La Sección de Hora del Real Observatorio de la Armada. 50 años de continuo progreso para satisfacer necesidades de “tiempo” al más alto nivel

Francisco Javier Galindo Mendoza
Real Instituto y Observatorio de la Armada

REFLEXIONES SOBRE EL CONCEPTO “TIEMPO” Y LA NECESIDAD DE MEDIRLO

Decía San Agustín acerca del tiempo “Si nadie me pregunta qué es el tiempo, lo sé, pero si me lo preguntan y quiero explicarlo, ya no lo sé”. 

Todos experimentamos lo que es el tiempo, pero realmente no es nada fácil de entender. Tampoco resulta sencillo imaginar un mundo sin él, pues sería algo así como un mundo sin movimiento, sin cambios, y por tanto sin el concepto de presente, sin reposo…

Cabe preguntarse si el tiempo forma parte del mundo que nos rodea, o si por el contrario solo existe bajo el paraguas de la subjetividad humana, pero independientemente de su verdadera naturaleza, los humanos han “inventado” la idea de Tiempo porque les suponía (y sigue siendo) una herramienta útil para definir los cambios que ocurren en nuestro entorno. El orden cronológico es útil para ordenar los sucesos que observamos, y para relacionar estos sucesos entre sí, pues de otra forma aparecerían como independientes o aleatorios. De ahí que desde tiempos inmemoriales, la especie humana haya mantenido interés en el tiempo y su medida.

A la invención de los relojes de Sol y de las clepsidras, o relojes de agua, hace unos cinco mil años, siguió la del reloj mecánico en el siglo XIV de nuestra Era, el reloj de péndulo en el siglo XVII y el reloj de cuarzo, ya en pleno siglo XX. Pero los mayores avances en la búsqueda del “reloj perfecto” se han producido desde mediados del pasado siglo, sobre la base de transiciones electrónicas en el interior de un átomo, en lo que denominamos “relojes atómicos”.

Si el primer reloj atómico era capaz de mantener un error inferior al segundo en 300 años, las versiones más avanzadas de estos relojes requerirán que transcurra un tiempo incluso superior al de la existencia de la Tierra, nada menos que 30 000 millones de años, antes de ganar o perder un segundo.

Todos estos avances han venido acompañados de progresos significativos que cambiaron la mentalidad o los usos y costumbres de la sociedad:

Los relojes mecánicos del siglo XV pusieron de manifiesto discrepancias en la teoría predominante sobre la visión del Universo, la ptolemaica, que situaba a la Tierra en el centro de este.

Las versiones marinizadas del reloj mecánico facilitaron la navegación segura en alta mar desde el siglo XVIII, revolucionando la navegación marítima y posibilitando que la era de los descubrimientos y de la colonización alcanzara su máxima expresión.

Con los relojes de péndulo llegó el uso masivo de dispositivos horarios en hogares, fábricas, oficinas y estaciones de ferrocarril durante los siglos XVIII y XIX, sirviendo como referencia principal para la programación de la vida diaria, los turnos de trabajo, y el transporte público… lo que permitió adoptar el ritmo de vida más rápido propio de la Revolución Industrial.

Las versiones avanzadas de los relojes de cuarzo, más compactas y económicas, le han convertido en la tecnología para la determinación de la hora más utilizada en el mundo, haciéndose extensiva entre todo tipo de relojes, ordenadores y otros dispositivos que registran el tiempo.

La precisión de los relojes atómicos es la base del funcionamiento de los sistemas globales de navegación por satélite, tales como el GPS, convertido hoy día en una fuente de información de posicionamiento, navegación y sincronización de fácil acceso a escala global.

El tiempo es, de hecho, la magnitud física del Sistema Internacional de Unidades que se determina con mayor exactitud, siendo a su vez la cantidad física más medida en aplicaciones tecnológicas y prácticas.

La infraestructura de la sociedad moderna depende fundamentalmente de los servicios de tiempo y frecuencia, y seguirá siendo así en las próximas décadas. Sin embargo, resulta curioso que a pesar de que hayamos crecido demandando utilidades dependientes del tiempo y de la frecuencia, no terminemos de ser conscientes del papel tan importante que juegan estas magnitudes en nuestras vidas. En una sociedad altamente tecnificada como la actual, existen requisitos de precisión y exactitud en tiempo y frecuencia en áreas muy diversas: 

• Las administraciones públicas requieren tiempo preciso para los sistemas y aplicaciones con los que interactúan con los ciudadanos a través de Internet. La regulación semafórica, la telegestión del alumbrado público o la sincronización del transporte público son otros ejemplos atribuibles a los Servicios Públicos, que requieren capacidad de sincronización.
• La banca y finanzas, los servicios de emergencia, las comunicaciones, la navegación, los servicios medioambientales, las redes energéticas, las de agua, el ocio, y muchas otras aplicaciones científicas y técnicas, son asimismo ámbitos en los que se requiere tiempo y frecuencia con determinada exactitud y precisión.

Y si estos ejemplos ofrecen una idea de la importancia del tiempo y la frecuencia en la actualidad, el futuro no le irá a la zaga, pues se demandará una mejora en la precisión y exactitud de las medidas asociadas a dichas magnitudes, suscitando nuevos impulsos en esta particular rama de la metrología en los próximos años. Las aplicaciones que se avecinan, que necesitarán de esta capacidad mejorada, son tan variadas como las aplicaciones actuales.

EL OBSERVATORIO Y LA RELOJERÍA MECÁNICA: HISTORIA DEL TRINOMIO NAVEGACIÓN, ASTRONOMÍA Y TIEMPO QUE MARCÓ LA CREACIÓN DE LA SECCIÓN.

La astronomía y la medida del tiempo han sido disciplinas íntimamente ligadas a lo largo de la historia de la humanidad, pues la observación del movimiento de los astros permitió desarrollar métodos para medir el tiempo desde la más remota antigüedad. Tiempo y determinación de la longitud geográfica también han permanecido vinculados a través de la astronomía, lo que explica el interés por la determinación y conservación del tiempo en el Real Instituto y Observatorio de la Armada, desde su creación en 1753.

