Artykuł pochodzi z wydania: Kwiecień 2021
Pomiary czasu i częstotliwości są niezbędne praktycznie w każdym obszarze funkcjonowania państwa i społeczeństwa. Wiele z nich przenoszonych jest do świata wirtualnego, a synchronizacja czasu okazuje się ważnym katalizatorem zaawansowanych technologii IT.
Nowoczesne technologie wpływające na rozwój społeczeństwa i gospodarki (np. smart grid w energetyce, 5G w telekomunikacji) oraz rozporządzenia wprowadzane na poziomie europejskim (m.in. MiFID II oraz MiFIR w sektorze finansowym czy eIDAS w zakresie identyfikacji elektronicznej i usług zaufania) wymagają dostępu do precyzyjnego źródła czasu. Musi być on potwierdzony technicznie i uwiarygodniony międzynarodowo, co w Polsce przekłada się na potrzebę ciągłego usprawniania systemu dystrybucji sygnałów czasu urzędowego i skali czasu UTC(PL), które generowane są w Głównym Urzędzie Miar (dalej: GUM). Przybliżamy ogólne zagadnienia związane z zapewnieniem wiarygodnych i uniwersalnych źródeł czasu w systemach IT, a także pokazujemy, w jaki sposób dotychczas generowany i dystrybuowany jest sygnał czasu urzędowego w Polsce oraz jakie planowane są modyfikacje w ujęciu technicznym i funkcjonalnym.
Kto potrzebuje czasu
Z jednej strony pomiary czasu, rozumiane jako odmierzanie czasu, z ustalonym krokiem, w sposób ciągły i nieprzerwany, umożliwiają prowadzenie kalendarza, ustalanie daty i dokładnej pory dnia (godzina, minuta, sekunda). Jest to niezbędne do normalnego funkcjonowania przy realizacji wszystkich harmonogramów, rozkładów zajęć, rozkładów jazdy, godzin i czasu pracy, planów, terminów złożenia dokumentacji w formie papierowej (np. przetargowej lub wniosków administracyjnych), zaleceń lekarzy, umówionych spotkań itd. Słowem, wszędzie tam, gdzie nie jest wymagana duża precyzja odmierzanego czasu (pojedyncze sekundy, minuty, a nawet godziny). Z kolei takie dziedziny, jak e-bankowość, teleinformatyka, transakcje giełdowe, transakcje bezgotówkowe, złożone systemy IT gromadzące i przetwarzające różnego rodzaju dane, podpis elektroniczny, wymiana dokumentów w formie elektronicznej itp., wymagają precyzyjnie, nieprzerwanie, wiarygodnie i niezawodnie odmierzanego czasu (z dokładnością przynajmniej do milisekund). Jest on niezwykle istotny dla podniesienia bezpieczeństwa przeprowadzanych operacji i przechowywanych danych, ponieważ pozwala rejestrować moment zajścia zdarzenia i ściśle „pilnować” chronologii zdarzeń w systemie w powiązaniu z osobą dokonującą danej operacji. Pozwala to zapewnić spójność działania danego systemu, zmniejsza ryzyko manipulacji, nieautoryzowanych i nieuprawnionych operacji i blokuje dostęp do systemu w razie utraty ważności certyfikatu. Nieprzerwanie odmierzany precyzyjny czas, mający status (gwarancję) czasu urzędowego, jest istotny w tych zastosowaniach, w których konieczne jest potwierdzenie wymagań dotyczących synchronizacji do wiarygodnego źródła czasu oficjalnego (np. elektroniczne platformy zamówień publicznych, podpis elektroniczny i monitorowanie ważności certyfikatów).
