Schaltsekunde - Leap second

Screenshot der UTC- Uhr von time .gov während der Schaltsekunde am 31. Dezember 2016. In den USA fand die Schaltsekunde um 18:59:60 Uhr Ortszeit an der Ostküste um 15:59:60 Uhr Ortszeit statt an der Westküste und um 13:59:60 Uhr Ortszeit auf Hawaii .

Eine Schaltsekunde ist eine Ein- Sekunden- Anpassung, die gelegentlich auf die koordinierte Weltzeit (UTC) angewendet wird, um den Unterschied zwischen der genauen Zeit (wie von Atomuhren gemessen ) und der ungenau beobachteten Sonnenzeit (bekannt als UT1 und die aufgrund von Unregelmäßigkeiten variiert) auszugleichen und langfristige Verlangsamung der Erdrotation ). Der UTC-Zeitstandard, der in den meisten Ländern für die internationale Zeitmessung und als Referenz für die bürgerliche Zeit weit verbreitet ist, verwendet eine genaue Atomzeit und würde folglich der beobachteten Sonnenzeit vorauslaufen, es sei denn, sie wird bei Bedarf auf UT1 zurückgesetzt. Die Schaltsekunden-Funktion ist vorhanden, um diese Anpassung bereitzustellen.

Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde als Reaktion auf klimatische und geologische Ereignisse variiert, sind UTC-Schaltsekunden unregelmäßig verteilt und unvorhersehbar. Das Einfügen jeder UTC-Schaltsekunde wird normalerweise etwa sechs Monate im Voraus vom International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) festgelegt, um sicherzustellen, dass die Differenz zwischen den UTC- und UT1-Messwerten niemals 0,9 Sekunden überschreitet.

Diese Praxis hat sich insbesondere im 21. Jahrhundert und insbesondere bei Diensten, die auf eine präzise Zeitstempelung oder zeitkritische Prozesssteuerung angewiesen sind, als störend erwiesen . Das zuständige internationale Normungsgremium hat debattiert, ob die Praxis fortgeführt werden soll oder nicht.

Geschichte

Diagramm, das den Unterschied zwischen UT1 und UTC zeigt. Vertikale Segmente entsprechen Schaltsekunden.

Über 140  CE , Ptolemäus , den alexandrinische Astronomen, sexagesimally sowohl die mittleren Sonnentag unterteilt und die wahren Sonnentag mindestens sechs Stellen nach dem sexagesimal Punkt, und er verwendete , um einfache Fraktionen sowohl der equinoctial Stunde und die saisonalen Stunde, von denen keine ähneln der modernen Sekunde. Muslimischen Wissenschaftler, einschließlich al-Biruni in 1000 unterteilt die mittlere Sonnen Tag in 24 Äquinoktialstunden, von denen jede sexagesimally unterteilt wurde, das in die Einheiten der Minuten ist, zweiten, dritten, vierten und fünften, dem modernen zweite als Schaffung 1 / 60 von 160 von 124 = 186.400 des mittleren Sonnentages im Prozess. Mit dieser Definition wurde die Sekunde 1874 als Basiseinheit der Zeit im CGS-Einheitensystem vorgeschlagen . Bald darauf entdeckten Simon Newcomb und andere, dass die Rotationsperiode der Erde unregelmäßig variierte, und so definierte die Internationale Astronomische Union (IAU) 1952 die zweite als einen Bruchteil des Sternjahres . 1955 betrachtete die IAU das tropische Jahr als fundamentaler als das siderische Jahr und definierte das zweite als den Bruchteil 131.556.925,975 des mittleren tropischen Jahres 1900,0 . 1956 wurde vom Internationalen Komitee für Maß und Gewicht ein etwas genauerer Wert von 131.556.925.9747 für die Definition des zweiten angenommen , und 1960 von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht , die Teil des Internationalen Einheitensystems wurde (SI).

Schließlich stellte sich heraus, dass auch diese Definition für genaue Zeitmessungen nicht ausreichte, und so wurde 1967 die SI-Sekunde erneut als 9.192.631.770 Perioden der Strahlung definiert, die von einem Cäsium- 133-Atom beim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus seines Grundzustands emittiert wird . Dieser Wert stimmte mit der astronomischen (Ephemeriden) Sekunde, die damals verwendet wurde , zu 1 zu 10 10 überein . Es war auch nahe 186.400 des mittleren Sonnentages, gemittelt zwischen den Jahren 1750 und 1892.

