Korrekt tid och säker tidsangivning

Transkript

1 1 Håkan Nilsson, Jan Johansson, Kenneth Jaldehag Korrekt tid och säker tidsangivning SP Rapport 2005:12 Mätteknik Borås 2005

2 2 Abstract Correct time and time distribution in Sweden SP Swedish National Testing and Research Institute is a National Metrology Institute, NMI, in Sweden and became officially responsible for time, time interval and frequency in During the ten years until present time considerable resources and knowledge has been built up. A National time scale, UTC(SP), is established from a group of Caesium and Hydrogen clocks at SP but also outside SP. The clocks are linked by a national scheme of GPS Common View measurements and/or GPS carrier phase measurements. The link to the International Bureau for Weights and Measures, BIPM is established in a similar way and by a Two Way Satellite Time and Frequency Transfer station situated at SP. Correct time for Internet is considered to be essential for Swedish society and clock systems including two NTP-servers (Network Time Protocol) has been built and established at the National Exchange Nodes of Internet in Stockholm, Göteborg and Malmö. These NTP-servers and two official time servers at SP is considered as a part of the infrastructure of Internet in Sweden. Key words: Time, UTC(SP), Time transfer, GPS, NTP SP Sveriges Provnings- och SP Swedish National Testing and Forskningsinstitut Research Institute SP Rapport 2005:12 SP Report 2005:12 ISBN ISSN Borås 2005 Postal address: Box 857, SE BORÅS, Sweden Telephone: Telex: Testing S Telefax: info@sp.se

3 3 Innehållsförteckning Abstract 2 Innehållsförteckning 3 Sammanfattning 5 1 Inledning 7 2 Nationell verksamhet inom tid och frekvens före Utredning ang behovet av riksmätplats-verksamhet inom Tid och frekvens 8 3 Riksmätplatsverksamheten inom Tid och frekvens vid SP Uppbyggnad och flyttning av verksamhet De första kontakterna med STUPI, SUNET och KKS En nationell tidsskala, UTC(SP) Utveckling av primära metoder för tidsjämförelser Tid och frekvenslaboratoriet SP är en IGS-station Tidhållning för den svenska delen av Internet IT-propositionen 1999/ Dagens klocksystem för tidgivning på SP och i de nationella knutpunkterna Information, trafikutveckling och framtid Fröken Ur Sårbarhet, robusthet och uthållighet Arbetet för att öka robustheten i nuvarande infrastruktur för tid och frekvenssynkronisering Distribuerad tidsskala Tidsdistribution över optiska fibernät 23 4 Ordförklaringar 25 1 Fakta om tid och frekvens Tid och tidskalor Gruppklockor Referensoscillatorer för tidhållning Atomfrekvensnormaler Vätemasrar Cesiumnormaler Rubidiumnormaler Kvartsoscillatorer Jämförelse av data för oscillatorer Metoder för att distribuera tid och frekvens Globala Navigationssatellitsystem (GNSS) Kodmätning Bärvågsmätningar Geostationära kommunikationssatelliter Markbaserade radiosystem Markbaserade kommunikationsnätverk Network Time Protocol (NTP) Tidkoder 40

4 4 Förord PTS, Post och Telestyrelsen, har i sitt regleringsbrev för 2005 fått i uppdrag att redovisa genomförda insatser för en ökad användning av korrekt och säker tidsangivning över Internet och andra elektroniska kommunikationssystem. Denna rapport redovisar arbetet med att bygga upp en riksmätplats för tid och frekvens vid SP Sveriges Provnings och Forskningsinstitut, ett arbete som började 1995 då SP genom ett regeringsbeslut tog över detta ansvar från dåvarande Telia Research. Sett i ett internationellt perspektiv har SP på kort tid byggt upp en internationellt framstående verksamhet inom området tid och frekvens som i dag bl a tillhandahåller tid över Internet som en del av infrastrukturen för Internet. Uppbyggnaden vid SP hade inte varit möjlig utan ett nära samarbete med ett antal företag/institutioner eller personer där de mest framträdande varit: STUPI genom Peter Löthberg och SUNET genom Hans Wallberg. Den långsiktiga kompetensuppbyggnaden gjordes möjlig genom ekonomiskt stöd från Stiftelsen för Kunskaps och Kompetensutveckling, KK-stiftelsen bl a genom Anders Gillner. Under senare år har PTS i hög grad bidragit till utvecklingen av verksamheten för att stärka robustheten i tid och frekvensverksamheten, bl a genom att ge möjlighet till inköp at nya atomfrekvens-normaler och en sattelitstation för tidsjämförelser m h a geostationära satteliter. I dag stöder PTS ytterligare åtgärder för att åstadkomma ett nationellt uthålligt och robust system för tid och frekvenssynkronisering.