Poco tiempo después de la construcción de los primeros prototipos de cronómetros marinos en Gran Bretaña, despunta el interés por su uso en la determinación de la situación de los buques en alta mar, por lo que Jorge Juan, siendo Director de la Compañía de Caballeros Guardiamarinas y fundador del Real Observatorio de Cádiz, propone al Gobierno la adquisición de algunos de estos aparatos y la puesta en marcha de un plan para introducir en España el arte de la relojería. Los primeros relojes de longitud adquiridos llegaron al Observatorio entre 1775 y 1776, constituyéndose en los primeros cronómetros marinos de la Armada Española. A estos siguieron otras remesas, entre las que cabe citar la procedente de la relojería londinense John Arnold, que fue utilizada en la expedición ilustrada de Alejandro Malaspina y en el levantamiento cartográfico de las costas de la América Meridional (Atlas Americano).

Ya avanzado el siglo XIX, el Observatorio se convierte en la institución de la Armada encargada de establecer las relaciones con las casas constructoras de cronómetros marinos, actuando como órgano técnico y de contratación, y como depósito de cronómetros de la Marina, responsabilizándose de su distribución a los buques y a otras unidades. Desde entonces, y hasta la actualidad, la adquisición, depósito y arreglo de los cronómetros de la Marina ha estado a cargo del Observatorio.

Y si los cronómetros marinos constituían uno de los elementos fundamentales para la determinación de la situación de los buques en la mar a partir de las observaciones astronómicas, los péndulos de precisión jugarán igualmente un papel esencial en las observaciones astronómicas y para la determinación de la hora por métodos astronómicos en el Observatorio, lo que explica el interés por adquirir péndulos de precisión desde el último tercio del siglo XVIII.

Las observaciones astrométricas, dirigidas a establecer las posiciones de los astros en la esfera celeste y a la elaboración de catálogos estelares, habían registrado un sustancial avance en los siglos XVII y XVIII. Ello incidió directamente en la mejora de las técnicas relojeras pues, para llevar a cabo una buena observación astrométrica, era necesario establecer con la mayor exactitud posible el momento del paso de la estrella observada por el meridiano del lugar de observación. De ahí que los péndulos astronómicos, también conocidos como reguladores de observatorio, se convirtieran en el complemento imprescindible de los instrumentos de observación astrométrica. Con su ayuda se podía establecer el momento del paso de la estrella observada por el meridiano, además de calcular el error en la hora para corregir la marcha de los péndulos magistrales que actuaban como guardatiempos entre observaciones.

El primer péndulo astronómico del Observatorio, fabricado por John Ellicott, ya constaba en la relación de instrumentos utilizados por Vicente Tofiño y José Varela en las observaciones astronómicas del cielo de Cádiz, efectuadas entre 1773 y 1774. Algunas décadas después, a mediados del siglo XIX, el Observatorio llegó a contar con once aparatos integrando la colección de péndulos.

Durante todo este tiempo y hasta principios del siglo XX, el control de la hora se efectuaría con estos péndulos, sin que se produjeran cambios sustanciales. 

El uso del péndulo de precisión, que había sido en origen algo casi exclusivo de los astrónomos, comenzó a generalizarse a lo largo del siglo XIX. Poco a poco fueron introduciéndose en la vida cotidiana como conservadores de la hora tanto en instituciones oficiales (ayuntamientos, universidades) como en otros ámbitos (estaciones de ferrocarril, fábricas, relojerías), lo que generó una nueva necesidad: la puesta en hora y ajuste de la marcha desde los propios observatorios astronómicos, que darán un paso adelante instalando sistemas de distribución de hora, tanto para difundir esa hora hacia el exterior como internamente para atender otras necesidades propias. En este nuevo contexto, el Observatorio instala entre 1878 y 1879 su primer equipo cronométrico de tipo eléctrico, de distribución de tiempo a las distintas dependencias de la institución, y una bola de señales en la terraza del edificio principal, visible en el entorno y que difundía diariamente la hora a los buques surtos en la bahía de Cádiz.

Hasta bien entrado el siglo XIX, el conocimiento de la hora local había permitido solucionar la mayor parte de los problemas relacionados con la hora, pero la irrupción del ferrocarril tras perfeccionarse la locomotora de vapor llevó consigo la necesidad de adoptar una hora única que sustituyese a las diversas horas locales, pues de otra forma resultaba imposible organizar y coordinar los servicios ferroviarios de largo recorrido, sobre todo en los países muy extensos. A partir de entonces, la idea de unificar la hora para el resto de las relaciones internacionales no tardaría en imponerse. 

A raíz de las decisiones tomadas en la Conferencia Internacional de Washington para la adopción de un Primer Meridiano Universal y de una Hora Cosmopolita (1884), la hora legal de cada país se adoptará conforme al sistema universal de husos horarios, con el meridiano de Greenwich como meridiano de referencia. La adopción de esta convención internacional fue progresiva, de manera que España no adopta como hora oficial la del meridiano de Greenwich hasta el año 1901 (regulación que resultó incompleta, al no incluir a las islas Canarias, cuya hora oficial no será adoptada hasta el 1922).

La principal consecuencia de la adopción del sistema de husos horarios fue la necesidad de establecer la hora del meridiano cero de la manera más exacta posible y de organizar la forma de transmitirla convenientemente a todo el planeta. Con la telegrafía eléctrica, e incluso con el teléfono, se pudieron regular los relojes de las estaciones de ferrocarril, de las oficinas de correos y de cualquier otro establecimiento conectado, directa o indirectamente, a los observatorios diseminadores de la hora. Sin embargo, estos medios no podían atender las necesidades de los navegantes en alta mar, ni las de los geodestas o los exploradores, que no trabajaban generalmente en las cercanías de las líneas telegráficas o telefónicas. La solución de este problema vino dada por el desarrollo de la radiotelegrafía, conocida popularmente como telegrafía sin hilos. 

Las primeras emisiones radiotelegráficas de señales horarias las efectúa la Oficina de Longitudes de París desde la torre Eiffel, y entre otros beneficiarios estarán los propios astrónomos encargados de la determinación de la hora, que encontrarán en este servicio la manera de comparar a diario sus péndulos y servicios horarios con los de otros establecimientos científicos de todo el mundo.