In den letzten Jahrhunderten hat die Länge des mittleren Sonnentages jedoch je nach Mittelungszeit um etwa 1,4 bis 1,7 ms pro Jahrhundert zugenommen . 1961 war der mittlere Sonnentag bereits ein oder zwei Millisekunden länger als 86.400 SI-Sekunden. Daher würden Zeitstandards, die das Datum nach genau 86.400 SI-Sekunden ändern, wie die Internationale Atomzeit (TAI), Zeitstandards, die an den mittleren Sonnentag gebunden sind, wie die Weltzeit (UT) , zunehmend vorauseilen.

Als 1960 der auf Atomuhren basierende Coordinated Universal Time (UTC)-Standard eingeführt wurde, hielt man es für notwendig, eine Vereinbarung mit UT aufrechtzuerhalten, die bis dahin die Referenz für Sendezeitdienste war. Von 1960 bis 1971 wurde die Geschwindigkeit der UTC-Atomuhren vom BIH verlangsamt , um mit UT2 synchronisiert zu bleiben , eine Praxis, die als "Gummi-Sekunde" bekannt ist. Die UTC-Rate wurde zu Beginn jedes Jahres festgelegt und war um -150 Teile pro 10 10 für 1960-1962, um -130 Teile pro 10 10 für 1962-63 um -150 Teile langsamer als die Atomzeit wieder pro 10 10 für 1964-65 und um -300 Teile pro 10 10 für 1966-1971. Neben der Geschwindigkeitsverschiebung war gelegentlich ein 0,1-s-Schritt (0,05 s vor 1963) erforderlich. Diese überwiegend frequenzverschobene UTC-Rate wurde unter anderem von MSF , WWV und CHU ausgestrahlt. 1966 genehmigte die CCIR die "stepped atomic time" (SAT), die die Atomzeit mit häufigeren 0,2-s-Anpassungen anpasste, um sie innerhalb von 0,1 s von UT2 zu halten, da sie keine Ratenanpassungen hatte. SAT wurde unter anderem vom WWVB ausgestrahlt.

1972 wurde das Schaltsekundensystem eingeführt, damit die UTC-Sekunden genau gleich der Standard-SI-Sekunde eingestellt werden konnten, während die UTC-Tageszeit und die Änderungen des UTC-Datums mit denen von UT1 synchronisiert wurden. Zu diesem Zeitpunkt lag die UTC-Uhr bereits 10 Sekunden hinter der TAI, die 1958 mit UT1 synchronisiert wurde, aber seitdem echte SI-Sekunden zählte. Nach 1972 ticken beide Uhren in SI-Sekunden, so dass der Unterschied zwischen ihren Anzeigen zu jedem Zeitpunkt 10 Sekunden plus die Gesamtzahl der Schaltsekunden beträgt, die zu diesem Zeitpunkt auf UTC angewendet wurden; ab Juni 2020 wurden 27 Schaltsekunden auf UTC angewendet, sodass die Differenz 10 + 27 = 37 Sekunden beträgt.

Einfügen von Schaltsekunden

Bisher angekündigte Schaltsekunden
Jahr 30. Juni 31. Dezember
1972 +1 +1
1973 0 +1
1974 0 +1
1975 0 +1
1976 0 +1
1977 0 +1
1978 0 +1
1979 0 +1
1980 0 0
1981 +1 0
1982 +1 0
1983 +1 0
1984 0 0
1985 +1 0
1986 0 0
1987 0 +1
1988 0 0
1989 0 +1
1990 0 +1
1991 0 0
1992 +1 0
1993 +1 0
1994 +1 0
1995 0 +1
1996 0 0
1997 +1 0
1998 0 +1
1999 0 0
2000 0 0
2001 0 0
2002 0 0
2003 0 0
2004 0 0
2005 0 +1
2006 0 0
2007 0 0
2008 0 +1
2009 0 0
2010 0 0
2011 0 0
2012 +1 0
2013 0 0
2014 0 0
2015 +1 0
2016 0 +1
2017 0 0
2018 0 0
2019 0 0
2020 0 0
2021 0 0
Jahr 30. Juni 31. Dezember
Gesamt 11 16
27
Aktueller TAI − UTC
37

Die Planung von Schaltsekunden wurde ursprünglich an das Bureau International de l'Heure (BIH) delegiert , aber am 1. Januar 1988 an den International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) übergeben Differenz zwischen UTC und UT1 nähert sich 0,6 s, um zu verhindern, dass die Differenz zwischen UTC und UT1 0,9 s überschreitet .

