Łączy nas czas. Michał Marszalec, Albin Czubla, Marzenna Lusawa

Transkrypt

1 Łączy nas czas Michał Marszalec, Albin Czubla, Marzenna Lusawa

2 Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy Instytut Łączności (IŁ) działa w obszarze badawczo rozwojowym w dziedzinie szeroko pojętych technologii informacyjnych i telekomunikacyjnych. W zakresie zainteresowań IŁ znajdują się m.in. następujące zagadnienia: Internet rzeczy Internet of Things (IoT) Systemy wspomagania decyzji, systemy inteligentne i zarządzania wiedzą - Decision Support System, Artifical Intelligence, Big Data itp. Systemy i Sieci Bezprzewodowe (także 5G) Systemy zasilania Systemy nawigacji satelitarnej Metrologia elektryczna, elektroniczna, optoelektroniczna, mikrofalowa, EMC, a także czas i częstotliwość Laboratoria badawcze i wzorcujące posiadają akredytacje Polskiego Centrum Akredytacji (PCA).

3 Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy Instytut współpracuje z największymi polskimi uczelniami (m.in. Politechnika Warszawska, Politechnika Gdańska, Politechnika Wrocławska, Politechnika Poznańska, Akademia Górniczo Hutnicza, Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk), a także z jednostkami administracji publicznej (Główny Urząd Miar (GUM), Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE), ). Szczególna współpraca w dziedzinie metrologii czasu łączy IŁ z GUM oraz innymi jednostkami badawczymi działającymi w tym obszarze. Instytut Łączności utrzymuje dwa atomowe wzorce cezowe, które są stale porównywane (od prawie 20 lat) z państwowym czasem urzędowym prowadzonym przez GUM. Najnowszym osiągnięciem współpracy z GUM jest uruchomienie przez IŁ transferu Państwowego Czasu Urzędowego UTC(PL) z wykorzystaniem satelitarnej metody dwudrogowej (TWSTFT).

4 Gdzie łączy nas czas? Połączenia gospodarki z czasem cz.1 Wykorzystania metrologii czasu i częstotliwości w gospodarce: - Transport morski automatyzacja procesu sterowania na pełnym morzu oraz w porcie, żeglarstwo, jachting - Lotnictwo autopilot, bezpieczna nawigacja szczególnie w małym lotnictwie (general aviation) - Rolnictwo automatyczne sterowanie maszynami rolniczymi (ogromne oszczędności) potencjalne zagrożenie zbyt duże uzależnienie od automatyzacji - Turystyka - Ratownictwo

5 Gdzie łączy nas czas? Połączenia gospodarki z czasem cz.2 Wykorzystania metrologii czasu i częstotliwości w gospodarce c.d.: - Telekomunikacja (dokładna synchronizacja precyzyjnych lokalnych wzorców) - Telewizja brak synchronizacji spowodował przerwę w transmisji na znacznych obszarach kraju - Energetyka - brak synchronizacji poszczególnych podstacji może spowodować ich uszkodzenie -> blackout - Budownictwo i geodezja (precyzyjne pomiary położenia) np. prace ziemne pod inwestycje - Sektor finansowy (banki, giełda) - High Frequency Trading (HFT) przeciwdziałanie oszustwom

6 Nawigacja Gdzie łączy nas czas? - Nawigacja Na orbicie znajdują się satelity różnych systemów nawigacji satelitarnej: GPS, Glonass, Beidou, Zenit, GAGAN Galileo. Satelita nawigacyjny jest, tak naprawdę wzorcem czasu wyposażonym w szereg dodatkowych podsystemów umożliwiających jego pracę na orbicie oraz możliwość zdalnej kontroli. Satelita nadaje specjalnie zakodowane sygnały czasu i swojego położenia. Sygnał nadawany przez satelitę: - Kod C/A i P (GPS) - Identyfikacja i informacja o położeniu satelity - Czas - Informacja o aktualnej konstelacji satelitów (almanach) Do pełnego wyznaczenia pozycji należy odebrać sygnały z czterech satelitów.