En 1912 se crea en París la Oficina Internacional de la Hora (BIH), con el objetivo de determinar la hora con la mayor precisión posible, utilizando para ello el concurso de todos los observatorios que pudiesen colaborar en esa tarea. Desde esta oficina se organizó la emisión de señales horarias desde las estaciones radiotelegráficas de París, Lyon y Burdeos, que servían a los observatorios colaboradores para comparar sus péndulos. Estos observatorios enviaban periódicamente los resultados de las comparaciones a París, donde se publicaba un boletín con las correcciones definitivas que había que aplicar a las señales horarias transmitidas. El proceso, que no difiere en esencia de lo que se sigue haciendo en la actualidad, puede considerarse que fue el primer paso práctico de universalización de la hora dentro de la fracción de segundo.

El Observatorio de San Fernando se une a este proyecto en 1916, tras la adquisición de su primera estación receptora de señales radiotelegráficas. Esto le permitía establecer por primera vez un control exterior de los péndulos del Observatorio, con independencia del control local consistente en el estudio astronómico de la hora, que era propio de cada observatorio. En 1924 adquiere un nuevo receptor-transmisor, con lo que a la labor de recepción de señales horarias para comparar su hora con la de otros observatorios, suma la emisión diaria de la hora obtenida mediante las observaciones astronómicas propias.

Durante los primeros años del siglo XX se produjeron notables avances técnicos relacionados con la conservación de la hora. El progreso de los métodos de observación astronómica llegó a fijar el umbral de la determinación astronómica de la hora en las centésimas de segundo. Mientras tanto, la mejora en las técnicas de construcción de instrumentos y el desarrollo de los péndulos eléctricos a presión constante y de los relojes de péndulo libre incidió directamente en la fiabilidad de la conservación de la hora así determinada. Fue de esta forma como se generalizó el uso en los observatorios astronómicos de los péndulos eléctricos de precisión antes mencionados, sobre los que recaerá el estudio de la hora, y su medición científica, hasta la introducción definitiva de los relojes de cuarzo, llevada a cabo a partir de 1950.

La llegada al Observatorio del primero de estos aparatos a presión constante (un péndulo Clemens Riefler) en 1920, supondrá la organización por primera vez de lo que pasará a conocerse como Servicio de Hora del Observatorio de San Fernando. Los relojes de péndulo libre (dos construidos por William Shortt) se incorporarán a este Servicio con motivo de la segunda y tercera Campaña Internacional de Longitudes, en 1933 y 1957 respectivamente, periodo en el que los relojes de cuarzo comenzaban a sustituir a los péndulos tradicionales en algunos observatorios. Precisamente en 1957, aprovechando la reorganización del Servicio de Hora llevada a cabo para participar en la Campaña Internacional de Longitudes del Año Geofísico Internacional, la dirección del Observatorio comunica al BIH la puesta en marcha de este Servicio dentro de la Sección de Astronomía y su intención de sistematizar las colaboraciones internacionales en este campo. 

Con los relojes de péndulo libre, el error acumulado a lo largo de un año quedó reducido a un segundo, un sustancial progreso frente al error de un segundo cada diez días propio de los péndulos tradicionales, lo que explica que en pocos años fueran capaces de desplazar de los servicios de hora de los observatorios a los péndulos astronómicos tradicionales. Estos ingenios representaron probablemente el más importante avance en la técnica relojera desde la invención del péndulo, y el último gran avance antes de la introducción de los primeros relojes de cuarzo.

Los tres primeros relojes de cuarzo del Servicio de Hora, de la marca Belin, se adquirirán durante la década de los cincuenta del pasado siglo, a los que se sumará un cuarto reloj de la firma Sulzer en la década siguiente, poco antes de la creación de la Sección. Con estos nuevos dispositivos, el tiempo pasará a conservarse dentro de la milésima de segundo.

ANTECEDENTES CERCANOS QUE CONTRIBUIRÁN A LA CREACIÓN DE LA SECCIÓN

La invención del reloj atómico de alta precisión en 1955, y su comercialización en tan solo tres años, propició la realización de escalas de tiempo con características metrológicas sin precedentes hasta la fecha. Pronto comenzaron a proliferar escalas de altas prestaciones, entre las que destacaba una forma primitiva de la escala internacional Tiempo Universal Coordinado (UTC), aunque dicha versión generaba cierta contrariedad entre sectores que requerían servicios de tiempo y frecuencia basados en un sistema de tiempo atómico uniforme y de frecuencia constante. Esta falta de satisfacción con la recién creada escala UTC y la necesidad de estudiar las implicaciones de la nueva definición del segundo, adoptada en 1967, suscitaron debates en diferentes comités y organizaciones internacionales (Comité Internacional de Pesas y Medidas –CIPM–, Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones –CCIR–, y Unión Astronómica Internacional –IAU–), fruto de los cuales será la adopción universal del nuevo sistema UTC, que comienza a utilizarse formalmente el 1 de enero de 1972, conformando en lo sucesivo la definición del tiempo civil mundial.

En la redefinición de la unidad de tiempo (1967) y en los estudios preparatorios para la coordinación internacional de escalas de tiempo, tuvo mucho que ver el Servicio de Hora del Observatorio, que tomó parte activa durante las reuniones decisivas mantenidas en el seno del Comité Consultivo para la Definición del Segundo (CCDS), dependiente del CIPM, para debatir los futuros cambios (años 1957 a 1970).

Ante este nuevo paradigma, mediante el Decreto 3852/1970 de 31 de diciembre, de reorganización del Instituto y Observatorio de Marina, se asigna al Observatorio la responsabilidad de la determinación, mantenimiento y difusión de las escalas de tiempo físico y astronómico, de acuerdo con los requisitos internacionales, fruto de lo cual será la organización de los medios materiales y de personal, y la creación de la nueva Sección de Hora en marzo de 1971.

PRIMEROS PASOS, EMANCIPADO DE LA SECCIÓN DE ASTRONOMÍA

Antes de la creación de la Sección, el Servicio de Hora adscrito a la Sección de Astronomía ya mantenía una escala de tiempos sincronizada con UTC dentro de la diezmilésima de segundo (±10-4 s), a la vez que mantenía la frecuencia mejor que 10-9 (partes por unidad). Para ello contaba en 1970 con cuatro osciladores de cuarzo, ajustados esporádicamente mediante comparaciones de tiempo efectuadas, bien mediante la señal de muy baja frecuencia (VLF) transmitida por la Marina estadounidense desde Cutler, Maine, en EE.UU., a través de la estación de la Smithsonian Institution ubicada en el propio recinto del Observatorio en San Fernando, bien mediante el transporte de hora con un reloj de rubidio del BIH.

