Zakład Systemów Radiowych (Z-1)

Zakład Systemów Radiowych (Z-1) Naziemne i satelitarne (Galileo, GPS) źródła sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu dla potrzeb synchronizacji sieci telekomunikacyjnych oraz lokalizowania wywołań alarmowych Zadanie realizowane w roku 2006: Prace projektowe i pomiarowe niezbędne do uruchomienia krajowego systemu przesyłania sygnałów wzorcowych czasu drogą radiową oraz prace nad wykorzystaniem w Polsce systemu Galileo i wprowadzeniem precyzyjnych, sieciowych systemów lokalizacyjnych Praca nr 01300026 Warszawa, grudzień 2006

Naziemne i satelitarne (Galileo, GPS) źródła sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu dla potrzeb synchronizacji sieci telekomunikacyjnych oraz lokalizowania wywołań alarmowych Zadanie realizowane w roku 2006: Prace projektowe i pomiarowe niezbędne do uruchomienia krajowego systemu przesyłania sygnałów wzorcowych czasu drogą radiową oraz prace nad wykorzystaniem w Polsce systemu Galileo i wprowadzeniem precyzyjnych, sieciowych systemów lokalizacyjnych Praca nr 01300026 Słowa kluczowe (maksimum 5 słów): synchronizacja, systemy nawigacyjne, Galileo, GPS, stemple czasowe Kierownik pracy: mgr inż. Andrzej Stachnik Wykonawcy pracy: inż. Andrzej Stefański tnk. Małgorzata Felczak Kierownik Zakładu Systemów Radiowych: mgr inż. Aleksander Orłowski Copyright by Instytut Łączności, Warszawa 2006

Spis treści 1 Zbadanie możliwości technicznych i organizacyjnych uruchomienia w kraju emisji sygnałów czasu drogą radiową... 1 1.1. Wprowadzenie... 1 1.2. Wymagania stawiane projektowanemu systemowi emisji sygnałów czasu... 1 1.3. Przegląd możliwości dostępu w Polsce do precyzyjnych sygnałów czasu... 2 1.3.1. Radiowe sygnały czasu DCF... 2 1.3.2. Sygnały systemów nawigacyjnych Loran-C, GPS, Galileo... 4 1.3.3. Sieci komputerowe, protokoły NTP, IEEE 1588... 8 1.4. Analiza możliwości rozsyłania w kraju sygnałów czasu drogą radiową... 9 1.5. Możliwości zbudowania systemu... 11 1.6. Koncepcja budowy systemu... 16 1.6.1. Strona nadawcza... 16 1.6.2. Kontrola i korekcja czasu... 18 1.6.3. Strona odbiorcza... 19 2. Opis przeprowadzonych prac... 21 2.1. Właściwości zespołu zegara nadawczego... 21 2.2. Testy poprawności oprogramowania nadajnika i odbiornika sygnałów czasu... 23 2.3. Podsumowanie oraz wnioski... 29 3. Analiza uwarunkowań technicznych i ekonomicznych związanych z wprowadzeniem do sieci komórkowych precyzyjnych systemów lokalizacyjnych... 30 4. Prace pomiarowe i techniczne mające na celu utrzymanie wymaganych parametrów jakościowych krajowej częstotliwości wzorcowej 225 khz... 34 4.1. Charakterystyka krajowej częstotliwości wzorcowej 225 khz... 34 4.2. Podstawowe zasady funkcjonowania służby krajowej częstotliwości wzorcowej 225 khz... 34 4.3. Zakres prac związanych z utrzymaniem krajowej częstotliwości wzorcowej 225 khz... 35 4.4. Omówienie prac pomiarowych... 36 4.4.1. Zasady prowadzenia pomiarów... 36 4.4.2. Opis układu pomiarowego i zastosowanej metody pomiarowej... 38 4.5. Wyniki pomiarów wraz z analizą i oceną statystyczną... 39 4.5.1. Uwagi wstępne... 39 4.5.2. Zestawienie danych pomiarowych... 42 4.6. Przekazywanie informacji dotyczących korekcji częstotliwości oraz komunikatów radiowych... 50 3

4.7. Inne prace o charakterze pomocniczym... 50 4.8. Wnioski... 51 4.8.1. Wnioski dotyczące spraw organizacyjnych... 51 4.8.2. Wnioski dotyczące spraw technicznych... 52 4.8.3. Podsumowanie... 52 5. Literatura... 53 6. Załącznik 4

1 Zbadanie możliwości technicznych i organizacyjnych uruchomienia w kraju emisji sygnałów czasu drogą radiową 1.1. Wprowadzenie W Europie istnieje kilka stacji radiowych nadających sygnały czasu (Niemcy, Francja, W. Brytania, Szwajcaria) i służby emitujące te sygnały mają licznych użytkowników. Zaletą jest prosty sposób przesyłania sygnałów czasu oraz duże możliwości weryfikowania ich poprawności. Przesyłana informacja nie podlega skomplikowanym wyliczeniom i przeliczeniom, a w celu zweryfikowania poprawności sygnał można zarejestrować przy użyciu fazomierza, oscyloskopu z pamięcią lub nawet usłyszeć w głośniku. W zestawieniu z możliwościami stwarzanymi od kilkunastu lat przez systemy nawigacyjne, naziemne systemy radiowe dystrybucji sygnałów czasu, choć nie dorównują systemom nawigacyjnym dokładnością, to jednak są w wielu zastosowaniach konkurencyjne pod względem ceny odbiornika i uzupełniające pod względem pewności dostępu. Jakość odbieranych w Polsce sygnałów wymienionych stacji zagranicznych jest niedostateczna i nie mogą być one w sposób niezawodny wykorzystywane. Sytuacja ekonomiczna kraju nie pozwala z kolei na zbudowanie i ponoszenie kosztów eksploatacji nowej stacji, służącej wyłącznie do nadawania sygnałów czasu, dlatego przewiduje się wykorzystanie do tego celu istniejącej stacji radiofonicznej 225 khz w Solcu Kujawskim. Stacja ta dzięki nadajnikom o mocy 1200 kw i systemowi antenowemu z masztami o wysokości 330 m i 289 m obejmuje swym zasięgiem obszar całego kraju. Informacja o czasie będzie przenoszona za pośrednictwem wąskopasmowego kanału utworzonego w wyniku dodatkowej modulacji fazy fali nośnej emitowanej przez stację nadawczą. Nadawane przez stację sygnały czasu będą odbierane za pośrednictwem wyspecjalizowanych odbiorników. 1.2. Wymagania stawiane projektowanemu systemowi emisji sygnałów czasu Zalecenie Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego ITU-R TF.460-6 dotyczące emisji sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu wskazuje, że odchylenie czasu wskazywanego przez przesyłane sygnały nie powinno być większe niż 1 ms i odchylenie częstotliwości emitowanego sygnału częstotliwości wzorcowej nie powinno większe niż 1 10-10. Odniesienie stanowi czas międzynarodowy koordynowany UTC (Universal Time Coordinated).