Z drugiej strony pomiary czasu (i częstotliwości), rozumiane w sensie technicznym jako odmierzanie równych, dokładnych odstępów czasu, mają bardzo duże znaczenie w telekomunikacji przy synchronizacji sieci czy w zastosowaniach naukowych. Dzięki temu jest możliwe prowadzenie setek, a nawet tysięcy rozmów jednocześnie z wykorzystaniem pojedynczych par włókien transmisyjnych – szumy i zakłócenia są mniejsze, połączenia nie są przerywane, transfer danych jest szybszy, a dostęp do internetu ma coraz większą przepustowość. Precyzyjnie odmierzane czas i częstotliwość pozwalają również na lepsze wykorzystanie przyznanych koncesji na pasma nadawania sygnałów radiowych i telewizyjnych, sieci komórkowej, sygnałów bezprzewodowych i dokładną weryfikację ich wykorzystywania. W energetyce dokładna częstotliwość i precyzyjna synchronizacja są istotne przy minimalizowaniu strat energii przy produkcji energii i podłączaniu rozproszonych źródeł zasilania lub podczas szybkiej lokalizacji miejsca wystąpienia awarii czy źródła sytuacji problemowej. W przemyśle precyzyjnie odmierzany czas jest niezbędny do realizacji procesów produkcyjnych, technologicznych i do kontroli jakości. W medycznych laboratoriach badawczych (np. stacje sanitarno-epidemiologiczne) jest on wykorzystywany do pobierania próbek, a w diagnostyce medycznej – m.in. do prowadzenia analiz.
Czas UTC w systemach IT
Rozproszone fizycznie systemy IT, komunikujące się ze sobą w skali globalnej z wykorzystaniem połączeń telekomunikacyjnych, potrzebują uniwersalnego, wspólnego źródła informacji o czasie, niezależnego od przyjętych umownie stref czasowych czy konwencji dotyczących okresowych zmian czasu. Stosowany czas powinien charakteryzować się dokładnością dostosowaną do potrzeb oraz krótko- i długookresową stabilnością (niezmiennością). Wyżej wymienione cechy ma czas UTC (Universal Time Coordinated), będący unikatową, tworzoną i stosowaną globalnie skalą czasu opartą na uśrednianych sygnałach wzorcowych generowanych przez zegary atomowe. Skala UTC tworzona jest przez Międzynarodowe Biuro Miar (BIPM) z siedzibą w Sèvres pod Paryżem przy współpracy z Międzynarodową Służbą Obrotu Ziemi (IERS). IERS dostarcza informacji o konieczności wprowadzenia sekund przestępnych, zapewniających utrzymanie przybliżonej zgodności czasu atomowego z czasem słonecznym.
Pomimo niestabilności ruchu obrotowego Ziemi skala czasu UTC jest dostosowywana do czasu astronomicznego przez wprowadzanie sekund przestępnych w taki sposób, by różnica między czasem UTC a czasem astronomicznym (UT1 – średnim czasem słonecznym) nie była większa niż 0,9 s. Sekundy przestępne wprowadza się nieregularnie i zależnie od potrzeb na koniec kwartału, przy czym preferowane są ostatni dzień grudnia lub ostatni dzień czerwca. Na ogół w jednym roku nie wprowadzano więcej niż 1 sekundę przestępną, a ostatnią sekundą przestępną była ta wprowadzona w grudniu 2016 r. Sekundy przestępne nie są ułatwieniem zarówno dla wdrażających i zarządzających, jak i używających systemów IT w dowolnej dziedzinie życia, gdyż te na ogół preferują ciągły i regularny sposób odmierzania czasu. Między innymi dlatego aktualnie na forum Komitetu Konsultacyjnego ds. Czasu i Częstotliwości działającym przy Międzynarodowym Komitecie Miar (CIPM) prowadzone są dyskusje na temat odejścia od wprowadzania sekund przestępnych. Rozważane są dwa warianty: całkowite odejście od wprowadzania sekundy przestępnej (przyjęcie metodologii rachuby czasu analogicznej np. do skali czasu GPS) – co wpłynie na powstawanie niezgodności UTC ze średnim czasem słonecznym; stosowanie poprawek zbiorczych (wtedy rzadziej wprowadzane poprawki będą określoną wielokrotnością sekundy). W obradach CCTF Polskę reprezentują przedstawiciele GUM i Centrum Badań Kosmicznych PAN.
[…]
dr inż. Maciej Gruszczyński
Starszy Metrolog, kierownik projektu e-CzasPL, specjalista ds. geodezji satelitarnej i satelitarnych technik transferu czasu.
dr Albin Czubla
kierownik Samodzielnego Laboratorium Czasu i Częstotliwości w GUM, przedstawiciel Polski w CCTF CIPM i TCTF EURAMET, fizyk.
Łukasz Czerski
Główny Metrolog, zajmuje się praktyką pomiarową i wzorcowniami przyrządów pomiarowych.