El año 1971 será clave para la puesta en marcha de la nueva Sección, que además de cambiar de emplazamiento, también moderniza su equipamiento al adquirir sus dos primeros relojes atómicos de cesio Oscillatom B5000 de la firma Ebauches, además de un receptor de señal Loran-C de la marca Lorchron para efectuar comparaciones a distancia (transferencia de tiempo). La inauguración de las nuevas instalaciones se produce pocos meses después, en abril de 1972.

La nueva Sección de Hora pronto vigoriza su andadura, consolidando la colaboración con el BIH, sistematizando las comparaciones con la escala de tiempo del Observatorio Naval de Washington (USNO) y con el Tiempo Atómico Internacional (TAI) y UTC (mediante la recepción diaria de la señal Loran-C de Estartit, Girona, tras la calibración previa del tiempo de propagación mediante un transporte de hora en abril de 1972), afrontando el diseño y construcción de un reloj portátil de comparación para facilitar los transportes de hora, e iniciando gestiones para la adquisición de un nuevo reloj atómico de cesio y de una estación transmisora de onda corta para la difusión de señales horarias.

Mediante la Orden Ministerial 451/72 (D.O. 178), se aprueba el nuevo reglamento del Observatorio, incluyendo por primera vez en su organización a la nueva Sección de Hora. Dos años más tarde, mediante el Real Decreto 2781/1976 de 30 de octubre, la escala UTC que realiza el Observatorio pasa a ser considerada base nacional de la hora legal en España. 

Esta realización práctica de UTC en el Observatorio, que se denominaría UTC(OMSF) hasta agosto de 1988 (acrónimo de Observatorio de Marina de San Fernando), cambia su denominación por la de UTC(ROA) con la que se conoce hoy día, tras concedérsele el título de “Real” al Observatorio de la Armada en San Fernando en julio de 1987.

DOS DÉCADAS FACILITANDO APOYO AL SISTEMA LORAN-C

En mayo de 1974 comienza una colaboración internacional con USNO, orientada al estudio de las emisiones Loran-C, cadena del Mediterráneo, a partir de relojes muy precisos. El Loran-C era un sistema de radionavegación introducido en 1957, de largo alcance y alta precisión, que se hizo especialmente popular para la navegación en esa década. El sistema podía ser utilizado asimismo como soporte para transferir tiempo a distancia.

Como parte del proyecto, se llevan a cabo dos transportes de hora que permiten determinar los tiempos de propagación asociados a la estación Loran-C de Sellia Marina (Catanzaro, Calabria, Italia). Los tiempos de propagación asociados a la estación de Estartit (Girona) ya habían sido estimados anteriormente (1972).

La colaboración continuó hasta finales de 1994, dándose por finalizada tras efectuarse la transferencia de las estaciones a los países anfitriones a comienzos del año 1995, que en el caso de España (Estartit) conllevó el cese de emisiones.

Esta colaboración no solo fortaleció las relaciones con USNO, sino que motivó la cesión de instrumentación al Observatorio, con la que llevar a cabo estos trabajos y los de transferencia de tiempo tanto con USNO como con el BIH hasta la llegada del Sistema de Posicionamiento Global (GPS). 

La misma técnica de transferencia de tiempo basada en Loran-C se emplea en el año 1980 con el laboratorio INTA-NASA de Robledo de Chavela (Deep Space Network, DSN), como método para verificar el estado de sus relojes entre expediciones de transporte de hora, siendo esta actividad considerada la primera calibración remota que efectúa la Sección sobre otro laboratorio. Este tipo de estudios se hace extensivo a la estación espacial de Villafranca del Castillo, de la Agencia Espacial Europea (ESA), manteniéndose ambos hasta finales de 1994.

EL EXPERIMENTO INTERNACIONAL DE SINCRONIZACIÓN DE RELOJES POR SOBREVUELO

La Sección de Hora inicia en 1975 su participación en el experimento internacional de sincronización de relojes por sobrevuelo, llevado a cabo en colaboración con el Observatorio de París (OP) y la Oficina Nacional de Estudios y de Investigaciones Espaciales (ONERA, Francia), y auxiliados por el Centro de Investigación y Desarrollo de la Armada (CIDA). La experiencia sobre los relojes de OP y del Observatorio tiene lugar el 23 de noviembre de 1977.

1982, LA LLEGADA DEL GPS

En el mes de noviembre, la estación espacial INTA-NASA de Robledo de Chavela comienza a suministrar semanalmente las diferencias entre su escala de tiempo y la hora del sistema GPS, desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El primer prototipo de satélite se había lanzado en 1978 y el número de satélites en órbita fue aumentando paulatinamente desde entonces hasta completar la constelación en 1993. El uso civil no se autorizaría hasta el año 1983, de ahí que el Observatorio no dispusiera aún de receptores para estas señales.

Además de las diferencias respecto a GPS, la estación espacial de Robledo de Chavela seguía proporcionando los datos de recepción Loran-C procedentes de Estartit, para monitorización de sus relojes desde el observatorio. El conocimiento preciso de la constante de propagación diferencial reiteradamente medida del emisor Estartit, y la difusión que hace USNO de las diferencias entre su escala temporal (USNO(MC)) y GPS, va a permitir acceder desde un primer momento, con rapidez y fiabilidad, a la diferencia UTC(OMSF) – USNO(MC).

El primer receptor GPS del Observatorio, un TTR-5 de la firma Allen Osborne Associates, Inc., fue adquirido en el año 1986, estando plenamente operativo desde finales de año. Este receptor fue calibrado por primera vez por el BIH en junio de 1987, pasando a ser el enlace principal de transferencia de tiempo. A partir de entonces se remiten a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) tanto los datos de transferencia de tiempo GPS como los de Loran-C.

En 1993 comienza a aplicarse la técnica de vista común (CV) sobre las comparaciones a distancia utilizando la señal GPS. Con el nuevo método, la precisión alcanzada tras el procesado de datos pasa a ser de 5 ns. Esta técnica, revolucionaria en su momento, se verá superada por muchas otras técnicas aplicables igualmente sobre los datos GPS (AIV-P3 y PPP entre otras).