Der UTC-Standard erlaubt die Anwendung von Schaltsekunden am Ende eines jeden UTC-Monats, mit erster Präferenz für Juni und Dezember und zweiter Präferenz für März und September. Ab Januar 2017 wurden alle entweder am 30. Juni oder 31. Dezember eingefügt. IERS veröffentlicht alle sechs Monate in seinem "Bulletin C" Ankündigungen, ob Schaltsekunden auftreten sollen oder nicht . Solche Ankündigungen werden in der Regel lange vor jedem möglichen Schaltsekundentermin veröffentlicht – normalerweise Anfang Januar für den 30. Juni und Anfang Juli für den 31. Dezember. Einige Zeitsignalübertragungen geben Sprachansagen einer bevorstehenden Schaltsekunde an.

Zwischen 1972 und 2020 wurde im Durchschnitt etwa alle 21 Monate eine Schaltsekunde eingefügt. Der Abstand ist jedoch recht unregelmäßig und nimmt anscheinend zu: Im sechsjährigen Intervall zwischen dem 1. Januar 1999 und dem 31. Dezember 2004 gab es keine Schaltsekunden , aber in den acht Jahren 1972-1979 waren es neun Schaltsekunden.

Im Gegensatz zu Schalttagen , die nach dem 28. Februar 23:59:59 Ortszeit beginnen, treten UTC-Schaltsekunden weltweit gleichzeitig auf; die Schaltsekunde am 31. Dezember 2005 23:59:60 UTC war beispielsweise der 31. Dezember 2005 18:59:60 (18:59:60 pm) in US Eastern Standard Time und der 1. Januar 2006 08:59:60 (am) in japanischer Standardzeit .

Verfahren

Wenn es vorgeschrieben ist, wird eine positive Schaltsekunde zwischen der Sekunde 23:59:59 eines gewählten UTC- Kalenderdatums und der Sekunde 00:00:00 des folgenden Datums eingefügt . Die Definition von UTC besagt, dass der letzte Tag im Dezember und Juni bevorzugt wird, wobei der letzte Tag im März oder September als zweiter bevorzugt wird und der letzte Tag eines anderen Monats als dritter bevorzugt wird. Alle Schaltsekunden (Stand 2019) sind entweder für den 30. Juni oder den 31. Dezember geplant. Die zusätzliche Sekunde wird auf UTC-Uhren als 23:59:60 angezeigt. Bei Uhren, die die UTC-Ortszeit anzeigen, kann die Schaltsekunde je nach lokaler Zeitzone am Ende einer anderen Stunde (oder einer halben oder einer Viertelstunde) eingefügt werden. Eine negative Schaltsekunde würde die Sekunde 23:59:59 des letzten Tages eines ausgewählten Monats unterdrücken, sodass auf die Sekunde 23:59:58 dieses Datums unmittelbar die Sekunde 00:00:00 des folgenden Datums folgt. Seit Einführung der Schaltsekunde hat der mittlere Sonnentag die Atomzeit nur sehr kurz hinter sich gelassen und keine negative Schaltsekunde ausgelöst.

Verlangsamung der Erdrotation

Abweichung der Tageslänge vom SI-basierten Tag mit kürzeren Tagen aufgrund schnellerer Planetenrotation.

Schaltsekunden sind unregelmäßig verteilt, weil sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde unregelmäßig ändert. Tatsächlich ist die Erdrotation auf lange Sicht ziemlich unvorhersehbar, was erklärt, warum Schaltsekunden nur sechs Monate im Voraus angekündigt werden.

Ein mathematisches Modell der Variationen in der Länge des Sonnentag wurde von entwickelt FR Stephenson und LV Morrison, basierend auf Aufzeichnungen Finsternisse für die Periode 700  BCE bis 1623  CE , teleskopischen Beobachtungen von Bedeckungen für die Zeit danach 1623 bis 1967 und Atomuhr . Das Modell zeigt einen stetigen Anstieg des mittleren Sonnentages um 1,70 ms (± 0,05 ms) pro Jahrhundert, plus eine periodische Verschiebung von ca. 4 ms Amplitude und Periode von ca. 1.500 Jahren. In den letzten Jahrhunderten betrug die Verlängerungsrate des mittleren Sonnentages etwa 1,4 ms pro Jahrhundert, was die Summe der periodischen Komponente und der Gesamtrate ist.