Ponadto powinna być znana relacja czasowa pomiędzy sygnałami czasu a falą nośną stacji nadawczej, która te sygnały emituje. Warunki te mogą być spełnione przy wykorzystaniu do emisji sygnałów czasu długofalowej stacji nadawczej 225 khz w Solcu Kujawskim. Dzięki wbudowanemu do generatora wzbudzającego stacji generatorowi rubinowemu i prowadzeniu przez Zakład Systemów Radiowych IŁ ciągłego nadzoru nad częstotliwością nośną odchylenie częstotliwości sygnału emitowanego przez stację nie przekracza wartości 2 10-12, a miesięczne odchylenie czasu wskazywanego przez przesyłane sygnały nie osiąga wartości większej niż 2 μs. 1.3. Przegląd możliwości dostępu w Polsce do precyzyjnych sygnałów czasu 1.3.1. Radiowe sygnały czasu DCF Obecnie w Polsce najłatwiej dostępne są sygnały niemieckiej stacji DCF 77. Sygnały te pochodzą ze stacji radiowej, której jedynym przeznaczeniem jest emisja sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu. Znaczniki czasu w postaci impulsów o kluczowanej amplitudzie są wysyłane w odstępach jednosekundowych (1 bit/s), a dla celów synchronizacyjnych sygnał stacji nie jest modulowany w 59. sekundzie każdej minuty. Stacja nadawcza DCF 77 jest nadzorowana przez Instytut PTB (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt) pełniący funkcję narodowego ośrodka miar. Z tego względu emitowane sygnały reprezentują w Niemczech czas urzędowy. Stacja znajduje się w miejscowości Mainflingen koło Frankfurtu. Jest ona wyposażona w nadajnik o mocy 50 kw. Antena z masztami o wysokości 150 m zapewnia wypromieniowanie 60 70 % doprowadzonej z nadajnika mocy (rys. 1). Rys. 1. Szkic systemu antenowego stacji DCF 77 2

Pomimo rozpowszechnianych w prospektach reklamowych informacji, że zasięg użyteczny sygnałów DCF 77 wynosi 2000 km (rys. 2) i obejmuje całą Europę, od Uralu po Gibraltar i częściowo północną Afrykę, to jednak pewny odbiór możliwy jest wyłącznie na obszarach, gdzie dominująca jest składowa przyziemna sygnału emitowanego przez stację nadawczą i wynosi ok. 500 km. Pośrednio potwierdza to fakt emisji podobnych sygnałów przez stację MSF (60 khz) zlokalizowaną na wyspach brytyjskich. Zapewne odbiór sygnałów z odległej o 750 km stacji DCF 77 nie był zadawalający i to było najważniejszą przyczyną wybudowania stacji MSF, natomiast często podawana informacja, że przyczyną jest przesunięcia czasu pomiędzy kontynentem a wyspami brytyjskimi o jedną godzinę, ma obecnie znaczenie wtórne. Jakość odbieranych w Polsce sygnałów DCF 77 jest niezadowalająca, jedynie na obszarze Dolnego Śląska warunki odbioru są w miarę dobre. Główną przeszkodę stanowią interferencje sygnałów indukowanych w antenie odbiornika. Ze względu na znaczną odległość od stacji nadawczej obserwuje się wielodrożność odbieranych sygnałów i znaczny udział sygnału odbitego od jonosfery. Zjawisko to występuje pomimo niskiej częstotliwości emisji (77,5 khz), niezależnie od tego, że w powszechnie uznanych teoriach propagacji fal elektromagnetycznych przyjmuje się, iż sygnały radiowe o częstotliwościach do 100 khz odbiciom od jonosfery nie podlegają. Stwierdzono na licznych przykładach, że w okolicach Warszawy nie można uzyskać zadawalającej jakości pracy zegarów synchronizowanych sygnałem DCF 77, jeszcze gorsza jest pod tym względem sytuacja we wschodnich rejonach kraju. Rys. 2. Mapa przedstawiająca zasięg odbioru sygnałów DCF 77 3

Omówienie szczegółowe systemu kodowania sygnałów czasy w stacji DCF jest o tyle ważne, że standard DCF, pomimo różnic w sposobie modulacji, został przyjęty przez wszystkie stacje europejskie emitujące sygnały czasu w sposób ciągły. Miało to pewien wpływ na unifikację niektórych zespołów odbiorników. Rys. 3. Sposób kodowania sygnału czasu emitowanego przez stację DCF 77 Kodowana informacja zawiera następujące dane (rys. 3): emisja z anteny podstawowej lub rezerwowej; czas letni lub zimowy; anonsowanie zmiany czasu l/z lub z/l (1 h); anonsowanie sekundy przestępnej (1 h); informacja o czasie w formacie: hh:mm dd-mm-yy wd; 3 bity parzystości; znacznik nowej minuty (przerwa w modulacji 59. sekundzie). 1.3.2. Sygnały systemów nawigacyjnych Loran-C, GPS, Galileo Działanie radiowych systemów nawigacyjnych opiera się na wyznaczaniu różnicy czasu propagacji sygnałów emitowanych przez kilka oddalonych względem siebie stacji nadawczych. Warunkiem możliwości wyznaczenia tych opóźnień jest precyzyjna synchronizacja zegarów wytwarzających sygnał podstawy czasu dla sygnałów emitowanych przez poszczególne, oddalone od siebie stacje nadawcze. Właściwości te są wykorzystywane do odtwarzania w odbiorniku skali czasu danego systemu nawigacyjnego. 4

Ze względów praktycznych skale czasu systemów nawigacyjnych traktowanych jako całość odtwarzają z dokładnością do ok. 20 ns międzynarodową skalę czasu UTC, pomimo że nie jest to wymogiem rzutującym na precyzję określenia pozycji. Natomiast na precyzję wyznaczenia pozycji ma wpływ dokładność synchronizacji czasu zegarów umieszczonych w stacjach nadawczych. Ograniczenie do kilku metrów składowej błędu określenia pozycji wynikającego z niewspółbieżności zegarów wymaga utrzymania skali czasu poszczególnych stacji nadawczych z dokładnością pojedynczych nanosekund. Pomimo trudnego do określenia dodatkowego opóźnienia sygnału występującego podczas przechodzenia przez warstwę jonosfery pomiary pozwalają na odtworzenie skali czasu systemu nawigacyjnego z dokładnością od kilkunastu do kilkudziesięciu nanosekund. Najmniejszą dokładność uzyskuje się przy wykorzystaniu naziemnego systemu nawigacyjnego - Loran-C. System ten był utworzony dla nawigacji morskiej i pomimo kilkakrotnych zapowiedzi wyłączenia go z eksploatacji wciąż jeszcze jest używany jako rezerwowe źródło sygnałów nawigacyjnych. Satelitarne systemy nawigacyjne GPS i GLONASS (a w przyszłości również Galileo) pozwalają na uzyskanie większej dokładności, gdyż odcinek drogi sygnału docierającego z satelity jest podczas przechodzenia przez warstwę jonosfery stosunkowo krótki. Stosowanie sygnałów czasu dostępnych za pośrednictwem systemów nawigacyjnych pozwala na uzyskanie bardzo dużej dokładności, 3 4 rzędy wielkości przekraczającej potrzeby znacznej większości użytkowników, wykorzystujących odebrane sygnały czasu głównie do precyzyjnego znakowania czasem zapisów o zachodzących zdarzeniach (stempli czasowych). Ponieważ znakowaniu podlegają głównie dane uzyskiwane, przetwarzane i przesyłane za pośrednictwem komputerów, więc dokładność sygnałów czasu większa niż 0,001 s nie zostanie wykorzystana, a w praktyce uzyskanie dokładności znakowania wynoszącej 0,01 s będzie można uznać za zadawalające. Korzystanie z sygnałów czasu odtwarzanych przy wykorzystaniu sygnałów pochodzących z systemów nawigacyjnych jest konieczne w nielicznych ośrodkach (narodowych ośrodkach miar, ośrodkach naukowych) utrzymujących własne, atomowe wzorce częstotliwości i czasu. Sygnały te służą do wstępnej kalibracji własnych skal czasu i później do komparacji ich z innymi skalami czasu tworzonymi w podobnego typu ośrodkach. Pomiary prowadzi się tam z dokładnością do kilku nanosekund, a dążeniem jest uzyskanie dokładności pikosekundowej, jednak w tym ostatnim przypadku są już stosowane inne metody komparacji. Wykorzystanie tych sygnałów na masową skalę, przez nieprofesjonalnego użytkownika, napotyka na 5