Desde el 1986 hasta la actualidad, la Sección ha contado con los modelos más avanzados para la recepción de señales de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), con capacidad para transferir tiempo, por resultar ser una pieza clave en las comparaciones a distancia, junto a la técnica de Transferencia de Tiempo y Frecuencia mediante Dos Vías (TWSTFT) basada en satélites geoestacionarios.

Fruto de sus trabajos relacionados con GNSS, en noviembre de 2008 dedica uno de sus receptores geodésicos de tiempo como estación de seguimiento del Servicio Internacional GNSS (IGS), contribuyendo a la generación de productos en apoyo de la investigación científica. 

LA TRANSFERENCIA DE TIEMPO MEDIANTE DOS VÍAS

La técnica, conocida como de dos vías o doble encaminamiento y basada en el uso de satélites geoestacionarios, ya había comenzado a ser utilizada por diferentes laboratorios de tiempo, poniendo de manifiesto sus bondades al alcanzar niveles de exactitud de tan solo algunos centenares de picosegundos.

La Sección de Hora comienza a estudiar su implantación en 1993, preparándose para ello y asistiendo sistemáticamente a las reuniones del Grupo de Trabajo TWSTFT del Comité Consultivo para la Definición del Segundo (CCDS WG on TWSTFT).

En mayo de 1995, el Observatorio es admitido como miembro participante en el proyecto nº 93 de la Alianza Colaborativa Europea en Patrones de Medida EUROMET (en la actualidad la Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología, conocida bajo el acrónimo EURAMET), para el estudio del procedimiento de utilización de la técnica.

El equipamiento necesario para la estación TWSTFT ROA se adquiere en 1997 a través de un proyecto de dotación de material de infraestructura del Ministerio de Educación y Ciencia. Una vez instalada y tras someterse a las pruebas de verificación, se aprueba y acepta su uso, comenzando a utilizarse de manera experimental en octubre del 2000. Un año más tarde, tras la calibración por parte del BIPM, la transferencia de tiempo mediante esta técnica se convierte en el enlace principal ROA para la contribución al TAI y UTC, pasando así a formar parte del reducido grupo de laboratorios que cuentan con esta capacidad en el escenario internacional. La primera calibración con una estación móvil de sus mismas características tendría que esperar, no obstante, hasta el 2014, implementándose los resultados en 2015, con la consecuente mejora en la incertidumbre asociada al enlace. 

Desde el año 2014, su uso combinado con técnicas avanzadas basadas en GNSS han llevado a inestabilidades en las centenas de picosegundo, para intervalos de tiempo menores de un día, con independencia de la longitud de la línea base utilizada.

La incorporación en 2017 de dispositivos digitales en las etapas de recepción, basados en SDR (Radio Definida por Software), ha supuesto una sensible mejoría añadida en la estabilidad de esta técnica. 

LOS TRANSPORTES DE HORA EN ESPAÑA

Dada la imposibilidad de transferir tiempo a otros laboratorios por otros métodos alternativos, al carecer estos del equipamiento necesario o por adolecer de un alto nivel de ruido, muy superior a las señales de los patrones en comparación, durante los primeros 30 años de existencia de la Sección se efectuaron transportes de hora por vía terrestre o mediante sobrevuelo.

El primer transporte de hora tiene lugar en mayo de 1973, al Observatorio de Madrid, con resultados satisfactorios. A este seguirá un nuevo transporte a Madrid, mucho más ambicioso, dado que incluye entre sus participantes a la Estación de Fresnedillas para vuelos espaciales tripulados, al Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información Leonardo Torres Quevedo, al Taller de Precisión y Centro Electrotécnico de Artillería (TPYCEA) y al Observatorio de Madrid.

En 1977, la Sección acomete el diseño de un laboratorio rodante para calibraciones de precisión montado sobre camión ligero, capacitado para dar servicio de tiempo y frecuencia precisos en cualquier punto del territorio nacional. El camión laboratorio entró en servicio en el año 1980, asegurando la distribución de la hora en España con una precisión en tiempo de ±0,1 μs, y en frecuencia de 10-11 (partes por unidad). La primera expedición de transporte tuvo lugar en los meses de junio y julio (29 de junio al 5 de julio), realizándose calibraciones en el Observatorio Astronómico de Madrid, Hewlett Packard Española, INTA/NASA de Torrejón de Ardoz, CIDA y TPYCEA. Estas expediciones siguieron sucediéndose en la década de los ochenta del siglo pasado.

En el año 1981 se efectúa el primer y único transporte de hora por avión (sobrevuelo) dirigido por el Observatorio, determinándose la diferencia de tiempo entre la realización práctica de UTC en el Observatorio (UTC(OMSF)) y la escala temporal de la estación INTA-NASA de Robledo de Chavela.

Este tipo de transporte de hora se vio sustituido eventualmente por un sistema de transferencia de tiempo basado en la señal de televisión, de diseño e implementación propia, y de manera definitiva por los sistemas de transferencia de tiempo basados en el GPS. El último transporte de hora terrestre se llevó a cabo en el año 1997.

EL SERVICIO DE DISEMINACIÓN HORARIA EN ONDA CORTA

El servicio de transmisiones horarias en onda corta (HF) inicia su andadura en marzo de 1976, pero antes de comenzar la transmisión sistemática diaria, se producen transmisiones ocasionales durante las fases I y II del Proyecto Geodinámico, al que se da apoyo y en el que participa el Observatorio a través de la Sección de Geofísica. Estas emisiones extraordinarias continúan durante otras seis fases, hasta julio de 1982. 

Además de las anteriores, se producen emisiones extraordinarias en junio y julio de 1976, en colaboración con el Observatorio Geofísico de Toledo con motivo del levantamiento de perfiles sísmicos en la Meseta. En junio de 1979 se activa un programa especial de transmisiones en colaboración con un programa geodésico hispano-portugués, y en noviembre de 1981 se emiten programas extraordinarios en apoyo de la Sociedad Española de Estudios para la Comunicación Fija a través del Estrecho de Gibraltar (SECEGSA). 

Tras un funcionamiento intermitente derivado de averías puntuales en 1996, 2001 y 2002, cesa definitivamente su actividad en octubre de 2003.

Durante la vida efectiva de este sistema resultó habitual la recepción de informes de recepción QSL procedentes de diferentes partes del mundo.

