z Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), zaangażowane jest w tworzeniu międzynarodowej skali czasu atomowego TAI i UTC i polskiej skali czasu atomowego TA(PL). Bierze także udział jako jedyny ośrodek w Polsce we współtworzeniu europejskiego systemu lokalizacyjnego Galileo. Wyposażenie w dwa pierwotne wzorce częstotliwości, cztery zegary atomowe i najnowsze systemy dowiązania skal czasu pozwala na utrzymanie wysokiej dokładności pomiaru czasu, z błędem pomiarów czasu mniejszym niż 100 pikosekund. Jest to jeden z najlepszych wyników wśród laboratoriów czasu na świecie. W laboratorium generowana jest lokalna realizacja UTC, UTC(AOS), która pozwala na dowiązanie do skali UTC z dokładnością lepszą niż 5 ns.
Laboratorium Czasu i Częstotliwości wraz z innymi laboratoriami zrzeszonymi w krajowym TA(PL) tworzy Polską Skalę Czasu oraz współuczestniczy w tworzeniu światowego czasu uniwersalnego UTC. Obserwatorium w Borówcu, to jedyna polska placówka, która współtworzy i będzie brała czynny udział w europejskim systemie GALILEO.
W Laboratorium Czasu i Częstotliwości znajduje się następujący sprzęt pomiarowy:
- dwa pierwotne wzorce częstotliwości oparte na konstrukcji cezowej fontanny atomowej, AOS-CsF1 i AOS-CsF2;
- dwa wzorce cezowe: HP5071A produkcji amerykańskiej;
- maser wodorowy KVARZ CH1-75A produkcji rosyjskiej;
- maser wodorowy SYMMETRICOM ρ(τ) MHM2010 produkcji amerykańskiej;
- system dwu-drogowego transferu czasu (Two Way) SATRE TWSTFT i TWSTFT SDR;
- odbiornik do transferu czasu systemu TTS-2 (8 kanałów, 1 częstotliwość obserwacyjna, tylko satelity GPS);
- odbiornik do transferu czasu systemu TTS-3 (20 kanałów, 2 częstotliwości obserwacyjne, satelity GPS i GLONASS);
- odbiornik do transferu czasu systemu TTS-4 (116 kanałów, 2 częstotliwości obserwacyjne, satelity GPS i GLONASS i GALILEO);
- odbiornik do transferu czasu systemu TTS-5 (216 kanałów, 9 częstotliwości obserwacyjne, satelity GPS, GLONASS, GALILEO i Beidou);
- łącza światłowodowe:
- Borówiec − Poznań − Warszawa
- Borówiec-Poznań-Toruń.
Atomowe wzorce czasu i częstotliwości
„Polski zegar atomowy – fontanna cezowa” (decyzja Nr 6436/IA/SP/2015)
Od 2017 roku pracują dwa układy fontann atomowych AOS-CsF1 i AOS-CsF2. Aparatura do spektroskopii atomowej wykorzystuje chmurę zimnych atomów, służącą do pomiaru przejścia atomowego struktury nadsubtelnej izotopu atomu cezu 133. Stanowi ona jedną z najdokładniejszych fizycznych realizacji jednostki czasu w układzie SI – sekundy.
Kompletny zestaw aparatury składa się z pakietu fizycznego, stanowiącego układ próżniowy z wnękami rezonansowymi i komorą pułapki magnetooptycznej, układem laserów i optyki odpowiedzialnej za generowanie promieniowania laserowego o odpowiedniej długości fali, pozwalające uzyskać chmurę zimnych atomów, komercyjnego źródła częstotliwości mikrofalowej, odpowiadającej wartości (9192631770 Hz) definicji sekundy SI oraz elektroniki sterującej eksperymentem.
Systemy transferu czasu i częstotliwości, odbiorniki TTS
W Laboratorium Czasu i Częstotliwości główne metody transferu i porównań czasu pomiędzy laboratoriami wykorzystują nawigacyjne systemy satelitarne (GPS,Galileo, GLONAS i Beidou) służą do tego konstruowane w Obserwatorium odbiorniki TTS-X posługujące się metodą „CommonView”. Metoda ta polega na jednoczesnych obserwacjach tego samego satelity nawigacyjnego przez dwie stacje. Obie wyznaczają różnicę między czasem swojego zegara, a czasem systemu GNSS. Porównanie czasu laboratoriów dokonywane jest poprzez odjęcie tych różnic. Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na dokładność dystrybucji i porównań czasu za pomocą systemu GNSS (satelity GPS, GLONASS, GALILEO i Beidou) są:
- niepewność nadawanych przez satelitę efemeryd;
- błędy zegara satelity;
- refrakcja jonosferyczna;
- refrakcja troposferyczna;
- błędy związane z opóźnieniami wewnętrznymi odbiorników;
- efekty związane z odbiciami sygnałów GNSS;
- niedokładność współrzędnych anteny odbiornika;
- brak ujednolicenia technicznego i programowego odbiorników.