Der Hauptgrund für die Verlangsamung der Erdrotation ist die Gezeitenreibung , die allein den Tag um 2,3 ms/Jahrhundert verlängern würde. Andere beitragende Faktoren sind die Bewegung der Erdkruste relativ zu ihrem Kern , Änderungen der Mantelkonvektion und alle anderen Ereignisse oder Prozesse, die eine signifikante Umverteilung der Masse verursachen. Diese Prozesse verändern das Trägheitsmoment der Erde und beeinflussen die Rotationsrate aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses . Einige dieser Umverteilungen erhöhen die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, verkürzen den Sonnentag und wirken der Gezeitenreibung entgegen. Zum Beispiel verkürzt die glaziale Erholung den Sonnentag um 0,6 ms/Jahrhundert und das Erdbeben im Indischen Ozean von 2004 soll ihn um 2,68 Mikrosekunden verkürzt haben.

Es ist jedoch ein Fehler, Schaltsekunden als Indikatoren für eine Verlangsamung der Erdrotationsrate zu betrachten; sie sind Indikatoren für die akkumulierte Differenz zwischen der Atomzeit und der durch die Erdrotation gemessenen Zeit. Das Diagramm oben in diesem Abschnitt zeigt, dass die durchschnittliche Tageslänge 1972 ungefähr 86400.003 Sekunden und 2016 ungefähr 86400.001 Sekunden betrug, was auf einen allgemeinen Anstieg der Erdrotationsrate in diesem Zeitraum hinweist. Während dieser Zeit wurden positive Schaltsekunden eingefügt, weil die durchschnittliche Jahreslänge des Tages über 86400 SI-Sekunden blieb und nicht wegen einer Verlangsamung der Erdrotationsrate.

Im Jahr 2021 wurde berichtet, dass sich die Erde im Jahr 2020 schneller drehte und die 28 kürzesten Tage seit 1960 erlebte, von denen jeder weniger als 86399,999 Sekunden dauerte. Dies veranlasste Ingenieure weltweit, eine negative Schaltsekunde und andere mögliche Zeitmessungsmaßnahmen zu diskutieren, von denen einige Schaltsekunden eliminieren könnten.

Zukunft der Schaltsekunden

Die Zeitskalen von TAI und UT1 sind genau definiert, erstere durch Atomuhren (und damit unabhängig von der Erdrotation) und letztere durch astronomische Beobachtungen (die die tatsächliche Planetenrotation und damit die Sonnenzeit am Greenwich-Meridian messen). UTC (auf der die zivile Zeit normalerweise basiert) ist ein Kompromiss, der mit Atomsekunden schreitet, aber regelmäßig um eine Schaltsekunde zurückgesetzt wird, um UT1 zu entsprechen.

Die Unregelmäßigkeit und Unvorhersehbarkeit von UTC-Schaltsekunden ist für mehrere Bereiche problematisch, insbesondere für die Informatik (siehe unten ). Mit steigenden Anforderungen an die Genauigkeit von Automatisierungssystemen und Hochgeschwindigkeitshandel wirft dies eine Reihe von Problemen auf, da eine Schaltsekunde einen bis zu millionenfach größeren Sprung darstellt als die für Industrieuhren erforderliche Genauigkeit. Folglich wird die seit langem bestehende Praxis des Einfügens von Schaltsekunden von der zuständigen internationalen Normungsorganisation überprüft.

Internationale Vorschläge zur Eliminierung von Schaltsekunden

Am 5. Juli 2005 schickte der Leiter des Erdorientierungszentrums des IERS eine Mitteilung an die Abonnenten der IERS-Bulletins C und D, in der er um Kommentare zu einem US-Vorschlag vor dem WP7-A der ITU-R-Studiengruppe 7 zur Eliminierung von Schaltsekunden aus dem UTC-Rundfunkstandard vor 2008 (die ITU-R ist für die Definition von UTC verantwortlich). Es wurde erwartet, dass es im November 2005 behandelt wird, aber die Diskussion wurde zwischenzeitlich verschoben. Nach dem Vorschlag würden Schaltsekunden technisch durch Schaltstunden ersetzt, um die gesetzlichen Anforderungen mehrerer ITU-R-Mitgliedsstaaten zu erfüllen, dass die zivile Zeit astronomisch an die Sonne gebunden ist.

Gegen den Vorschlag wurde eine Reihe von Einwänden erhoben. P. Kenneth Seidelmann, Herausgeber des Erläuternden Supplements zum Astronomical Almanac, beklagte in einem Brief den Mangel an konsistenten öffentlichen Informationen über den Vorschlag und eine angemessene Begründung. Steve Allen von der University of California in Santa Cruz zitierte in einem Artikel von Science News die seiner Meinung nach großen Auswirkungen auf Astronomen . Er hat eine umfangreiche Online-Site, die sich den Themen und der Geschichte der Schaltsekunden widmet, einschließlich einer Reihe von Referenzen zu dem Vorschlag und Argumenten dagegen.