DISEMINACIÓN DE TIEMPO A TRAVÉS DE INTERNET

En mayo del 1996 se implementa con medios propios el primer servidor de Network Time Protocol (NTP) estrato 1 que recibirá el nombre de hora.roa.es, primero también en toda España, para sincronizar la red de área local del Observatorio al nivel de algunos milisegundos. Poco después se proporciona sincronismo a modo de experimento a un servidor en la Universidad de Cádiz (UCA), siguiéndole el Centro de Informática de la Comunidad Andaluza (CICA) y la Red de Investigación y Desarrollo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

En 1997 se elabora un nuevo servidor NTP estrato 1, que quedará instalado en el Centro de Comunicaciones de la Red española para Interconexión de los Recursos InformáticoS de las universidades y centros de investigación (RedIRIS), proporcionando sincronismo a dicha red. En esos primeros años de funcionamiento se constituyó el Grupo de Trabajo IRIS-NTP, en el que la Sección desempeñó una labor clave, y se efectuaron visitas técnicas periódicas para mantenimiento del servidor. Asimismo, comienza a atenderse un gran número de solicitudes de información y asesoramiento de los administradores de redes de ordenadores de diferentes centros de investigación y universidades, para la implantación y el mantenimiento de los sistemas de sincronismo. 

Desde el año 2005, el Observatorio proporciona un servicio de tiempo certificado a la Administración Pública del Estado mediante la red SARA (Sistemas de Aplicaciones y Redes para las Administraciones), dependiente en la actualidad del Ministerio de Hacienda y Función Pública, así como al propio Ministerio de Defensa. Servicios similares se vienen proporcionando a otras instituciones públicas y privadas desde hace más de una década.

Gracias a la colaboración con estas instituciones, se ha conseguido aunar tecnologías, experiencias y capacidades, que redundan en última instancia en una mejora de los servicios públicos y en la extensión de la seguridad en el ámbito de las nuevas tecnologías.

LA SECCIÓN DE HORA Y EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN INDUSTRIAL

Mediante la Orden de 21 de junio de 1982 sobre la creación y funcionamiento del Sistema de Calibración Industrial (SCI), previsto en el Reglamento General aprobado por el Real Decreto 2584/1981 de 18 de septiembre, se pone en marcha el Grupo Asesor de Calibración y se nombra miembro de dicho grupo al Jefe de la Sección de Hora (septiembre de 1982), colaborando así con el Ministerio de Industria y Energía en el establecimiento de una red nacional de calibración en apoyo de la industria. En este mismo contexto, el laboratorio de la Sección de Hora es designado “Laboratorio de Referencia” en el campo de la metrología del tiempo y la frecuencia.

Desde entonces comenzaron a efectuarse calibraciones en el marco del SCI, a la vez que se estudiaba la documentación técnica presentada por los laboratorios y se efectuaban auditorías, previas al reconocimiento como laboratorios de calibración del SCI en el área del tiempo y la frecuencia o durante el periodo de vigencia de la calificación.

La participación del Jefe de la Sección como miembro del Grupo Asesor se extendió hasta el año 2004. El Jefe de la Sección fue además Presidente del Subcomité de Tiempo y Frecuencia del Ministerio de Industria entre 1997 y 2004.

En 2001, las funciones del antiguo SCI pasan a ser asumidas por la Entidad Nacional de Acreditación (ENAC), continuando el Laboratorio de la Sección de Hora ejerciendo funciones de Laboratorio de Referencia.

LA SECCIÓN DE HORA Y EL CENTRO ESPAÑOL DE METROLOGÍA

En 1985 se crea el Centro Español de Metrología (CEM), al amparo de la Ley de Metrología de 18 de marzo de 1985, para actuar como máximo órgano técnico en el campo de la metrología en España. Desde entonces se suceden varias colaboraciones en los diversos ámbitos de interés, incluso antes de que un real decreto en 1992 declarara al Laboratorio de la Sección como laboratorio asociado al CEM.

Además del aporte de expertos de tiempo y frecuencia en los comités técnicos internacionales de las asociaciones a las que pertenece el CEM, se produce un intercambio de información y experiencia en materia metrológica y en materia de formación y divulgación de la metrología, se presta asesoramiento mutuo, y se colabora en programas de difusión e innovación tecnológica, entre otras actuaciones.

Buen ejemplo de ello fue la colaboración iniciada en 2008 con el área de longitud del CEM, para la determinación de los equipos de tiempo y frecuencia más idóneos para constituir el subsistema de frecuencia de la futura realización práctica del metro mediante láser de pulsos de femtosegundos y tecnología de peine de frecuencias, con la que se preveía incrementar la exactitud de esta unidad en al menos dos órdenes de magnitud. Una vez adquirido el equipamiento, se auxilió en las calibraciones, instalación en el CEM y puesta a punto del subsistema.

PRIMERAS CALIBRACIONES NACIONALES EN REMOTO

En el año 2001 se acomete el estudio de la calibración a distancia de patrones de tiempo/frecuencia mediante la técnica de vista común GPS, mientras continúan siendo utilizados en los trabajos diarios en sus respectivos laboratorios. 

Tras llevarse a cabo eventualmente algunas calibraciones, con resultados francamente satisfactorios, su ejecución se sistematizó a partir del año 2004. Los dos primeros laboratorios que se beneficiaron a la par de este nuevo servicio fueron ROHDE&SCHWARZ y el laboratorio de metrología del INTA.

INTERCOMPARACIÓN DE TIEMPO Y FRECUENCIA EN EL SENO DE ENAC

La única llevada a cabo en el ámbito de las colaboraciones con ENAC fue la LC/ENAC-034/TF1.

Esta intercomparación, como medida del aseguramiento de la calidad de los resultados de las calibraciones, fue efectuada entre los meses de mayo y julio de 1997, involucrando a nueve laboratorios de tiempo distribuidos por la geografía nacional, además del Observatorio, cuyo laboratorio actuó como laboratorio piloto. El ejercicio incluía un patrón viajero (reloj de cesio HP 5071A) que fue monitorizado mediante GPS, para lo cual se obtuvo previamente el posicionamiento preciso de la antena en cada emplazamiento. Con todo ello, se lograron incertidumbres hasta entonces nunca alcanzadas en este tipo de intercomparaciones.