Drugą podstawową metodą wykorzystującą satelity nawigacyjne jest pomiara fazy sygnałów nośnej nadawanej przez satelity- tw metoda Precise Point Positioning. Uzyskiwane przy jej pomocy wyniki sięgają dokładności 20 ps.
Łącze światłowodowe
Łącze światłowodowe Borówiec (AOS) − Warszawa (GUM) o długości około 420 km, zostało uruchomione w marcu 2012 roku. Na linii znajduje się 8 wzmacniaczy optycznych (EDFA) konstrukcji AGH Kraków z automatyczną kalibracją temperaturową. Łącze służy do nowej metody transferu czasu (porównywania zegarów atomowych) przy użyciu technik światłowodowych. Wykazuje się dokładnością wyższą od technik satelitarnych na poziomie 1-2 ps (10-12 s).
Techniką ELSTAB dostarczane są sygnały UTC(AOS) 10 MHz i 1 PPS do Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) oraz do radioteleskopu UMK w Piwnicach.
Two-way Time and Frequency Transfer System
Technika dwukierunkowego transferu czasu TWSTFT nie wykorzystuje satelitów GNSS, a geostacjonarne satelity telekomunikacyjne. Jednak należy tutaj o niej wspomnieć ze względu na jej rosnące znaczenie w międzynarodowych porównaniach czasu. Już w 1962 r. do transferu czasu użyto pierwszego satelity przeznaczonego do telekomunikacji TELSTAR (porównanie między Royal Greenwich Observatory w Wielkiej Brytanii i U. S. Naval Observatory w Waszyngtonie). Pierwszej synchronizacji zegarów satelitarną metodą dwukierunkową dokonano z niepewnością 1 μs. Obecnie metoda ta zapewnia dokładność 200 ps. W tej metodzie dwa laboratoria jednocześnie wysyłają i odbierają nadawane przez siebie sygnały czasu. Impuls wysłany przez jedną stację zatrzymuje w niej licznik interwałów czasu startowany impulsem lokalnego zegara, Porównanie wskazań liczników daje różnicę czasu między laboratoriami. Jest to tzw. metoda różnicowa, która eliminuje błędy pozycji satelity, błędy pozycji anten nadawczo-odbiorczych, a także efekty fizyczne towarzyszące transmisji (z wyjątkiem efektu Sagnaca).
Aktualnie porównań metodą TWSTF dokonuje ok. 20 stacji na świecie za pośrednictwem satelitów Telstar-11N. Obecna precyzja tej metody jest rzędu 0.2ns. Rozwinięciem tej techniki jest TWSTFT SDR Software Defined Radio, która dzięki zastosowaniu konwersji analogowo-cyfrowej przetwarza sygnały satelitarne i poprzez stosowane algorytmy obliczeniowe redukują szum porównań i efekt systematycznie występującej techniki analogowej.
Grawimetr pływowy
W 2020 roku uruchomiono w Obserwatorium stacjonarny grawimetr pływowy gPhoneXp, przeznaczony do ciągłej rejestracji zmian przyśpieszenia siły ciężkości. Zmiany te spowodowane są takimi zjawiskami, jak np. oddziaływanie grawitacyjne Słońca i Księżyca, deformacje skorupy ziemskiej, zmiany rozkładu masy w otoczeniu urządzenia w tym wód gruntowych, nacisk mas atmosferycznych, itd. Informacja o zmianach pola siły ciężkości jest źródłem wielu cennych informacji również o procesach pod-skorupowych. Należą do nich m.in. zasoby wód gruntowych i ich zmiany, deformacje obciążeniowe skorupy ziemskiej, poeksploatacyjne osiadanie górotworu, czy procesy powodujące efekty kumulacji lub deficytu masy. Dane rejestrowane przez grawimetr są przekazywane na serwery Instytutu Geodezji i Kartografii, i po wstępnym opracowaniu umieszczone w repozytorium danych grawimetrycznych tworzonym w Centrum Infrastruktury Badawczej Obserwacji Grawimetrycznych (CIBOG) w ramach projektu EPOS-PL+. Projekt EPOS-PL+ (European Plate Observing System) jest częścią największego europejskiego programu rozwoju infrastruktury badawczej w naukach o Ziemi.