trudności, z których do najważniejszych należą wysoka wciąż cena odbiorników oraz nieokreślony status prawny wykorzystania tych sygnałów. Według zapowiedzi specjalistów z kręgów naukowych, przemysłowych oraz administracji europejskiej sytuacja ta ulegnie zmianie z chwilą uzyskania przez system Galileo pełnej zdolności operacyjnej, jednak termin uzyskania tej zdolności odsuwa się i obecnie wymieniany rok 2010 może nie być terminem ostatecznym. Rozpatrując aspekty techniczne, to w dużych, wysoko zabudowanych ośrodkach miejskich mogą występować trudności z ciągłym śledzeniu czasu przy wykorzystaniu satelitarnych systemów nawigacyjnych. Jako przykład może służyć wykres sporządzony przy okazji prowadzenia pomiarów związanych z koniecznością odtworzenia w budynku osiedlowej centrali telefonicznej czasu rzeczywistego z niezbyt wielką dokładnością ok. 0,01 s, jednak o dużym stopniu wiarygodności. Z doświadczeń było wiadomo, że nie działał w tym pomieszczeniu poprawnie zegar wykorzystujący sygnały DCF 77, zainstalowany w celu uwiarygodnienia danych rozliczeniowych (billing) znajdującej się tam poprzednio centrali elektromechanicznej. Antenę odbiornika GPS umieszczono na parapecie okna (były trudności z umieszczeniem jej na dachu), a jako drugiego źródła sygnałów czasu użyto odbiornika radiofonicznego 225 khz i nadawanych o pełnej godzinie tonowych sygnałów czasu, dosyłanych do stacji nadawczej z zegarów GUM. Na podstawie wykresu można wywnioskować, że w polu widzenia anteny odbiornika GPS nie było przez pewien okres czasu żadnego z satelitów GPS i odbiornik utracił wówczas możliwość śledzenia czasu systemowego GPS. Częstotliwość generatora podstawy czasu odbiornika zmieniła się znacznie i sumaryczny błąd złożył się na łączną wartość jednej sekundy. Występowaniu tego typu zjawisk można zapobiegać stosując w odbiorniku wyższej klasy generator kwarcowy, jednak cena odbiornika GPS znacznie wtedy wzrośnie. Ilustrację tego zjawiska przedstawiono na rys. 5, a, jako odniesienie, poprawny sygnał uzyskany z odbiornika GPS jest przedstawiony na rys. 4. 6

1,2 1 0,8 [s] 0,6 0,4 GUM (225 khz) GPS (1 pps) 0,2 0 0 50000 100000 150000 200000 [s] Rys. 4. Sprawdzenie poprawności czasu systemowego komputera przez porównanie z sygnałami GPS oraz sygnałami tonowymi emitowanymi w audycjach radiowych (przypadek I) 1,2 1 0,8 [s] 0,6 GUM (225 khz) GPS (1 pps ) 0,4 0,2 0 0 50000 100000 150000 200000 [s] Rys. 5. Sprawdzenie poprawności czasu systemowego komputera przez porównanie z sygnałami GPS oraz sygnałami tonowymi emitowanymi w audycjach radiowych (przypadek II) Na rysunkach tych są przedstawione (kolor żółty) sygnały czasu przesyłane w programach radiofonicznych w postaci sześciu sygnałów tonowych o pełnych godzinach. Na wykresie łatwo można zauważyć opóźnienie sygnałów tonowych wysyłanych z GUM o ok. 0,35 s 7

w odniesieniu do czasu UTC, co świadczy, że sygnał akustyczny jest doprowadzony ze studia do stacji nadawczej za pośrednictwem łącza satelitarnego korzystającego z satelity umieszczonego na orbicie geostacjonarnej. 1.3.3. Sieci komputerowe, protokoły NTP, IEEE 1588 Wraz z rozwojem sieci informatycznych wiele uwagi poświęcono przesyłaniu sygnałów czasu oraz synchronizacji czasu systemowego komputerów, głównie pod kątem wykorzystania tych sygnałów do znakowania czasem zdarzeń. Powszechnie został przyjęty do tych celów standard protokołów zaproponowany przez Uniwersytet Delaware, powszechnie znanych jako NTP (Network Time Protocol). Stosowanie tych protokołów pozwala na w miarę precyzyjne ustawienie zegara komputera w odniesieniu do wyspecjalizowanych komputerów zwanych serwerami czasu. Jest tu zachowana hierarchiczność warstw sieci w których umiejscowione są odpowiedniej klasy jakościowej serwery czasu (stratum 1 4). Serwery czasu w najwyższej warstwie sieci są odniesione do zegarów cezowych biorących udział w wyznaczaniu czasu międzynarodowego UTC. Najczęściej są one zlokalizowane w narodowych ośrodkach miar, ośrodkach akademickich czy w obserwatoriach astronomicznych. Przy pomyślnych warunkach występujących zwłaszcza przy niewielkim obciążeniu sieci informatycznych możliwe jest uzyskanie dokładności odtworzenia sygnałów czasu rzędu 1 10 ms. Zaletą stosowania protokołów NTP jest łatwość dostępu do sygnałów czasu i nie jest wymagane żadne dodatkowe wyposażenie komputera. Wadą jest zmienność opóźnień w przesyłaniu informacji w sieciach pakietowych, a zwłaszcza niesymetria opóźnień przy przesyłaniu zapytania do serwera czasu i odpowiedzi od serwera czasu do komputera. Choć generalnie wartość średnia błędu czasu jest równa zero, a więc zegar komputera długoterminowo nie spieszy się ani nie późni względem czasu UTC, to jednak w sporadycznych przypadkach jednostkowy błąd czasu może być znaczny. Z tej przyczyny gwarantowany stopień wiarygodności sygnałów czasu przesyłanych za pośrednictwem sieci komputerowych nie jest zbyt wysoki. W roku 2002 zostały opracowane specjalne protokoły PTP (IEEE 1588) służące do precyzyjnego uzgadniania czasu zegarów wchodzących w skład fragmentów sieci informatycznych. Przewiduje się tu uzyskanie dokładności rzędu 1 mikrosekundy. Głównym obszarem zastosowań jest automatyka przemysłowa (np. podnoszenie ciężkich przedmiotów 8