LA PRESENCIA EN LA ORGANIZACIÓN REGIONAL DE METROLOGÍA EUROPEA

Si bien EUROMET, Organización Regional de Metrología Europea, había sido creada en 1987 con el objetivo de fomentar la cooperación entre los centros nacionales de metrología en Europa y promover la coordinación de actividades y servicios metrológicos para alcanzar una mayor eficiencia, no será hasta el año 1990 cuando se incorpore un representante español en el campo del tiempo y la frecuencia, en representación del CEM. Esta responsabilidad recae en el Jefe de la Sección de Hora.

En mayo de 1997 el Capitán de Corbeta Palacio Rodríguez, por aquel entonces Jefe de la Sección, es nombrado rapporteur en el área de Tiempo y Frecuencia de EUROMET, siendo la primera vez que un español ejerce este tipo de representación-actividad. El mencionado oficial, siendo ya Capitán de Fragata, es reelegido en mayo del 2000 hasta marzo de 2001.

EUROMET da paso en el 2007 a EURAMET, la Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología, cuyo propósito no ha cambiado. En el seno de EURAMET, el Jefe de la Sección de Hora continúa ejerciendo la representación española en el Comité Técnico de Tiempo y Frecuencia (TC-TF), y la Sección contribuye participando activamente en diversos proyectos, algunos de los cuales lidera como es el caso del Proyecto 1156: «Calibraciones de enlaces GPS en apoyo del CCTF-K001.UTC».

UNA DÉCADA DE PARTICIPACIÓN EN PROGRAMAS EUROPEOS DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE

En el año 2010, la Sección incorpora a uno de sus oficiales investigadores en el Grupo de Trabajo de la Interfaz de Tiempo del sistema Galileo (GFTIWG). Este grupo de trabajo fue creado por la Comisión Europea (EC) y la Agencia Espacial Europea (ESA) para proponer la definición del Proveedor del Servicio de Tiempo (TSP) Galileo, así como impulsar el diálogo entre EC/ESA y la comunidad europea de tiempo en lo relativo a este sistema GNSS, además de asesorar a EC/ESA en la implementación y uso de los servicios de tiempo Galileo. Esta actividad se extendió hasta el 2012. 

También en 2010, la Sección comienza su andadura en el sistema de posicionamiento global Galileo formando parte del Proyecto TVF –Time Validation Facility– (TVF V2), destinado a validar el comportamiento de los relojes del sistema Galileo y de su escala de tiempo (GST), y actuar como Proveedor de Servicio de Tiempo provisional. La misión, enmarcada dentro de las operaciones de Time Geodetic Validation Facility (TGVF) durante la fase de Validación en Órbita Galileo, se extendió hasta finales de 2017 donde el subsistema TVF ampliaba sus cometidos con la provisión de servicio temprano, la validación del servicio de tiempo y el desarrollo de productos asociados para usuarios externos. 

Con el propósito de seguir colaborando como parte del operador del Servicio Galileo en la explotación del sistema, el Observatorio participa junto a los institutos metrológicos nacionales de Italia (INRIM), Francia (OP), Alemania (PTB) y Suecia (SP), en el Proveedor de Servicio de Tiempo del sistema Galileo en el marco del contrato GSOp (Galileo Service Operator) con la Agencia de la Unión Europea para el Programa Espacial (EUSPA). El proyecto está liderado desde 2018 por el consorcio formado por las empresas Spaceopal, Telespazio y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), con una duración estimada de ocho años.

Por otra parte, el Observatorio es desde el 2018 parte integrante del proyecto GRC-MS, encaminado a establecer relaciones de largo plazo entre los Estados Miembros (MS) de la Unión Europea y el Centro de Referencia Galileo (GRC), al objeto de monitorizar y evaluar las prestaciones de los servicios Galileo, y mejorar su rendimiento. El proyecto está liderado por el Centro de Estudios Aeroespaciales Francés (CNES), y cuenta con la participación de una amplia mayoría de estos Estados. 

Finalmente, cabe citar la participación desde 2020 en el consorcio denominado Service Performance Monitoring Support (SPMS), que trabaja en la monitorización del servicio de tiempo EGNOS (Sistema Europeo de Aumentación basado en Satélites) en Open Service (OS) y Safety of Life (SoL).

LA COLABORACIÓN BILATERAL BAJO EL EXPERIMENTO BOREXINO 

En el primer semestre del 2012, la Sección participó conjuntamente con el Instituto Nacional de Tiempo y Frecuencia italiano (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, INRiM) en la calibración y en la provisión de datos diarios CGGTTS y de Posicionamiento Preciso de Punto (PPP) del enlace de tiempo GPS entre el Laboratorio Europeo de Física de Partículas Elementales (CERN) y los laboratorios nacionales del Gran Sasso (LNGS), dentro del experimento Borexino.

Este experimento fue diseñado para comprobar el cálculo de la velocidad de partículas subatómicas (neutrinos), en su viaje desde el CERN hasta LNGS. Los resultados obtenidos constataron que los neutrinos no viajaban a velocidad superlumínica, contradiciendo lo publicado al respecto por el proyecto OPERA.

REUNIONES INTERNACIONALES ACOGIDAS EN SAN FERNANDO

Desde la creación de la Sección, el Observatorio ha acogido varios encuentros internacionales, entre los que cabe destacar los que se relacionan a continuación:

• Simposio de la Unión Astronómica Internacional Time and the Earth’s Rotation (IAUS 82), en mayo de 1978.
• Grupo de Trabajo TWSTFT del Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia (CCTF WG on TWSTFT), en noviembre de 1998.
• V Simposio Internacional sobre Algoritmos de Escalas de Tiempo (V ITSAS), en abril de 2008.
• Reunión del Comité Técnico de Tiempo y Frecuencia de EURAMET (TC-TF), en marzo de 2013.
• Reunión del Comité Técnico de Tiempo y Frecuencia de EURAMET (TC-TF), en marzo de 2017.

LA SECCIÓN DE HORA: PRESENTE Y FUTURO

La actividad que realiza la Sección ha ido fraguándose a lo largo de sus cincuenta años de existencia, particularmente toda aquella que deriva de su responsabilidad como depositario del patrón nacional de la unidad básica de tiempo y de la hora oficial española, conforme a lo establecido en el Real Decreto 1308/1992 de 23 de octubre, y que ya ha sido descrita en buena medida y que continúa ejecutándose al más alto nivel. A ello deben añadirse las actuaciones de investigación, desarrollo e innovación propias de la Sección o mediante colaboraciones y participaciones en proyectos, que facilitan un mejor cumplimiento del cometido principal. A continuación se describen otros aspectos recientes, que conforman la realidad de la Sección en el momento actual. 