7 Gdzie łączy nas czas? - Nawigacja John Harrison i jego zegary W roku 1714 parlament brytyjski ogłosił nagrodę Longitude Act wysokości 20 tys. funtów. Celem było opracowanie praktycznej metody wyznaczania długości geograficznej na morzu z błędem nieprzekraczającym jednego stopnia. Optymalnym rozwiązaniem okazało się zegar na tyle precyzyjny, aby nie przekroczył granicy maksymalnego błędu na poziomie 2 min podczas 1-2 miesięcznej żeglugi na otwartym morzu. Harrison rozpoczął prace w roku 1728 i wykonał zegary: - H-1 (1735 r.) pierwszy prototyp o dokładności kilku sekund na dobę - H-2 (1741 r.) - H-3 (1758 r.) - H-4 (1759 r.) maksymalny błąd na poziomie 1 min. i 15 s

8 Pomiary geodezyjne budownictwo, granice działek, monitorowanie przemieszczeń,... = planowanie i realizacja inwestycji budowlanych = monitorowanie bezpieczeństwa użytkowania obiektów użytku publicznego i elementów infrastruktury

9 Synchronizacja w telekomunikacji = wysoka przepustowość łączy = wysoka jakość łączy i transmisji = tysiące połączeń realizowanych jednocześnie

10 Telewizja cyfrowa Synchronizacja Brak synchronizacji

11 Synchronizacja w energetyce = mniejsze straty przy przesyle energii od różnych dostawców = szybka lokalizacji miejsc źródłowych wystąpienia awarii sieci energetycznej = sterowanie oświetleniem: ulicznym, drogowym,...

12 Synchronizacja w energetyce (Wide Area Measurement System) A. Vaccaro, University of Sannio, Włochy

13 Synchronizacja w systemach IT (rynek finansowy, transakcje elektroniczne,...) <100 s dokładność v. UTC

14 Synchronizacja w systemach IT (podpis elektroniczny, znakowanie czasem,...) = bezpieczeństwo integralności przechowywanych i gromadzonych danych = elektroniczny notariat = elektroniczne rozliczenia z Urzędem Skarbowym, ZUS,...

15 Precyzyjny i dokładny czas Uniwersalny Czas Koordynowany (UTC) skala czasu wyznaczana przez Międzynarodowe Biuro Miar (BIPM) jest podstawą światowego systemu czasu. Międzynarodową Skalą Czasu (TAI) wyliczana na podstawie wyników porównań ok. 450 atomowych cezowych i wodorowych wzorców laboratoriów z całego świata z wykorzystaniem specjalnego algorytmu, w której wagi są zależne od fluktuacji pracy wzorca z okresów poprzedzających moment kalkulacji. Tak wyliczona skala czasu charakteryzuje się stabilnością znacznie większą od pojedynczego wzorca. UTC powstaje poprzez skorygowanie TAI w stosunku do kilku najdokładniejszych pierwotnych wzorców cezowych zbudowanych zgodnie z definicja sekundy. Dla każdego wzorca biorącego udział w porównaniach wyznaczana jest poprawka (różnica danego wzorca w stosunku do wartości średniej) wraz z niepewnością (miara fluktuacji) i publikowana raz na miesiąc przez BIPM (z opóźnieniem 2-4 tyg.) Na stronch BIPM, raz na tydzień publikowana jest też szybka skala czasu (UTC Rapid) o nieco mniejszej dokładności niż UTC. 0 początek skali + jednostka (rok, dzień, sekunda)

16 Precyzyjny i dokładny czas metody transferu oraz najnowsze polskie osiągnięcia W Polsce od ok. 20 lat trwa ciągła współpraca laboratoriów metrologicznych i badawczych zajmujących się dziedziną czasu i częstotliwości. Porozumienie o współpracy w zakresie tworzenia, utrzymania oraz doskonalenia niezależnej Polskiej Atomowej Skali Czasu TA(PL) pomiędzy Prezesem Głównego Urzędu Miar oraz grupą krajowych laboratoriów posiadających atomowe wzorce z dziedziny czasu i częstotliwości zawarto 3 grudnia 2004 r. w Warszawie.