przez kilka współdziałających robotów). Obecnie synchronizacja zegarów z zastosowaniem PTP jest ograniczona do sieci o strukturze LAN, jednak nie ma ograniczeń odnośnie odległości od wysuniętego punktu takiej sieci. Jako przykład sieci z wysuniętymi punktami mogą służyć sieci obsługujące sonary do wykrywania łodzi podwodnych na Pacyfiku. 1.4. Analiza możliwości rozsyłania w kraju sygnałów czasu drogą radiową Obecnie w niemal wszystkich państwach świata są przyjęte regulacje prawne wskazujące w danym państwie zegar czasu urzędowego oraz sposób rozsyłania sygnałów czasu pochodzących z tego zegara do użytkowników. Zgodnie z ustawą z dn. 10.12.2003 r. (Dz. U. z 2004 r. nr 16, poz.144) czasem urzędowym na obszarze Rzeczypospolitej Polskiej jest krajowa realizacja skali czasu międzynarodowego oznaczana symbolem UTC(PL), odtwarzana przez Główny Urząd Miar w oparciu o własne wzorce atomowe. Niedostateczne jest jednak wciąż rozpowszechnianie i skala dostępu do sygnałów czasu wytwarzanych w oparciu o te wzorce. Najbardziej dostępne są sygnały godzinowe przekazywane z GUM za pośrednictwem niektórych stacji radia publicznego, jednak nawet tu część tych sygnałów jest dosyłana do naziemnych stacji nadawczych za pośrednictwem łączy satelitarnych, z czym wiąże się opóźnienie odbieranych sygnałów o ok. 0,35 s (por. rys. 5). Koncepcja uruchomienia w kraju stacji emitującej sygnały czasu odniesione do czasu urzędowego liczy kilkanaście lat i początkowo była wiązana z istniejącą w Radomiu, a nie używaną już ze względu na rozwój systemów satelitarnych stacją telegraficzną pracującą na częstotliwości 80,5 khz. Przed podjęciem zadania zbadano możliwości adaptowania tej stacji pod kątem uruchomienia emisji sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu. Od początku dostrzegano pewne trudności wynikające z nietypowej, trudnej do sprowadzenia do wartości standardowej częstotliwości oraz kierunkowej, zorientowana w kierunku Japonii anteny. Co jednak definitywnie przesądziło o losie stacji, to fakt, że stacja była wyeksploatowana, ze starym nadajnikiem i niewielkim zapasem nietypowych już lamp. Zmiany zasad gospodarowania w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku sprawiły, że gwałtownie wzrosły koszty utrzymania takiej stacji, nawet jeśli nie była ona eksploatowana, a wynikło to ze wzrostu ceny gruntu w miarę otoczenia stacji przez zabudowę miejską i tym samym wzrostu w podobnej proporcji podatków. Stare konstrukcje masztów wymagały okresowego przeprowadzania ekspertyz w celu uzyskania wymaganych atestów bezpieczeństwa i prowadzenia kosztownej konserwacji (rygory zostały zaostrzone po katastrofie zawalenia się 9

w roku 1991 masztu stacji nadawczej 225 khz w Konstantynowie k/gąbina). Czynniki te sprawiły, że według rozeznania przeprowadzonego w roku 2005 w firmie TP EmiTel (obecnego właściciela b. państwowych stacji nadawczych radiowych i telewizyjnych zbudowanych przed rokiem 1989), stacja w Radomiu już nie istnieje. Zbudowanie od podstaw nowej stacji emitującej sygnały wzorcowe częstotliwości i czasu w kanale 80,5 khz lub wykorzystującej inną częstotliwość z pasma długofalowego (włączając w to pasmo długofalowe radiofoniczne do 279 khz), a więc wykorzystującej w miarę stabilną falę przyziemną było nierealne ze względu na bardzo duże koszty. Dotyczy to zwłaszcza kosztów instalacji antenowej, która musi być znacznych rozmiarów dla efektywnego wypromieniowania sygnału wytworzonego w nadajniku (por. rys. 1). Znaczne są też koszty eksploatacji takiej stacji i dla przykładu można podać, że podatki i opłaty stałe (ekspertyzy, zezwolenia) wynikające z omawianej niżej stacji w Solcu Kujawskim wynoszą ok. 1 mln zł rocznie, a dochodzi do tego koszt energii elektrycznej służącej do zasilania stacji, koszt utrzymania personelu, koszty okresowych konserwacji itp. W tej sytuacji jedyną stacją obejmującą swym zasięgiem obszar całego kraju i pracującą przez całą dobę pozostawała stacja nadawcza Polskiego Radia S.A. w Solcu Kujawskim przekazująca audycje programu I PR (rys. 6). Możliwe jest z pewnymi niewielkimi ograniczeniami wykorzystanie długofalowej stacji radiofonicznej do przesyłania sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu. Stacja długofalowa 225 khz od ponad 20 lat jest wykorzystywana do rozsyłania sygnału krajowej częstotliwości wzorcowej (szczegółowo zagadnienie jest omówione w p. 4.). We Francji długofalowa stacja radiofoniczna Allouis 162 khz jest wykorzystywana w sposób ciągły do przesyłania sygnałów czasu za pośrednictwem wolnozmiennej modulacji fazy. Prędkość transmisji wynosi w tym przypadku 1 bit/s i przesłanie pełnej informacji trwa 1 minutę, a stosowany sposób kodowania informacji odpowiada sposobowi kodowania sygnałów czasu stosowanemu w stacji DCF 77. Wadą rozwiązania jest, że przy takim systemie modulacji fali nośnej stacji radiofonicznej nie ma możliwości przesłania jednocześnie innych informacji dodatkowych. W odniesieniu do stacji w Solcu Kujawskim nowy system przesyłania sygnałów czasu powinien uwzględnić istnienie pewnych uwarunkowań. 10

Rys. 6. Stacja nadawcza 225 khz w Solcu Kujawskim 1.5. Możliwości zbudowania systemu W celu rozpoznania możliwości organizacyjnych i technicznych wykorzystania stacji 225 khz do emisji sygnałów czasu przeprowadzono wstępne rozmowy z przedstawicielami spółki Polskie Radio S.A., odpowiedzialnymi na poziomie zarządu za stronę techniczną. Uzyskano informacje, że stacja w Solcu Kujawskim przesyła przy wykorzystaniu dodatkowej modulacji fali nośnej informacje dla potrzeb energetyki ułatwiające optymalizację obciążenia sieci energetycznej, umożliwiające sterowanie taryfami oraz dedykowane załączanie różnych systemów np. oświetlenia ulic. Administrowanie przesyłaniem informacji jest prowadzone przez jedną z bydgoskich firm z branży energetycznej. Firma ta jest właścicielem systemu informatycznego umiejscowionego w stacji nadawczej powiązanego z centrum dyspozycyjnym tego operatora za pośrednictwem łącza informatycznego. Sygnał analogowy (przenoszący jednak informację cyfrową) jest wprowadzony do modulatora fazy fali nośnej 225 khz stanowiącego własność Polskiego Radia. Właścicielem modulatora fazy, podobnie jak reszty stacji nadawczej, jest Polskie Radio S.A. Radio dostrzega celowość wprowadzenia proponowanej przez Instytut Łączności emisji sygnałów czasu, jednak firma energetyczna z racji poczynienia pewnych inwestycji oraz świadczonych na rzecz PR S.A. opłat posiada 11