5 5 Sammanfattning 1995 påbörjades uppbyggnaden av en riksmätplats för tid, tidintervall och frekvens vid SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut i Borås. I en internationell jämförelse har SP under en förhållandevis kort period byggt upp en framstående verksamhet med spetskompetens inom området distribution av tid och frekvens. I samverkan med bl a STUPI, SUNET och Netnod har ett nationellt system för att tillhandahålla tid över Internet byggts upp med klocksystem och tidsservrar i de nationella knutpunkterna i Stockholm, Göteborg och Malmö samt vid SP. Att tillhandahålla tid för den svenska delen av Internet är en del av infrastrukturen och en allmän nyttighet för alla som använder Internet. De mål som ställdes upp i slutet av nittiotalet i olika utredningar och/eller propositioner inom tidhållning för Internet har till stora delar kunna uppfyllas. De nationella tidsservrarna har idag trafikutbyte med i genomsnitt över olika användare (IP-adresser) per dygn och t ex för SPs tidsservrar har ökningen i trafik under det senaste året varit ca 40 %. Efterfrågeutvecklingen kan förväntas öka i minst samma omfattning under många år framöver i takt med utvecklingen av IT-samhället och området tid och frekvenssynkronisering måste därför ges möjlighet att utvecklas ytterligare för att tillmötesgå behoven. Kompetensuppbyggnaden vid SP möjliggjordes under flera år genom FoU-stöd från framför allt KK-stiftelsen (en ändring i den övergripande strategin gör inte detta möjligt framgent). För att höja robustheten inom Nationell tid och frekvenssynkronisering har Post och Telestyrelsen under de senaste åren gett möjlighet till inköp av bl a nya atomfrekvensnormaler men också till arbete för att minska sårbarheten i metoderna för att distribuera tid och frekvens.

6 6

7 7 1 Inledning Tid och frekvens eller frekvenssynkronisering spelar en väsentlig roll i dagens samhälle. Sedan flera år tillbaka måste de flesta av våra använda system för elektronisk kommunikation vara synkroniserade i frekvens för att fungera inom ett operatörsområde, mellan operatörer och för att kommunicera utanför landets gränser. Frekvensnoggrannheten för dessa system är specificerad i olika standarder. Om noggrannheten avviker från specificerade krav kommer kvaliteten på kommunikationen att successivt försämras för att till slut upphöra helt. Beroende på hur systemet för frekvenssynkroniseringen är uppbyggt kan det handla om minuter upp till timmar innan kommunikationen försvinner. Det finns en mängd olika tekniska lösningar för att erhålla den nödvändiga frekvenssynkroniseringen allt ifrån användande av olika typer av frekvensnormaler till att hämta frekvens direkt från t ex satellitnavigationssystemet GPS. I ett växande antal tillämpningar i vårt elektroniska samhälle är det också väsentligt att känna till rätt tid. Det kan handla om dokument och handlingar inom 24- timmarsmyndigheten, elektroniska banktransaktioner, e-handelsplatser samt allmänna kommunikationer som att bussar, tåg och flyg går i rätt tid. Det kan också handla om tidsloggar för larmsystem, olyckshändelser och kriminella dataintrång. Noggrannhetsbehoven för dessa olika områden är inte entydigt bestämda men torde handla om typiskt 10 till 100 millisekunder men förmodligen inte mer än någon minut. Tillämpningar inom områden som t ex blåljuskommunikation (RAKEL), digital TV och luftfart (VDL mode 4) har mycket höga krav på både frekvenssynkronisering och fas (kan ses som tid) för att fungera. Gemensamt för många av dessa system är de hämtar frekvens och/eller tid direkt eller indirekt från GPS och inte sällan är brukarna omedvetna om att eller hur beroendet av frekvenssynkronisering och/eller tid ser ut. De olika användarna eller operatörerna har också ofta egna autonoma system för frekvenssynkronisering och tid. Sammantaget innebär detta att i flera tillämpningar är robustheten och uthålligheten i använda system dåligt känd. Delvis mot denna bakgrund och inom området tid, föreslog IT-propositionen 1999/2000 etableringen av en nationell infrastruktur för att tillhandahålla säker och korrekt tid för den svenska delen av Internet. Tiden som i dag tillhandahålls från publika tidsservrar vid SP och de nationella knutpunkterna för Internet, som drivs av Netnod Internet Exchange i Sverige AB, är en allmän nyttighet och är direkt spårbar till den svenska tidsskalan UTC(SP). 2 Nationell verksamhet inom tid och frekvens före 1995 I början av sjuttiotalet genomfördes en IVA-utredning som ledde till det formella bildandet av en svensk mätplatsorganisation Mätplatsorganisationens uppgift var att tillhandhålla spårbara mätningar i Sverige och sett i dagens ljus kan man konstatera att Sverige skapade en nationell ordning för spårbara mätningar långt före dagens formella krav