El nuevo laboratorio de Hora

La necesidad de disponer de entornos de trabajo cada vez más exigentes, que además resultaran adecuados para afrontar el desarrollo de relojes de laboratorio basados en tecnología óptica, llevaron a elevar en el año 2004 la propuesta de construcción de un nuevo edificio técnico que albergara las futuras instalaciones.

Redactado el proyecto, y tras dos reformas sobre el proyecto inicial, comenzó su construcción en el año 2014. Para ello contó con la cofinanciación del FEDER, el Ministerio de Economía y Competitividad, la Junta de Andalucía y la Armada. El edificio fue inaugurado tres años después del inicio de las obras, el 15 de septiembre de 2017, por Su Majestad el Rey Felipe VI.

Una de las características singulares del edificio es la Jaula de Faraday de su sótano, que protege de la radiación electromagnética a la sala de relojes atómicos, en la que se localiza el conjunto de patrones atómicos que contribuyen a la realización de la referencia de tiempo española. Este espacio está controlado en temperatura y humedad y cuenta con los medios necesarios para que sea especialmente estable e insensible a perturbaciones externas.

Transferencia de Tiempo y Frecuencia mediante satélite

Mediante los sistemas de transferencia de tiempo y frecuencia basados en satélites, el Observatorio contribuye, por un lado, a la realización de las escalas de tiempo TAI y UTC que elabora el BIPM, y por otro lado, a la sincronización remota de sistemas primarios de tiempo y frecuencia pertenecientes a la industria o a otros laboratorios.

En la actualidad, el Observatorio, gracias a su conocimiento, experiencia y capacidades técnicas contrastadas en el ámbito de la transferencia del tiempo y la frecuencia, es calificado por el BIPM como laboratorio “Tipo 1” para Europa, junto a los institutos metrológicos nacionales de Alemania (PTB) y de Francia (OP), en la calibración de enlaces de tiempo GNSS del resto de países europeos. Es además el líder y coordinador de las actividades de calibración de estos enlaces, que organizan y conducen los tres laboratorios antes citados (proyecto EURAMET, núm.: 1156), y desarrolla un papel muy destacado en la calibración de los enlaces TWSTFT europeos liderando importantes campañas periódicas de calibración in-situ mediante el despliegue de equipos móviles.

Proyecto para el desarrollo de un reloj de red óptica de estroncio

En cuanto a la aspiración a disponer a medio plazo de relojes ópticos de laboratorio de desarrollo propio, desde el año 2014 se trabaja en la formación de investigadores en tecnologías ópticas y electrónicas. Primero, cursando másteres afines a la tecnología óptica en la universidad pública nacional, y posteriormente, adquiriendo una formación más especializada junto a equipos internacionales de trabajo bien asentados y con amplia experiencia en este campo.

La propuesta de Construcción e Implementación de un reloj de átomos neutros o de red óptica de Estroncio (Sr) “CIROEs”, elevada en 2018 dentro del programa de I+D de Defensa, fue aprobada en 2019 y estará en ejecución hasta finales del 2022. Aunque la mayor parte del equipamiento y buena parte de la investigación e implementación estará para esas fechas, los trabajos deberán continuar al menos otros tres años para obtener todo el rendimiento esperado del nuevo patrón. Cabe significar que estos sistemas han demostrado incertidumbres relativas en el orden de 10-18, mejorando en varios órdenes de magnitud lo que se logra incluso con los mejores relojes de microondas en la actualidad.

Transferencia de tiempo y frecuencia mediante fibra óptica

El desarrollo de un reloj óptico de laboratorio ha generado una nueva necesidad, pues las técnicas más avanzadas y en uso en la actualidad para transferir tiempo y frecuencia y facilitar las comparaciones a distancia, basadas en el empleo de satélites (GNSS y geoestacionarios), introducen incertidumbres superiores a la inestabilidad que ofrecen los nuevos relojes. Esto obliga a utilizar métodos alternativos de comparación, basados en fibra óptica, de mayor precisión y sin estar sujetos a los efectos atmosféricos adversos sobre las señales transmitidas.

En consecuencia, ante la progresiva y creciente demanda de sincronismo para numerosas aplicaciones de la vida real, como las tecnologías de la información y la comunicación, la Sección se prepara para acometer a corto plazo la distribución a largas distancias mediante fibra óptica, de un tiempo muy preciso, pero a la vez robusto y fiable, a través de RedIRIS; dando así respuesta a las necesidades de sincronismo de una sociedad tan avanzada y tecnológicamente tan dependiente como la nuestra.

Diseminación del patrón y de la escala de tiempo 

Con todo esto, continúa diseminando el patrón y la escala de tiempo por los medios más idóneos, satisfaciendo las necesidades que demanda la sociedad mediante servicios que cubren un amplio rango de posibilidades, de acuerdo a los requisitos de cada demanda. Estos servicios se concretan básicamente en dos familias: los servicios de calibración y los de diseminación de tiempo; estos últimos gratuitos y abiertos al público, o alternativamente dirigidos a instituciones que requieren tiempo certificado y que han suscrito un convenio o acuerdo previo.

Todo este conjunto de actividades en torno a los relojes, los sistemas de transferencia y los de diseminación, constituyen el quehacer diario de esta Sección. Entre ellas, el proyecto que debe abanderar la actividad de la Sección de Hora en los próximos años será el de desarrollo e implementación del reloj óptico de estroncio, habida cuenta de que muy probablemente veamos cómo la unidad de tiempo del sistema internacional de unidades sufre una redefinición antes de que acabe la actual década. Esto, no obstante, no debe desmerecer al resto de actuaciones que se desarrollan en la Sección, la mayor parte de ellas reconocidas y valoradas internacionalmente. 

Todas en conjunto permitirán continuar dando avante en las aguas de la metrología del tiempo, atendiendo las necesidades que en cada momento demande la sociedad, y contribuyendo desde España en proyectos afines, de ámbito europeo e internacional.