prawa nabyte, które nie powinny być naruszone przez kolejnych użytkowników. Służby techniczne PR S.A. nie były zorientowane w szczegółach technicznych rozwiązań stosowanych przez operatora pracującego na rzecz energetyki. Sprawa szczegółów technicznych była o tyle istotna, że w trakcie rozmów przeprowadzonych z przedstawicielami pionu technicznego Polskiego Radia S.A. uzyskano potwierdzenie informacji, że w oparciu o wolnozmienną modulację fali nośnej 225 khz są przesyłane informacje wykorzystywane do sterowania niektórymi urządzeniami wchodzącymi w skład krajowego systemu energetycznego. Przedstawiono sugestię włączenia emisji sygnałów czasu do istniejącego systemu energetycznego, co sprowadzało by się do wprowadzenia sygnałów wytworzonych przez zespół zegarowy opracowany w Instytucie Łączności na odpowiedni port wejściowy komputera wysyłającego informację do modulatora fazy. Zjawisko systematycznej i specyficznej w formie modulacji fazy fali nośnej było obserwowane od kilku lat podczas pomiarów kontrolnych krajowej częstotliwości wzorcowej 225 khz, jednak nie były prowadzone w Instytucie Łączności prace mające na celu ilościowe określenie właściwości dodatkowej modulacji. Wstępne obserwacje wskazywały, że informacja jest przesyłana co minutę w pięciu blokach dwusekundowych, rozdzielonych jednosekundową przerwą. Istnieją więc realne możliwości techniczne przesłania co minutę informacji o czasie trwającej nieco ponad sekundę, ale przyjęcie założeń do zaprojektowania systemu wymaga zwrócenia dużej uwagi na rozdzielenie w czasie obydwu sygnałów. Przeprowadzono pomiary właściwości obecnie przesyłanych sygnałów, w tym również pomiary pozwalające na ocenę możliwości przesyłania sygnałów czasu w ramach obecnego systemu pracującego na potrzeby energetyki. Ze względu na brak typowej aparatury umożliwiającej przeprowadzenie tego typu pomiarów posłużono się własnej konstrukcji odbiornikiem 225 khz. Schemat układu pomiarowego przedstawia rys. 7. 12

225 khz Oscyloskop cyfrowy Odbiornik 225 khz Analizator odcinków czasowych TIA Komputerowa rejestracja danych f odn f odn Wzorzec cezowy 5 MHz Rys. 7. Zestaw do pomiaru modulacji fazy sygnału 225 khz Rys. 8. Modulację fazy sygnału 225 khz pakietami danych przesyłanych w ramach systemu pracującego na potrzeby energetyki (ok. 3 minut) 13

Rys. 9. Modulację fazy sygnału 225 khz pojedynczym pakietem danych przesyłanych w ramach systemu pracującego na potrzeby energetyki (ok. 2 sekund) Rys. 10. Długoterminowa zmienność czasu rozpoczęcia sekwencji danych przesyłanych w ramach systemu pracującego na potrzeby energetyki (ok. 3 doby) 14

Rys. 11. Zmienność czasu rozpoczęcia sekwencji danych przesyłanych w ramach systemu pracującego na potrzeby energetyki (ok. 3 godziny) Badania potwierdziły informację o czasie trwania pakietów sygnałów, prędkości transmisji oraz pozwoliły na wyznaczenie dewiacji fazy (rys. 8 i 9). Przeprowadzono również pomiar długoterminowych zależności czasowych odniesionych do czasu UTC odtwarzanego lokalnie przez znajdujący się w IŁ wzorzec cezowy oraz do sygnału czasu 1 pps pobranego z odbiornika GPS. Te ostatnie pomiary wykazały definitywnie, że do przesyłania sygnałów czasu nie może być wykorzystany system pracujący na rzecz energetyki, gdyż krótkoterminowa niepewność pomiaru wynosi ok. ± 0,05 s (rys. 11), a odchylenie częstotliwości sygnału podstawy czasu zegara inicjującego przesyłanie co minutę pakietu danych wynosi ok. 1,7 10-5, co oznacza, że zegar ten późni się o ok. 1,5 s/dobę i raz na dobę jest korygowany o 1 3 s (rys. 10). Sygnał stanowiący znacznik czasu podlegał by takim samym fluktuacjom, a więc o 3 4 rzędów wielkości byłyby przekroczone dopuszczalne tolerancje wymienione w p. 1.2. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest brak konkretnych potrzeb określenia w systemach energetycznych czasu z dużą dokładnością, chociażby z tego względu, że przy sterowaniu zapaleniem lub gaszeniem oświetlenia ulicznego albo zmianie w ciągu doby taryfy sekundowe błędy czasu zainicjowania tego typu procesów nie mają większego znaczenia. 15

1.6. Koncepcja budowy systemu 1.6.1. Strona nadawcza W oparciu o przeprowadzone pomiary modulacji fazy sygnału radiofonicznej stacji nadawczej 225 khz w Solcu Kujawskim przyjęto koncepcję wytwarzania i przesyłania znaczników czasu przy wykorzystaniu dodatkowej modulacji fazy sygnału emitowanego przez ww. stację. Głównym założeniem nowego systemu dystrybucji sygnałów czasu jest wytwarzanie sygnału czasu w oparciu o niezależny, lokalny zegar sterowany sygnałem podstawy czasu o dużej dokładności. W stacji nadawczej w Solcu Kujawskim źródłem sygnału podstawy czasu może być generator rubidowy służący do utrzymania z wysoką dokładnością częstotliwości sygnału krajowej częstotliwości wzorcowej. Częstotliwość fali nośnej stacji w Solcu Kujawskim, stanowiąca jednocześnie krajową częstotliwość wzorcową 225 khz, jest mierzona i korygowana przez Instytut Łączności. Nadzór metrologiczny i pomiary kontrolne sygnału krajowej częstotliwości wzorcowej prowadzi Główny Urząd Miar. Na podstawie kilkuletnich obserwacji GUM można przyjąć, że niepewność częstotliwości sygnału 225 khz, a tym samym sygnału wyjściowego generatora rubidowego, nie przekracza wartości 2 10-12. Z przeliczeń wynika, że zegar, dla którego sygnałem podstawy czasu będzie sygnał z omawianego generatora rubidowego nie powinien spieszyć się ani późnić więcej niż 1 milisekundę w ciągu 16 lat. Impulsy sygnału 5 MHz wytwarzanego w generatorze rubidowym będą zliczane przez zespół zegarowy wyposażony w mikrokontroler. Zadaniem mikrokontrolera jest również wytworzenie sekwencji sygnału czasu synchronicznej z wprowadzonym sygnałem podstawy. W sekwencji sygnałów czasu jest zawarta informacja opisująca bieżącą minutę (łącznie z dniem tygodnia, miesiącem i rokiem). Sekwencja impulsów stanowiących sygnał czasu jest zakończona impulsem o stałym kształcie, stanowiącym znacznik czasowy. Zespół zegarowy o powyższych właściwościach nie wymaga w zasadzie sterowania. Po poprawnym wpisaniu danych wejściowych, tak długo jak będzie do niego doprowadzone zasilanie zachowana będzie ciągłość naliczania skali czasu. W przypadku powstania niewielkiej różnicy czasu w odniesieniu do czasu urzędowego wyznaczanego przez zegary GUM powinna istnieć możliwość skorygowania czasu wskazywanego przez zespół zegarowy z poziomem kwantyzacji ok. 0,4 ms, tak aby była utrzymana możliwość nastawienia zegara z błędem mniejszym niż ± 0,5 ms. Opóźnienia w transmisji sygnałów czasu po stronie 16