8 8 på spårbarhet som är grundläggande kravelement i standarder som ISO 9000 eller SS-EN ISO/IEC Mätplatsorganisationen byggdes upp av två typer av mätplatser Riksmätplatser och Auktoriserade mätplatser där de förra skulle vara statliga institutioner och ansvara för mätningar på den högsta noggrannhetsnivån i landet inom ett utpekat ansvarsområde. En bärande tanke bakom IVA-utredningen var att den ekonomiskt och kompetensmässigt mest fördelaktiga lösningen skulle vara att utnyttja befintliga resurser i mätteknik/metrologi vilket innebar att flera olika riksmätplatser pekades ut, dock bara en för en och samma storhet eller område. För det elektromagnetiska storhetsområdet blev SP eller dåvarande Statens Provningsanstalt riksmätplats för elektriska storheter, DC och LF och FOA, Försvarets Forskningsanstalt riksmätplats för elektriska mikrovågsstorheter samt också tid och frekvens. I slutet av sjuttiotalet utlokaliserades ett antal myndigheter från Stockholm och FOA3 där riksmätplatsverksamheten för tid och frekvens fanns flyttades till Linköping. Ur FoUsynvinkel var tid och frekvensverksamheten vid FOA offensiv och ett av projekten var bl a att utveckla ett eget cesiumatomur. För riksmätplatsen kom utlokaliseringen i praktiken innebära att verksamheten upphörde då ingen av de berörda personerna var beredd att flytta från Stockholm. För området tid och frekvens blev lösningen att Telia tog över berörd utrustning från FOA och samtidigt knöts två tidigare FOA-anställda som arbetat med tid och frekvens till Telia. Att flytta tid och frekvensverksamheten till Telia var inte helt onaturligt för under flera år hade Sverige en rikstäckande normalfrekvenssändare på långvåg, 191 khz vars sändare fanns i Motala. Telia fortsatte med att driva Motalasändaren fram till och med november Under flera år drev också Telia en normalfrekvenssändare på 150 MHz, SAJ, lokalt över Stockholmsområdet och denna tjänst upphörde FoU-verksamheten vid Telia inom tid och frekvens drevs i huvudsak inom två områden, att distribuera tid över modem m h a så kallad europeisk tidkod och man prövade att utnyttja färgbärvågen för TV i olika tid och frekvenssammanhang. 2.1 Utredning ang behovet av riksmätplatsverksamhet inom Tid och frekvens I början av nittiotalet framfördes krav på ökade statsanslag från Telia för att driva riksmätplatsen vidare. Telias ledning hävdade att riksmätplatsen inte kunde ses som kärnverksamhet längre och att man därmed inte såg någon möjlighet att finansiera verksamheten med egna medel, vare sig löner eller investeringar. Under något år höjdes anslaget till Telia något med avsikten att man under ordnade former skulle kunna utreda behovet av en riksmätplats för tid och frekvens i Sverige. Området tid och frekvens är unikt så till vida att man med enkla medel och till en ringa kostnad kan erhålla tid och frekvens m h a satellitnavigationssystem (GNSS, Global Navigation Satellite System). Det amerikanska systemet GPS ger t ex en noggrannhet som är tillräcklig för de allra flesta tillämpningar. SWEDAC, Styrelsen för ackreditering och teknisk kontroll genomförde 1993 en utredning där det inte var helt självklart att vi överhuvudtaget skulle ha någon riksmätplats för tid och frekvens i Sverige beroende på just tillgängligheten och enkelheten hos GPS.