Auf der Generalversammlung der International Union of Radio Scientists (URSI) 2014 präsentierte Demetrios Matsakis, der leitende Wissenschaftler des United States Naval Observatory für Time Services, die Argumente für die Neudefinition und die Widerlegung der dagegen vorgebrachten Argumente. Er betonte die praktische Unfähigkeit von Softwareprogrammierern, die Tatsache zu berücksichtigen, dass Schaltsekunden die Zeit rückwärts laufen lassen, insbesondere wenn die meisten von ihnen nicht einmal wissen, dass es Schaltsekunden gibt. Die Möglichkeit, dass Schaltsekunden eine Gefahr für die Navigation darstellen, wurde ebenso dargestellt wie die beobachteten Auswirkungen auf den Handel.

Die Vereinigten Staaten formulierten ihre Position zu dieser Angelegenheit auf der Grundlage der Empfehlungen der National Telecommunications and Information Administration und der Federal Communications Commission (FCC), die Stellungnahmen aus der Öffentlichkeit einholten. Diese Position spricht sich für die Neudefinition aus.

Im Jahr 2011 sagte Chunhao Han vom Beijing Global Information Center of Application and Exploration, China habe noch nicht entschieden, wie es im Januar 2012 abstimmen würde, aber einige chinesische Wissenschaftler halten es aufgrund der chinesischen Tradition für wichtig, eine Verbindung zwischen ziviler und astronomischer Zeit aufrechtzuerhalten. Die Abstimmung von 2012 wurde schließlich verschoben. Auf einem von der ITU/BIPM gesponserten Workshop zur Schaltsekunde äußerte Han sich persönlich für die Abschaffung der Schaltsekunde, und eine ähnliche Unterstützung für die Neudefinition wurde erneut von Han zusammen mit anderen chinesischen Wissenschaftlern der Zeitmessung auf der URSI-Generalversammlung zum Ausdruck gebracht im Jahr 2014.

Auf einer Sondersitzung des Asien-Pazifik-Telekommunikationstreffens am 10. Februar 2015 wies Chunhao Han darauf hin, dass China nun die Eliminierung zukünftiger Schaltsekunden unterstützt, ebenso wie alle anderen anwesenden nationalen Vertreter (aus Australien, Japan und der Republik Korea ). Bei diesem Treffen äußerten Bruce Warrington (NMI, Australien) und Tsukasa Iwama (NICT, Japan) besondere Sorge um die Finanzmärkte aufgrund der Schaltsekunde mitten im Arbeitstag in ihrem Teil der Welt. Im Anschluss an das CPM15-2-Treffen im März/April 2015 nennt der Entwurf vier Methoden, die die WRC-15 anwenden könnte, um die Resolution 653 der WRC-12 zu erfüllen.

Gegen den Vorschlag sprechen die unbekannten Kosten einer solch großen Änderung und die Tatsache, dass die Weltzeit nicht mehr der mittleren Sonnenzeit entspricht. Es wird auch beantwortet, dass zwei Zeitskalen, die nicht auf Schaltsekunden folgen, bereits verfügbar sind, die Internationale Atomzeit ( TAI ) und die Global Positioning System (GPS)-Zeit. Computer könnten diese zum Beispiel verwenden und bei Bedarf für die Ausgabe in UTC oder lokale bürgerliche Zeit umrechnen. Preiswerte GPS-Timing-Empfänger sind leicht erhältlich, und die Satellitenübertragungen enthalten die notwendigen Informationen, um die GPS-Zeit in UTC umzuwandeln . Es ist auch einfach, die GPS-Zeit in TAI umzuwandeln, da TAI der GPS-Zeit immer genau 19 Sekunden voraus ist. Beispiele für auf GPS-Zeit basierende Systeme umfassen die digitalen CDMA- Zellularsysteme IS-95 und CDMA2000 . Im Allgemeinen verwenden Computersysteme UTC und synchronisieren ihre Uhren mit dem Network Time Protocol (NTP). Systeme , die durch Schaltsekunden verursachte Unterbrechungen nicht tolerieren können , können ihre Zeit auf TAI basieren und Precision Time Protocol verwenden . Das BIPM hat jedoch darauf hingewiesen, dass diese Verbreitung von Zeitskalen zu Verwirrung führt.