17 Precyzyjny i dokładny czas metody transferu oraz najnowsze polskie osiągnięcia Polska Atomowa Skala Czasu TA(PL) Uczestnikami porozumienia są: - Prezes Głównego Urzędu Miar - Centrum Badań Kosmicznych PAN Obserwatorium Astrogeodynamiczne w Borowcu (AOS) - Instytut Łączności Państwowy Instytut Łączności (IŁ) - Orange Polska S.A. (dawniej Telekomunikacja Polska S.A.) - Centralny Wojskowy Ośrodek Metrologii W pracach w ramach grupy TA(PL) uczestniczy aktywnie również Litewski odpowiednik GUM - Center for Physical Science and Technology (FTMC) z Wilna. Opracowany przez AOS algorytm zespołowej skali czasu TA(PL) podobny jest do algorytmu zastosowanego w TAI. Cały proces obliczeniowy został zaimplementowany w Bazie Danych dla TA(PL) na wirtualnym serwerze w centrum obliczeniowym IŁ.

18 Szeroko rozwinięta krajowa współpraca w dziedzinie czasu i częstotliwości Poznan Borowiec UMK zegar optyczny CA UMK - stacja VLBI Torun UTC(AOS) Warszawa UTC(PL) - zegary atomowe porównywane względem UTC(PL) i uczestniczące w tworzeniu TAI i UTC 1E-13 mod IEN Kraków 1E-14 1E-15 CH F SU PL NIST USNO PTB TA(PL) dni [s] 1E-16 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

19 Odległość 7 km / 19 km światłowodu / 10 db OPTIME krajowa światłowodowa sieć transferu czasu i częstotliwości Wilno, Litwa 330 km UTC(AOS) stacja TWSTFT 15 km stacja VLBI 830 km zegar Sr lattice Łącze GUM Wilno uruchom. w 2016r. 40 km 420 km UTC(PL) stacja TWSTFT Aglomeracja Warszawska Odległość 16 km / 35 km światłowodu / 13 db Odległość 1,5 km / 3 km światłowodu

20 Precyzyjny i dokładny czas metody transferu Precyzyjne metody zdalnego transferu czasu: GPS Common View (GPS CV) metoda obserwacji jednoczesnej satelitów GNSS (Global Navigation Satelite System) TTS 5 (Zegar_Lab1 GPS_x) - (Zegar_Lab2 GPS_x) = Zegar_Lab1 Zegar_Lab2

21 Precyzyjny i dokładny czas metody transferu Precyzyjne metody zdalnego transferu czasu: Światłowodowy transfer czasu Ścisła współpraca z AGH w zakresie światłowodowego transferu czasu i częstotliwości

22 Precyzyjny i dokładny czas metody transferu Precyzyjne metody zdalnego transferu czasu: Two Way Satellite Time and Frequency Transfer System (TWSTFT) - Satelitarna dwudrogowa metoda transferu czasu i częstotliwości

23 Satelitarna dwudrogowa metoda transferu czasu (TWSTFT) w IŁ

24 Wybór serwera: Serwery NTP -synchronizowane bezpośrednio z zegarów atomowych porównywanych ciągle względem państwowego czasu urzędowego UTC(PL) -sterowanym sygnałem GPS/GNSS (Sygnał GPS może zostać wyłączony bez ostrzeżenia lub zakłócony) -inne (wujek w garażu, NTP Pool Project) -odległość od serwera (liczba węzłów)

25 Dziękujemy za uwagę Michał Marszalec, Albin Czubla, Marzenna Lusawa Serwery NTP: tempus1.gum.gov.pl tempus2.gum.gov.pl ntp.itl.waw.pl vega.cbk.poznan.pl ntp1.tp.pl ntp2.tp.pl