9 9 Från den ackrediterade mätplatsen vid Ericsson påpekades behovet av långsiktig kompetens, att enkelheten i GPS kunde ses som en risk och att behovsbilden i framtiden kanske skulle innebära krav på alternativ till GNSS. SWEDAC förde fram tänkbara värdinstitutioner som FFV Aerotech och SP, Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, men också Onsala rymdobservatorium vid Chalmers. Valet föll på SP och motiverades bl a av egna behov för att realisera längdenheten respektive spänningsenheten. För längd, ljushastigheten i vakuum och mätning av tidintervall. För elektrisk spänning Josephsonkonstanten (Plancks konstant och elektronens laddning) samt frekvens. I november 1994 fanns en ny författning framme som föreslog SP som riksmätplats för tid, tidintervall och frekvens från och med 1 juni Riksmätplatsverksamheten inom Tid och frekvens vid SP 3.1 Uppbyggnad och flyttning av verksamhet I slutet av 1994 påbörjades arbetet med att bygga upp riksmätplatsen för tid och frekvens vid SP. Ett ca 100 m 2 stort laboratorium iordningsställdes genom att flytta annan verksamhet. Den befintliga temperaturregleringen anpassades till de nya förhållanden som skulle gälla och elmatningen gjordes om så att all kraft kom från SPs prioriterade kraft, uppbackad med en dieseldriven generator. Beroende på att reservkraften saknade elackumulatorer för avbrottsfri kraft försågs vissa särskilt känsliga uttagspunkter med små UPSenheter (Uninterruptible Power Supply). Redan från början stod det klart att om SP skulle få möjlighet att bygga upp riksmätplatsen för tid och frekvens så skulle det primära FoU-området bli tidsdistribution eller tidsjämförelser och inledningsvis då m h a satellit. Detta val föll sig naturligt genom närheten till Onsala rymdobservatorium vid Chalmers som sedan flera år hade en framstående verksamhet inom GPS och positionering, Den Internationella Byrån för Mått och Vikt (BIPM) som koordinerar det internationella arbetet med att skapa tidsskalor som TAI och UTC (se bilaga 1 eller avsnitt 4) har riktlinjer för tidlaboratorier som önskar delta i det internationella samarbetet bl a krävs en GPSstation för så kallade Common View mätningar. Strax utanför tid och frekvenslaboratoriet går urberget i dagen och i samråd med Onsala rymdobservatorium kunde SP bygga upp en SWEPOS-station. Då SWEPOS-stationen var tänkt att ingå i ett nationellt nätverk för position som drivs av Lantmäteriet gjorde dessa en del undersökningar av den tänkta platsen för stationen innan man gav sitt godkännande. I en internationell jämförelse mellan tidlaboratorier torde SPs GPS-station vara en av de bästa. Formellt tog SP över riksmätplatsansvaret den 1 juni 1995 och två dagar före detta datum packades Telia-utrustningen in en flyttbil och kördes till Borås Ett av cesiumuren transporterades med batteriuppbackning d v s det var i drift under transporten. Flyttningen av tid från Stockholm till Borås samt ankomsten till SP uppmärksammades av nyhetsmedia både tidningar och TV.