Auf der 47. Sitzung des Civil Global Positioning System Service Interface Committee in Fort Worth , Texas im September 2007 wurde bekannt gegeben, dass eine Abstimmung per E-Mail über das Stoppen von Schaltsekunden erfolgen würde. Der Abstimmungsplan lautete:

  • April 2008: Die ITU- Arbeitsgruppe 7A wird der ITU-Studiengruppe 7 eine Projektempfehlung zum Stoppen von Schaltsekunden vorlegen
  • Im Laufe des Jahres 2008 wird die Studiengruppe 7 eine Abstimmung per Post unter den Mitgliedstaaten durchführen
  • Oktober 2011: Die ITU-R veröffentlichte ihr Statuspapier Status of Coordinated Universal Time (UTC)-Studie in ITU-R in Vorbereitung auf das Treffen im Januar 2012 in Genf; Das Papier berichtete, dass auf die webbasierten Umfragen der UN-Agentur von 2010 und 2011, in denen Beiträge zu diesem Thema erbeten wurden, bis heute 16 Antworten von den 192 Mitgliedstaaten erhalten wurden, wobei „13 für den Wandel, 3 für das Gegenteil“ waren.
  • Januar 2012: Die ITU trifft eine Entscheidung.

Im Januar 2012 beschloss die ITU, eine Entscheidung über die Schaltsekunden gemäß diesem Plan nicht mit Ja oder Nein zu beschließen, auf die Weltfunkkonferenz im November 2015 zu verschieben. Auf dieser Konferenz wurde erneut beschlossen, die Verwendung von Schaltsekunden bis auf weitere Studien fortzusetzen und Berücksichtigung bei der nächsten Konferenz im Jahr 2023.

Im Oktober 2014 legte Włodzimierz Lewandowski, Vorsitzender des Timing-Unterausschusses des Civil GPS Interface Service Committee und Mitglied des ESA Navigation Program Board, der ITU eine vom CGSIC unterstützte Resolution vor, die die Neudefinition unterstützte und Schaltsekunden als „hazard“ bezeichnete zur Navigation".

Einige der Einwände gegen die vorgeschlagene Änderung wurden von den Gegnern beantwortet. Felicitas Arias beispielsweise, die als Direktorin der Abteilung Zeit, Frequenz und Gravimetrie des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) für die Generierung von UTC verantwortlich war, stellte in einer Pressemitteilung fest, dass die Drift von etwa einer Minute alle 60–90 Jahre könnten mit der 16-minütigen jährlichen Abweichung zwischen der wahren Sonnenzeit und der mittleren Sonnenzeit, dem einstündigen Versatz durch die Nutzung der Tageslichtzeit und dem mehreren Stundenversatz in bestimmten geografisch besonders großen Zeitzonen verglichen werden.

Probleme durch Einfügen (oder Entfernen) von Schaltsekunden

Berechnung von Zeitunterschieden und Ablauf von Ereignissen

Um die verstrichene Zeit in Sekunden zwischen zwei gegebenen UTC-Daten zu berechnen, muss eine Schaltsekundentabelle konsultiert werden, die jedes Mal aktualisiert werden muss, wenn eine neue Schaltsekunde angekündigt wird. Da Schaltsekunden nur 6 Monate im Voraus bekannt sind, können Zeitintervalle für UTC-Daten weiter in der Zukunft nicht berechnet werden.

Fehlende Schaltsekundenankündigung

Obwohl BIPM eine Schaltsekunde 6 Monate im Voraus ankündigt, kündigen die meisten Zeitverteilungssysteme ( SNTP , IRIG-B , PTP ) Schaltsekunden höchstens 12 Stunden im Voraus an, manchmal erst in der letzten Minute und manche sogar gar nicht (DNP 03) . Uhren, die nicht regelmäßig synchronisiert werden, können eine Schaltsekunde verpassen, können aber dennoch behaupten, perfekt synchronisiert zu sein.

Implementierungsunterschiede

Nicht alle Uhren implementieren Schaltsekunden auf die gleiche Weise. Schaltsekunden in der Unix-Zeit werden üblicherweise durch Wiederholung von 23:59:59 oder Hinzufügen von 23:59:60 implementiert. Network Time Protocol (SNTP) friert die Zeit während der Schaltsekunde ein, einige Zeitserver erklären "Alarmzustand". Andere Schemata verschmieren die Zeit in der Nähe einer Schaltsekunde.

Textliche Darstellung der Schaltsekunde

Die Textdarstellung von Schaltsekunden wird von BIPM als "23:59:60" definiert. Es gibt Programme, die mit diesem Format nicht vertraut sind und bei solchen Eingaben möglicherweise einen Fehler melden.