nadawczej mogą być skompensowane pewnym wyprzedzeniem wytworzonego sygnału w stosunku do chwili emisji tego sygnału z anteny stacji nadawczej. Trudniejszy do wyznaczenia będzie błąd określenia czasu wynikający z opóźnienia powstającego w ośrodku propagacyjnym (na terenie kraju nie powinno ono przekroczyć 1,5 ms) oraz w układach odbiornika na skutek działania filtrów dolnoprzepustowych. Jednak wartość opóźnienia po stronie odbiorczej może podlegać kalibracji i wyznaczona wartość w formie poprawki może być częściowo uwzględniona podczas nadawania sygnału czasu, albo podczas znakowania czasem zdarzeń, co jest istotne zwłaszcza w odniesieniu do danych gromadzonych w pamięciach komputerów. W celu uniknięcia kolizji pomiędzy przesyłanymi pakietami informacji pochodzącymi z dwóch niezależnych źródeł możliwe są dwa podstawowe rozwiązania, dotyczą one zresztą wszystkich dziedzin telekomunikacji. Pierwsze rozwiązanie wymaga synchronizacji pakietów względem siebie albo synchronizacji obydwu pakietów w stosunku do niezależnego źródła sygnałów synchronizacyjnych. W oparciu o pomiary i wstępne informacje założono (okazało się później, że w kilku w ciągu doby cominutowych transmisjach założenia te mogą nie być spełnione), że sygnał nadawany przez energetykę trwa 15 s. Czas trwania sygnału czasu wraz z niezbędnymi marginesami zabezpieczającymi przed nałożeniem się obydwu sygnałów wynosi ok. 5 s, więc jeśli przyjąć wzajemną synchronizację obydwu sygnałów, to sygnał czasu może być nadawany co minutę, a przy utrzymaniu bardziej krytycznych warunków synchronizacji mógłby być nadawany co pół minuty. Przy ustalaniu założeń na pracę systemu przesyłania sygnałów czasu uwzględniono więc możliwość wysyłania sygnałów czasu co 30 s i przyporządkowano każdemu z sygnałów odpowiednie oznaczenia pozwalające na rozróżnieniu obydwu przypadków. Przewidziano też wytworzenie odpowiedniego sygnału synchronizacyjnego pozwalającego na zainicjowanie informacji przesyłanej na potrzeby energetyki w 3 8 sekundzie licząc od początku nowej minuty. Możliwość wysłania sygnału czasu w odstępach półminutowych umożliwia też przyjęcie asynchronicznego trybu ustalania kolejności występowania poszczególnych pakietów. W tym celu przewidziano możliwość wprowadzenia do zespołu zegarowego sygnału powiązanego z sygnałem energetyki, który zezwoli na wysłanie sygnału czasu co najmniej w 5 s po zakończeniu sygnału energetyki i zablokuje możliwość nadania kolejnego sygnału czasu w 45 s po zakończeniu sygnału energetyki. 17

1.6.2. Kontrola i korekcja czasu Przesyłane sygnały czasu są wytwarzane w oparciu o zegar wchodzący w skład zespołu zegarowego umieszczonego w stacji nadawczej w Solcu Kujawskim. W zasadzie zegar ten pracuje w sposób autonomiczny i nie wymaga zewnętrznej ingerencji podczas normalnej jego pracy. Ze względu na konieczność utrzymania dużej dokładności czasu emisji sygnału ograniczono do minimum czynniki powodujące losowość w procesach czasowych związanych z wytwarzanym sygnałem, a do takich należy m. in. oddziaływanie układów służących do początkowego ustawiania zegara. Dlatego zrezygnowano z pełnego ustawiania czasu (jak np. w komputerze PC), a przyjęto, że proces uruchomienia i ustawienia czasu wskazywanego przez zegar będzie przeprowadzony o pełnej godzinie. Założono też, że proces ten będzie realizowany w oparciu o elementy sterujące wchodzące w skład zespołu zegarowego (mikroprzełączniki, zredukowana klawiatura, diody sygnalizacyjne) i nie będzie możliwości wprowadzenia sygnałów sterujących z zewnątrz. Na podobnych zasadach jest realizowana korekcja częstotliwości generatora wytwarzającego sygnał krajowej częstotliwości wzorcowej i od chwili uruchomienia w 1999 r. stacji w Solcu Kujawskim nie zdarzyła się awaria rzutująca na niekontrolowaną zmianę tej częstotliwości. Zakres korekcji ograniczono jednorazowo do 1 sekundy, z tym że czynności korekcyjne można powtarzać dowolną liczbę razy, jednak nie częściej niż co 30 sekund. W celu umożliwienia pomiaru czasu i kontroli jego ustawienia wytwarzana sekwencja impulsów tworząca sygnał czasu jest wyprowadzona na gniazdo zewnętrzne. Jak już wspomniano, przy utrzymaniu obecnych właściwości sygnału 225 khz służącego do wzbudzania nadajnika stacji w Solcu Kujawskim po poprawnym ustawieniu zegara potrzeba korekcji wskazywanego czasu nie powinna wystąpić wcześniej, niż za 16 lat. W przypadku jednak długotrwałego wykorzystania rezerwowego, wysokostabilnego generatora kwarcowego (np. w przypadku uszkodzenia generatora rubidowego) okres ten może się skrócić do ok. 1 roku. W zespole zegarowym znajduje się również wewnętrzny generator kwarcowy podtrzymujący ciągłość pracy zegara podczas przełączeń sygnałów zewnętrznych pochodzących z generatora rubidowego. W normalnych warunkach eksploatacyjnych częstotliwość drgań wytwarzanych w generatorze wewnętrznym jest synchronizowana w odniesieniu do wymienionych wyżej wysokostabilnych źródeł sygnału częstotliwości wzorcowej 225 khz. Gdyby jednak 18

synchronizacja ta zawiodła, potrzeby korekcji wskazywanego czasu mogły by występować znacznie częściej, nawet w odstępach kilkudniowych. 1.6.3. Strona odbiorcza Zapotrzebowanie na precyzyjne sygnały czasu szybko wzrasta, prócz tego wzrastają potrzeby w zakresie uwiarygodnienia otrzymywanych sygnałów czasu. Przykładowo, przy dynamicznych zmianach cen akcji lub kursów walut na giełdzie różnica czasu zawarcia transakcji wynosząca setne części sekundy może przekładać się na wyliczalne kwoty pieniędzy. Pozostawienie tych spraw bez nadzoru i możliwości odtworzenia warunków prowadzenia transakcji prędzej czy później przyczyni się do pojawienia specyficznych działań przestępczych. Prócz tego w bardziej odpowiedzialnych zastosowaniach nie można polegać na jednym źródle dostępnych sygnałów, lecz należy dysponować źródłami rezerwowymi, nawet jeżeli jakością ustępują one jakości sygnału pochodzącego ze źródła podstawowego. Dotyczy to na przykład zastosowań związanych z obsługą ruchu lotniczego (szybki samolot pasażerski przebywa w ciągu sekundy ok. 300 m). W przeciwieństwie do pracujących w kanale 225 khz do 1995 r. stacji nadawczych z klasyczną modulacją amplitudy (oznaczaną symbolem A3) stacja w Solcu Kujawskim pracuje w systemie z dynamiczną regulacją poziomu fali nośnej DCC (Dynamic Carrier Control). System DCC wykorzystuje powstałe w dwóch ostatnich dziesięcioleciach nowe możliwości wytwarzania sygnałów modulowanych amplitudowo w zakresie częstotliwości pasma radiofonicznego długo- i średniofalowego. Sygnał emitowany przez anteną jest składany z paczek energii wytwarzanych w kilkuset pracujących równolegle półprzewodnikowych wzmacniaczach o mocy rzędu 2 kw każdy. Proces ten można porównać do dziecięcej zabawy mającej na celu w miarę dokładne wypełnienie wybranego obrysu klockami o różnej wielkości. Elastyczny i bardzo szybki sposób regulacji mocy emitowanego sygnału uzyskiwany dzięki zastosowaniu specjalistycznego systemu komputerowego pozwala na zmniejszenie poziomu mocy sygnału, który w myśl klasycznej teorii modulacji był określany pojęciem fali nośnej. Fala nośna nie przenosi bezpośrednio informacji zawartej w przesyłanym sygnale akustycznym, jest jednak składową sygnału niezbędną do jego odtworzenia w odbiorniku. Częściowe zmniejszenie poziomu fali nośnej powoduje powstawanie zniekształceń akustycznych w przenoszonym sygnale, jednak dobranie stopnia zmniejszenia poziomu fali nośnej w zależności od chwilowej dynamiki (głośności) sygnału akustycznego oraz możliwość zastosowania kompensacji zniekształceń sprawia, że 19