10 10 Kostnaden för att flytta riksmätplatsen från Telia till SP, d v s kostnader för iordningställande av lokaler, inköp av utrustning samt direkt tid var ca 1,5 MSEK där den största utgiftsposten var inköp av en ny atomklocka, cesiumur för 600 ksek Kontakterna med STUPI, SUNET och KKS I början av 1995 hade tidningen Ny Teknik en artikel om en viss Peter Löthberg och dennes cesiumur inköpt för egna medel och transporterat för egen hand från dåvarande Leningrad där fabriken låg. Artikeln beskrev Peters verksamhet för att distribuera tid över Internet från labbet på Reimersholme i Stockholm med det egna atomuret som bas för att kunna distribuera tid över Internet m h a NTP, Network Time Protocol. Då uppbyggnadsarbetet med riksmätplatsen vid SP i Borås var i full gång var det naturligt att en kontakt togs med Peter med en fråga om tänkbart samarbete. Peter svarade tillbaka att han kunde tänka sig ett samarbete under vissa förutsättningar. En av förutsättningarna var att verksamhet som betalas med allmänna medel ska vara allmänt tillgänglig. Om samhället betalar för en resurs ska den vara tillgänglig för de som vill bygga vidare på den och endast behöva betala för uppkomna merkostnader. Peters grundprincip delades av SP. Vi enades om att träffas i Stockholm för närmare diskussioner. Vid detta första möte deltog bl a förutom Peter Löthberg också Hans Wallberg SUNET samt Håkan Nilsson SP. Vid mötet kunde Håkan presentera SPs planer för riksmätplatsverksamheten, Peter redogjorde för sin verksamhet och Hans redogjorde för tankarna att bygga klocksystem i de Nationella knutpunkterna för Internet. Där drogs bl a riktilnjerna upp för att bygga upp ett nationellt GPS Common View system som skulle användas för att knyta samman klockorna vid knutpunkterna med UTC(SP). De tillgängliga anslagsmedlen för att driva riksmätplatsen för tid och frekvens var inte dimensionerade för att bygga upp en verksamhet för att tillhandahålla tid över Internet. SP hade inte heller den kompetens som erfordrades t ex för att bygga tidsservrar. Kontakterna med Peter Löthberg utvecklades mycket positivt med Peter som diskussionspartner, idégivare och inspiratör. För att bygga upp egen kompetens skedde dock huvuddelen av det praktiska uppbyggnadsarbetet på egen hand. Inledande kontakter Anders Gillner vid KK-stiftelsen, Stiftelsen för Kunskaps och Kompetensutveckling var uppmuntrande och en projektbeskrivning lämnades in och accepterades, i slutet av Förutom ersättning för arbete gav också projektbeviljningen oss medel för att inhandla ytterligare ett och ett halvt cesiumur där återstoden av det halva uret kunde betalas genom särskilda s k RMP-investeringsmedel för primärnormaler. Som ett steg i utvärderingen av de system som byggdes upp inom ramen för KKS-projektet placerades ett cesiumur på STUPI i Stockholm. Finansieringen från KK-stiftelsen hade en helt avgörande betydelse för den inledande kompetensuppbyggnaden inom tid och frekvens vid SP. Projektfinansiering skedde under två projektperioder och upphörde helt första kvartalet Under 2001 inleddes diskussioner mellan SP och KK-stiftelsen om ytterligare projekt inom området men allt eftersom samtalen fortskred blev det uppenbart att en ändring i stiftelsens forskningsstrategi skulle omöjliggöra fortsatt projektfinansiering. En alternativ möjlighet som diskuterades var bildandet av en forskarskola med koppling till en regional högskola. Denna väg bedömdes av SP, åtminstone i dagsläget, innehålla alltför mycket indirekt arbete i form av etablering av forskarnätverk, samordning, administration m m.