Binäre Darstellung der Schaltsekunde

Die meisten Computerbetriebssysteme und die meisten Zeitverteilungssysteme stellen die Zeit mit einem binären Zähler dar, der die Anzahl der seit einer beliebigen Epoche verstrichenen Sekunden anzeigt ; zum Beispiel seit dem 01.01.1970 00:00:00 in POSIX-Maschinen oder seit dem 01.01.1900 00:00:00 in NTP. Dieser Zähler zählt keine positiven Schaltsekunden und hat keine Anzeige, dass eine Schaltsekunde eingefügt wurde, daher haben zwei aufeinander folgende Sekunden denselben Zählerwert. Einige Computerbetriebssysteme, insbesondere Linux, weisen der Schaltsekunde den Zählerwert der vorherigen 23:59:59 Sekunde ( 59-59-0- Sequenz) zu, während andere Computer (und die IRIG-B- Zeitverteilung ) die Schaltsekunde der Zählerwert der nächsten 00:00:00 Sekunde ( 59-0-0 Sequenz). Da es keinen Standard für diese Reihenfolge gibt, kann der Zeitstempel von Werten, die genau zur gleichen Zeit abgetastet werden, um eine Sekunde variieren. Dies kann Fehler in zeitkritischen Systemen erklären, die auf zeitgestempelten Werten beruhen.

Andere gemeldete Softwareprobleme im Zusammenhang mit der Schaltsekunde

Eine Reihe von Organisationen meldeten nach der Schaltsekunde vom 30. Juni 2012 Probleme, die durch fehlerhafte Software verursacht wurden. Zu den Seiten, die Probleme meldeten, gehörten Reddit ( Apache Cassandra ), Mozilla ( Hadoop ), Qantas und verschiedene Seiten mit Linux.

Ältere Versionen von Motorola Oncore VP-, UT-, GT- und M12-GPS-Empfängern hatten einen Softwarefehler, der dazu führte, dass ein einzelner Zeitstempel um einen Tag verschoben wurde, wenn für 256 Wochen keine Schaltsekunde geplant war. Am 28. November 2003 geschah dies. Um Mitternacht meldeten die Empfänger mit dieser Firmware für eine Sekunde den 29. November 2003 und kehrten dann zum 28. November 2003 zurück.

Ältere Trimble GPS-Empfänger hatten einen Softwarefehler, der eine Schaltsekunde einfügte, unmittelbar nachdem die GPS-Konstellation mit der Übertragung der nächsten Schaltsekunden-Einfügezeit begonnen hatte (einige Monate vor der eigentlichen Schaltsekunde), anstatt auf die nächste Schaltsekunde zu warten. Dadurch wurde die Zeit des Empfängers um eine Sekunde unterbrochen.

Ältere Datum Tymeserve 2100-GPS-Empfänger und Symmetricom Tymeserve 2100-Empfänger haben ebenfalls einen ähnlichen Fehler wie die älteren Trimble-GPS-Empfänger, mit einer Abweichung von einer Sekunde. Die Vorankündigung der Schaltsekunde wird beim Empfang der Nachricht angewendet, anstatt auf das richtige Datum zu warten. Es wurde eine Problemumgehung beschrieben und getestet, aber wenn das GPS-System die Ansage erneut sendet oder das Gerät ausgeschaltet wird, tritt das Problem erneut auf.

Am 21. Januar 2015 implementierten mehrere Modelle von GPS-Empfängern die Schaltsekunde, sobald die Ankündigung von GPS ausgestrahlt wurde, anstatt bis zum Einführungsdatum des 30. Juni zu warten.

Das NTP-Protokoll spezifiziert ein Flag, um den Empfänger darüber zu informieren, dass eine Schaltsekunde unmittelbar bevorsteht. Einige NTP-Server haben jedoch ihr Schaltsekunden-Flag nicht korrekt gesetzt. Einige NTP-Server haben bis zu einem Tag nach dem Einfügen einer Schaltsekunde mit der falschen Zeit geantwortet.

Es wurde festgestellt, dass vier verschiedene Marken von vermarkteten Navigationsempfängern, die Daten von GPS oder Galileo zusammen mit den chinesischen BeiDou- Satelliten verwenden, und sogar einige Empfänger, die nur BeiDou-Satelliten verwenden, einen Tag früher Schaltsekunden implementieren. Dies wurde darauf zurückgeführt, dass BeiDou die Wochentage von 0 bis 6 nummeriert, während GPS und Galileo sie von 1 bis 7 nummerieren.

Die Wirkung von Schaltsekunden auf den kommerziellen Sektor wurde als "Alptraum" beschrieben. Da die Finanzmärkte sowohl technischen als auch rechtlichen Schaltsekundenproblemen ausgesetzt sind, stellte die Intercontinental Exchange , die Muttergesellschaft von 7 Clearinghäusern und 11 Börsen einschließlich der New York Stock Exchange , zum Zeitpunkt des Sprungs vom 30. Juni 2015 für 61 Minuten den Betrieb ein Sekunde.