zniekształcenia te nie będą odbierane przez słuchacza audycji jako zbyt uciążliwe. Zastosowanie systemu DCC zmniejsza natomiast o ok. 50 % średnią moc emitowanego z anteny sygnału i w podobnej proporcji zmniejsza zużycie pobieranej przez nadajnik energii. Przy maksymalnej mocy stacji wynoszącej 1200 kw efekty ekonomiczne stosowania takiego systemu są bardzo znaczące. Z przedstawionego omówienia wynika, że stosowanie systemu DCC ma na celu zmniejszenie poziomu fali nośnej, a z kolei właśnie fala nośna i jej wymodulowanie w fazie umożliwia przesłanie prezentowanych w raporcie sygnałów czasu. Podczas bardziej dynamicznych fragmentów audycji można zaobserwować (np. posługując się oscyloskopem) nie tylko znaczne zmniejszenie poziomu fali nośnej, ale nawet przemodulowania, objawiające się chwilowymi (od 0,1 do 8 ms), całkowitymi zanikami fali nośnej. W nadajnikach starszej generacji, wykorzystujących tradycyjną modulację amplitudy (A3), przemodulowania również były możliwe, jednak ich występowanie wiązało się z nagłym zwiększeniem poboru prądu z zasilaczy stacyjnych, z czym źle sobie radziły układy zabezpieczające stacje zasilania przed przeciążeniem, a więc personel eksploatacyjny był uczulony na ich występowanie i raczej zmniejszał poniżej wartości optymalnej efektywną głębokość modulacji aniżeli akceptował możliwość występowania przerw w przekazywanej audycji. W nadajnikach nowej generacji, a tylko takie mogą być wyposażone w system DCC, układy zabezpieczeń przed przeciążeniem działają na innej zasadzie i nie powodują chwilowych wyłączeń nadajnika, dlatego personel eksploatacyjny stacji nadawczej bardziej tolerancyjnie podchodzi do sprawy przemodulowań, preferując raczej zwiększającą się wraz z głębokością modulacji większą głośność odbioru audycji oraz mniejszy poziom szumów. Z przytoczonego tu rozumowania wynika, że należy liczyć się ze znaczną stopą błędów czy przekłamań podczas przekazywania informacji o czasie. Rzutuje to z kolei na stopień rozbudowy urządzenia odbiorczego. Urządzenie to w części analogowej powinno składać się z odbiornika radiowego o odpowiednio wąskim paśmie przenoszonych częstotliwości, demodulatora i dekodera. Do demodulacji sygnału modulowanego fazowo będzie wykorzystana pętla fazowa z wchodzącym w jej skład generatorem kwarcowym. Sygnał z wyjścia tych układów będzie wprowadzony do części cyfrowej urządzenia odbiorczego. W zasadzie będzie ją stanowił układ mikrokontrolera, który oprogramowany odpowiednio będzie tworzył implementację zegara naliczającego czas rzeczywisty z prędkością naliczania uzależnioną od częstotliwości drgań generatora kwarcowego 20

wytwarzającego sygnał podstawy czasu dla zegara i jednocześnie dla wszystkich wymagających takiej podstawy czasu zespołów urządzenia odbiorczego. Zespół mikrokontrolera będzie odpowiedzialny za selekcję i kwalifikowanie odebranych danych o czasie oraz przeprowadzanie ewentualnych korekcji wskazań czasu zegara odbiorczego. Warunkiem przeprowadzenia korekcji będzie wielokrotne uwiarygodnienie odbieranej informacji oraz pozytywny wynik przeprowadzonej zgodnie z odpowiednią procedurą oceny potrzeby skorygowania wskazań zegara. Zespół mikrokontrolera będzie też realizował interpolację czasu dzieląc równomiernie odcinki czasowe pomiędzy kolejnymi odbieranymi znacznikami minutowymi, a w przypadku niezakwalifikowania odebranych danych jako poprawne, również odcinki stanowiące wielokrotność jednej minuty. Będzie także zapewniał obsługę interfejsów (np. RS 232, USB) służących do komunikacji z komputerami, wyświetlaczami i in. Do rozważenia, z uwzględnieniem przy tym wyników przeprowadzonych pomiarów, pozostaje sprawa synchronizacji generatora podstawy czasu zegara odbiorczego w odniesieniu do częstotliwości fali nośnej sygnału 225 khz. Rozpowszechnienie odbiorników sygnałów czasu powiązanych z zegarem, umożliwiającym uzyskanie rozdzielczości odczytu wynoszącej w miarę potrzeb nawet 1 ms, wtedy będzie pełne, jeśli ich cena nie będzie wygórowana. Z kolei spełnienie tego warunku będzie możliwe, jeśli łącznie zespół odbiornika i zegara będzie poddany procesowi zintegrowania i sprowadzony do jednego układu scalonego. W tym celu podjęto współpracę z Instytutem Technologii Elektronowej specjalizującym się w takiej działalności oraz złożono wspólny w Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego wniosek na sfinansowanie projektu rozwojowego pt.: Opracowanie oraz wdrożenie radiowego systemu dystrybucji sygnałów czasu gwarantowanego o zasięgu ogólnokrajowym. Kopia wniosku została zamieszczona w załączniku do raportu. 2. Opis przeprowadzonych prac 2.1. Właściwości zespołu zegara nadawczego Zespół zegara nadawczego zawiera synchronizowane z zewnątrz źródło sygnału podstawy czasu, mikrokontroler realizujący funkcje zegara oraz modulator sygnału 225 khz. 21

Źródłem sygnału podstawy czasu zespołu zegara nadawczego jest generator kwarcowy służący do taktowania pracy procesora z częstotliwością 5 MHz. Zegar ma stanowić podtrzymanie pracy procesora w przypadku przełączeń zewnętrznego sygnału synchronizacyjnego. Natomiast w normalnych warunkach eksploatacyjnych o częstotliwości sygnału podstawy czasu zespołu zegara decyduje sygnał z zewnętrznego generatora rubidowego o stałości i dokładności częstotliwości 2 10-12 przewyższającej o kilka rzędów wielkości stałość i dokładność częstotliwości generatora kwarcowego. Dla uproszczenia połączeń kablowych i uniknięcia wyprowadzania z generatora wzbudzającego oprócz sygnału 225 khz dodatkowo sygnału 5 MHz - zespół wyposażono w układ syntezy częstotliwości przekształcający sygnał 225 khz w synfazowy z nim sygnał 5 MHz. Sygnał ten służy do synchronizacji częstotliwości generatora kwarcowego. W urządzeniu zastosowano mikrokontroler AT Mega8535 firmy ATMEL. Opracowano oprogramowanie, dzięki któremu mikrokontroler realizuje następujące funkcje: 1) zlicza impulsy sygnału 5 MHz (tj. odcinki czasu 200 ns) w celu wyznaczenia bieżących wartości liczbowych jednostek czasu niezbędnych do realizacji procesu datowania (sekunda, minuta, miesiąc, rok); 2) umożliwia ustawienie wartości początkowych bieżących wartości liczbowych jednostek czasu, a więc czasu wskazywanego przez zegar; 3) umożliwia korekcję w założonych granicach czasu wskazywanego przez zegar i sygnalizuje postęp sekwencji związanych z tym czynności; 4) zapewnia samoczynną zmianę czasu letniego na zimowy lub odwrotnie; 5) zapewnia uwzględnienie w rachubie czasu sekund przestępnych, co jest realizowane w końcu tego kwartału, w którym została wprowadzona informacja o konieczności przeprowadzenia korekty; 6) wytwarza sekwencję impulsów niosących informację o czasie, wyprowadzoną następnie do modulatora fazy i na gniazdo kontrolne; 7) wytwarza sygnał synchronizacyjny o znaczeniu antykolizyjnym w stosunku do sygnałów energetyki. Poniżej przedstawiono najważniejsze właściwości systemu przesyłania sygnałów czasu rzutujące na wymagania stawiane nadajnikowi tego systemu oraz odbiornikowi: prędkość transmisji - 50 bit/s; kod - bez powrotu do zera NRZ (Non-Return-to-Zero); 22