11 En nationell tidsskala, UTC(SP) Metoden att skapa den koordinerade världstidsskalan UTC beskrivs i detalj i en bilaga men utgår från ca 230 atomklockor vid ett drygt sextiotal tidlaboratorier världen runt. UTC beräknas ur ett viktat medelvärde av alla dessa atomur där vikten baseras på varje klockas stabilitet. UTC är därmed en virtuell tidsskala, d v s det är en beräknad tid där man inte kan peka ut en klocka som UTC. De världsomspännande mätningarna för att koppla de olika atomklockorna till varandra koordineras av den Internationella Byrån för Mått och Vikt i Paris som också ombesörjer beräkningen av UTC. I efterhand (ca 30 dagar efter en mätning) får de deltagande tidlaboratorierna genom BIPM reda på hur de egna klockorna förhåller sig till UTC. I formell mening känner ingen till UTC i realtid men för att trots allt tillhandahålla tid i nutid måste tidlaboratorierna kunna prediktera sin tidskala. För att detta ska vara möjligt med tillfredsställande säkerhet förfogar varje tidlaboratorium över en grupp av atomklockor som kontinuerligt jämförs med varandra. En grupp av klockor bör alltid vara uppbyggd av minst tre, helst fyra eller fler normaler. Den nationella representationen av UTC brukar benämnas UTC(Labx) där Labx är en akronym för det berörda tidlaboratoriet. Den nationella tidsskalan i Sverige benämns följaktligen UTC(SP). Beroende på sekunddefinitionen som utgår från en energiövergång i Cesium 133 är så kallade Cesiumatomklockor de mest noggranna (sett över tidsintervaller ca 1 dygn och längre). Cesiumatomklockor har tyvärr egenskapen att Cesiumatomerna är förbrukade efter ett antal års användning (typiskt 6 till 10 år). Detta visar sig bl a genom försämrad stabilitet och den enda åtgärden som kan vidtas är att antingen byta ut Cesiumröret eller köpa en ny klocka. För att en grupp ska vara långsiktigt uthållig strävar man i regel mot att sprida ut klockorna i ålder, normalt två till tre år. Den första uppgiften för SP blev att bygga upp en grupp at Cesiumur med en nyinköpt High performance klocka som bas kompletterad med de cesiumklockor som togs över från Telia. Efter en tid visade det sig att Teliaklockorna inte hade tillfredsställande stabilitet och bl a med stöd från KK Stiftelsen införskaffades ytterligare en High performance klocka. Något år därefter införskaffades ännu en cesiumatomklocka och under 2005 kommer gruppen av tre cesiumklockor att kompletteras med en fjärde cesiumnormal (under tiden fram till idag har Cesium-rörbyten genomförts på två klockor). En väsentlig del i riksmätplatsens arbete är att utveckla metoder för att distribuera eller jämföra tid/frekvens och för att utvärdera framtagna metoder krävs stabila atomklockor på flera ställen. Tid laboratorierna på Onsala rymdobservatorium, STUPI och SP är i detta avseende lämpliga platser med både lämpliga lokaler, utrustning samt kunnande/kompetens. Som tidigare nämnts är Cesiumatomur den mest stabila klockan för tidintervaller typisk ett dygn eller mer vilket är en följd av den nuvarande definitionen av 1 sekund. För att lösa upp en tidskala i kortare intervaller med eftersträvad noggrannhet räcker inte Cesiumuren till och som interpolationsinstrument kan man då använda s k Väteatomur. För att ge förbättrade möjligheter till utvärdering av framtagna metoder men också för att möta morgondagens behov inom tid och frekvenssynkronisering beviljade PTS medel 2002 för infrastrukturen för tid och frekvenssynkronisering i Sverige som ett led i PTS arbete med att öka robustheten i de elektroniska kommunikationsnäten. PTS bidrog till införskaffandet av två väteatomur och ca ett år efter beställning kunde den första väteatomklockan tas i drift på SP (PTS-projektet berörde också en TWSTFT-station och upp-

12 12 rustning av elkraftförsörjningen i SPs tid och frekvenslaboratorium men dessa delar beskrivs i särskilda avsnitt i det följande. Väteatomuren har inte samma begränsningar när det gäller livslängd som Cesiumuren men de är avsevärt mycket dyrare och dessutom mer skrymmande. Kostnaden för ett Cesiumatomur har varierat under åren beroende bl a på svängningar i dollarkursen men är typiskt 400 ksek och kostnaden för att byta ett cesiumrör är ca 60 % av nypriset. Kostnaden för ett väteatomur varierar beroende på fabrikat men är ca 2,5 MSEK. 3.3 Utveckling av primära metoder för tidsjämförelser GPS (och annan GNSS, Globala Navigationssatellitsystem) används idag för i stort sett all distribution och jämförelse av tid och frekvens. Konventionell GPS-användning, för både navigering och synkronisering av tid, förlitar sig på digital kod som sänds ut från satelliterna. För att förbättra noggrannheten tillgrips differentiella metoder s k DGPS för positionering eller CV-GPS (Common-View GPS) för tidsjämförelser. Noggrannheten ligger i dessa fall på meter- respektive nanosekundnivå. Redan när riksmätplatsen för tid och frekvens flyttades till SP 1995 fanns planer att göra en större satsning på forskning inom primära metoder för distribution och jämförelser av tid. I samarbete med starka forskningsmiljöer vid Chalmers, Onsala rymdobservatorium och Lantmäteriverket och även andra nationella tidlaboratorier påbörjades arbete med förbättringar av mätmetoder för tidsjämförelser med GPS. Tekniken med Common- View (CV) var etablerad men behövde förbättras. Speciellt kunde SP bidra med kunskap om vissa av de felkällor som finns vid användning av GPS. Exempel på viktiga felkällor där SP har kunnat bidra med unik kunskap är signalfördröjning som orsakas av jordens atmosfär och flervägsutbredning (reflektioner m m) runt GPS-antennen. Dessutom påbörjade SP tidigt utveckling av konceptet All-in-view observationer där samtliga satelliter som finns över horisonten vid varje epok används i Common-View mätningar. Den tidiga CV-tekniken hade använt sig av en GPS-satellit åt gången. Med All-in-View tekniken ökar i huvudsak redundansen och säkerheten i mätningarna och noggrannheten förbättras något, men fortfarande ligger den på nanosekundnivå. Noggrannheter på nanosekundnivå är inte tillräckligt bra för tid och frekvensjämförelser på högsta nivå. GPS har dock en betydligt större potential i jämförelser av tid och frekvens än vad som normalt utnyttjas idag. Fasmätningar på de två bärvågor som sänds ut av GPS-satelliterna kan ytterligare förbättra noggrannheten. Tekniken bygger på att två eller flera platser observerar flera (> 5) satelliter simulant. Med hjälp av sofistikerad mjukvara kan den relativa positionsnoggrannheten nå millimeternivå. Om samma teknik utnyttjas för tidsjämförelser kan man nå en relativ noggrannhet på 100 pikosekunder eller bättre. Därmed är bärvågsmätningar den mest noggranna tekniken för distribution av tid. Tekniken är relativt robust och välkänd men bygger i allmänhet på efterbearbetning av GPS-data. SP driver sedan 2003 ett projekt där man utvecklar teknik och mjukvara för att möjliggöra realtidsmätningar baserade GPS-bärvåg. Avsikten är att i första hand etablera bärvågsmätningar mellan de svenska tidlabben som ingår i den svenska infrastrukturen för noggrann tidhållning. De tidslaboratorium som i dagsläget ingår är laboratorierna hos SP, STUPI, FMV och Onsala rymdobservatorium.