Trotz der Werbung für die Schaltsekunde von 2015 trat eine kleine Anzahl von Netzwerkausfällen aufgrund von Softwarefehlern im Zusammenhang mit der Schaltsekunde einiger Router auf. Auch bei Twitter , Instagram , Pinterest , Netflix , Amazon und Apples Musik-Streaming-Serie Beats 1 kam es zu Unterbrechungen von rund 40 Minuten Dauer .

Mehrere ältere Versionen des Betriebssystems NX-OS der Cisco Systems NEXUS 5000-Serie (Versionen 5.0, 5.1, 5.2) sind von Schaltsekundenfehlern betroffen.

Die Softwarefehler der Schaltsekunde haben das Reservierungssystem der Fluggesellschaft Altea beeinflusst, das von Qantas und Virgin Australia verwendet wird .

Cloudflare war von einem Schaltsekunden-Softwarefehler betroffen. Seine DNS Resolver Implementierung fälschlicherweise eine negative Zahl , wenn Subtraktion zweier Zeitstempel berechnet aus der erhaltenen Go Programmiersprache ‚s - time.Now()Funktion, die dann nur ein benutztes Echtzeituhr Quelle. Dies hätte durch die Verwendung einer monotonen Taktquelle vermieden werden können, die inzwischen zu Go 1.9 hinzugefügt wurde.

Es gab unangebrachte Bedenken, dass landwirtschaftliche Geräte, die während der Ernte am 31. Dezember 2016 GPS verwenden, von der Schaltsekunde 2016 betroffen sein würden. Die GPS-Navigation verwendet die GPS-Zeit , die von der Schaltsekunde nicht beeinflusst wird.

Problemumgehungen für Schaltsekundenprobleme

Die offensichtlichste Problemumgehung besteht darin, die TAI-Skala für alle betrieblichen Zwecke zu verwenden und für menschenlesbaren Text in UTC umzuwandeln. UTC kann immer aus TAI mit einer geeigneten Schaltsekundentabelle abgeleitet werden. Die Gesellschaft für Video-/Audio-Industriestandards der Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) wählte TAI für die Ableitung von Zeitstempeln von Medien aus. IEC/IEEE 60802 (Zeitempfindliche Netzwerke) spezifiziert TAI für alle Operationen. Die Netzautomatisierung plant den Umstieg auf TAI für die globale Verteilung von Ereignissen in Stromnetzen. Bluetooth-Mesh-Networking verwendet ebenfalls TAI.

Anstatt am Ende des Tages eine Schaltsekunde einzufügen, implementieren die Google- Server einen "Sprungabstrich", bei dem die Sekunden leicht über einen 24-Stunden-Zeitraum zentriert auf die Schaltsekunde verlängert werden. Amazon folgte bei der Einführung der Schaltsekunde vom 30. Juni 2015 einem ähnlichen, aber etwas anderen Muster, was zu einem weiteren Fall der Verbreitung von Zeitskalen führte. Später veröffentlichten sie einen NTP-Dienst für EC2-Instances, der Leap Smearing durchführt. UTC-SLS wurde als eine Version von UTC mit linearem Sprungverschmieren vorgeschlagen, wurde jedoch nie zum Standard.

Es wurde vorgeschlagen, dass Medienclients, die das Echtzeit-Transportprotokoll verwenden, die Erzeugung oder Verwendung von NTP-Zeitstempeln während der Schaltsekunde und der zweiten davor verhindern.

NIST hat einen speziellen NTP-Zeitserver eingerichtet, um UT1 anstelle von UTC zu liefern. Ein solcher Server wäre besonders nützlich für den Fall, dass die ITU-Auflösung verstrichen ist und Schaltsekunden nicht mehr eingefügt werden. Diese astronomischen Observatorien und andere Benutzer, die UT1 benötigen, könnten UT1 ausführen – obwohl diese Benutzer in vielen Fällen bereits UT1-UTC vom IERS herunterladen und Korrekturen in der Software vornehmen.

Siehe auch

  • Uhrdrift , Phänomen, bei dem eine Uhr im Vergleich zu einer anderen Uhr Zeit gewinnt oder verliert
  • DUT1 , das den Unterschied zwischen koordinierter Weltzeit (UTC) und Weltzeit (UT1) beschreibt
  • Dynamische Zeitskala
  • Schaltjahr , ein Jahr mit einem zusätzlichen Tag oder Monat

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Externe Links