liczba bitów przesyłanej informacji - 64; częstość powtarzania sekwencji - co 1 minutę (początek w 58,80 sekundy każdej minuty w odniesieniu do czasu UTC, koniec w 0,08 sekundy tej minuty, której opis przesyłana informacja zawiera); możliwość przesuwania skali czasu o wartości - 0,4 ms, 4 ms, 0,1 s i 1 s; początkowa sekwencja bitów - 1100110011 (do ew. zmiany w trakcie testów); rodzaj modulacji fazy - niesymetryczna, dewiacja ok. 40 wartości międzyszczytowej (zbliżony do modulacji stosowanej przez operatora systemu pracującego na rzecz energetyki); zakładana dokładność sygnału czasu przed wprowadzeniem go do modulatora - ± 0,5 ms; z zespołu zegarowego jest wyprowadzony sygnał wskazujący w każdej minucie okres czasu od 4. do 6. sekundy czasu UTC, w którym może być zainicjowany sygnał operatora systemu pracującego na rzecz energetyki w sposób nie powodujący kolizji z nowym sygnałem czasu. 2.2. Testy poprawności oprogramowania nadajnika i odbiornika sygnałów czasu W części cyfrowej układów nadajnika i odbiornika sygnałów czasu przeprowadzono testy przede wszystkim oprogramowania, gdyż nie zaobserwowano błędnego działania układów na skutek ich uszkodzeń lub niewłaściwych połączeń. Dane z nadajnika sygnałów czasu przesyłano do odbiornika testowego sygnałów czasu, a z odbiornika dane za pośrednictwem interfejsu RS 232 wprowadzano do pamięci dyskowej komputera i gromadzono w formie plików. Testy na zgodność z kalendarzem kolejnych sekwencji danych przesyłanych z nadajnika sygnałów czasu do odbiornika polegały na sprawdzeniu zapisanych w plikach danych i obejmowały m. in. sprawdzenie liczby dni w miesiącu, kolejność dni za przełomie miesięcy oraz lat (w tym również dni tygodnia) z uwzględnieniem lat przestępnych, sprawdzenie poprawności terminów zmiany czasu z letniego na zimowy lub odwrotnie oraz poprawności przesyłanych bitów parzystości Poniżej przedstawiono fragmenty takiego zapisu obejmującego anonsowanie zmiany czasu (w tym przypadku z zimowego na letni) w ciągu jednej godziny poprzedzającej zmianę czasu, a następnie zapis danych podczas zmiany czasu. Oprogramowanie (będzie to poprawione w wersji użytkowej) nie pozwalało na zapis nie znaczących zer (np. po 31-12-9 kolejny dzień 23

jest opisany jako 1-1-10), dlatego dane nie są uszeregowane w jednolite kolumny. Oprócz danych o dniu miesiąca i tygodnia, miesiącu oraz roku jest podawana godzina, a następnie minuta, w zaniechanej później wersji przesyłania informacji co 30 sekund (z oznaczeniem półminuty p i d). Litera Z lub L symbolizuje czas, a litera S lub R stację nadawczą (Solec - Raszyn). Liczba, w tym przypadku pięciocyfrowa, wskazuje minutę w miesiącu. Informacja OK potwierdza zgodność liczby poziomów logicznych 1 w odpowiednim fragmencie kodowanej sekwencji z odpowiadającym za ten fragment bitem parzystości. Na ostatnim miejscu zapisana jest informacja o anonsowaniu zmiany czasu, może być również wpisana informacja o anonsowaniu sekundy przestępnej. 25-3-7 *7 0:59p ZS 34619 OK OK OK 25-3-7 *7 0:59d ZS 34619 OK OK OK 25-3-7 *7 1:0p ZS 34620 OK OK OK wsk_l/z_z/l 25-3-7 *7 1:0d ZS 34620 OK OK OK wsk_l/z_z/l 25-3-7 *7 1:1p ZS 34621 OK OK OK wsk_l/z_z/l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25-3-7 *7 1:58d ZS 34678 OK OK OK wsk_l/z_z/l 25-3-7 *7 1:59p ZS 34679 OK OK OK wsk_l/z_z/l 25-3-7 *7 1:59d ZS 34679 OK OK OK wsk_l/z_z/l 25-3-7 *7 3:0p LS 34740 OK OK OK 25-3-7 *7 3:0d LS 34740 OK OK OK 25-3-7 *7 3:1p LS 34741 OK OK OK. Kolejne badania miały na celu sprawdzenie powtarzalności i określenie ewentualnego rozrzutu fazy tworzonego sygnału, co znajdzie odzwierciedlenie w dokładności odtworzenia znaczników czasu zawartych w przesyłanym sygnale czasu. Badania były przeprowadzone przy wykorzystaniu narastającego zbocza pierwszego impulsu sygnału czasu, a jako odniesienie służył sygnał o częstotliwości 0,05 Hz uzyskany przez podzielenie częstotliwości sygnału o częstotliwości 5 MHz pochodzącego z wzorca cezowego. Wynikiem pomiaru jest różnica czasu pomiędzy zboczami sygnałów wprowadzonymi na wejście fazomierza, przy czym wartość początkowa różnicy jest przypadkowa, natomiast ocenie podlega jej zmienność w czasie. 24

Badany sterownik f wzorc. Dekoder Fazomierz cyfrowy Komputerowa rejestracja danych Komputerowa rejestracja danych 0,05 Hz (20 s) Wysokostabilny generator kwarcowy Nastawny dzielnik częstotliwości Rys. 12. Zestaw do sprawdzenia poprawności działania sterownika Poniżej przytoczono fragment pliku zawierającego dane pomiarowe, obejmujące okres czasu w którym dwukrotnie przeprowadzono korekcję o ok. 0,4 ms, a na rys. 13 przedstawiono sporządzony w oparciu o te dane wykres. 0,3101790126 0,3101786024 0,3101796118 0,3101800127 0,3101796116 0,3101800123 0,3101784156 0,3101800106 0,3105884346 <- korekcja czasu o +0,4096 ms 0,3105882106 0,3105892129 0,3105896103 0,3105884080 0,3105890175 0,3105892120 0,3105888178 0,3101792392 <- korekcja czasu o -0,4096 ms 0,3101790085 0,3101784116 0,3101792098 0,3101786136 0,3101800141 0,3101794114 25