13 13 Blå realtid Röd ej realtid. Figur Tidsjämföresle m h a bärvågsmätningar mellan SP och Onsala rymdobservatorium. Skillnaden mellan realtidsmätningar och mätningar som bearbetats i efterhand är i dagsläget bättre än 50 ps. Projektet är framstående och SP har även förfrågningar från nationella tidlab i andra länder. All mjukvara kan med viss modifikation även användas för GLONASS (den ryska motsvarigheten till GPS) och framtida europeiska Galileo. Kontinuerlig realtidsmonitorering av atomklockor med det egenutvecklade systemet börjar nu kunna tas i drift för tidlaboratorierna ovan. Europiska Unionen utvecklar ett eget GNSS, Galileo, i samarbete med European Space Agency (ESA). Galileo kommer att bli ett globalt satellitbaserat system helt under civil kontroll. Det kommer att bestå av 27 satelliter eller fler, marksegment och regionala stöttningssystem. Enligt gällande plan skall Galileo vara operationellt senast 2009 med de första sändningarna cirka Galileo och GPS kommer att bli interoperativa och kompatibla. Det betyder att signaler från båda systemen skall kunna tas emot av samma mottagare. Eventuella skillnader i såväl tids- som positionsreferenssystemen mellan GPS och Galileo måste då vara väl kända. Således kommer markstationssegment och satelliterna ha information om inbördes skillnader mellan satellitsystemen och dessutom deras knytning till UTC. Denna information sänds vidare med satellitsignalen till eventuella användare. SP har under senare år medverkat i flera EU- och ESA-finansierade utvecklingsprojekt för Galileo. Speciellt har SPs bidrag i projekten varit att tillföra kompetens om de felkällor som är gemensamma för alla GNSS samt utveckla metoder för att motverka, eliminera eller minimera effekterna av dessa felkällor. SP är också involverat i projekt om det bakomliggande tidreferenssystemet för Galileo. Tid och frekvens kan som framgår av ovan erhållas med hjälp av olika typer av GNSS (idag GPS och Glonass och om några år även Galielo). I sin enklaste form, ren tidmottagning är GNSS tillräckligt för de allra flesta tillämpningar och dessutom är denna metod mycket billig, i regel mindre än 10 ksek. Enkelheten och det ringa priset är en fara i sig då systemkonstruktörer oftast helt förbiser tid/frekvenssystemens sårbarhet mot störningar. Genom att utveckla jämförelsemetoderna på det sätt som beskrivits ovan kan sårbarheten minskas men den kan inte elimineras helt. Med den teknik GPS använder sig av idag finns stora möjligheter att lokalt störa ut signalerna genom att sända ut GPS-liknande signaler med annan information. Ännu enklare är att sända ut radiosignaler med hög effekt på det relativt smala frekvensband som utnyttjas

14 14 av GPS. Även andra GNSS som t ex GLONASS och Galileo lider av liknande störningskänslighet. Genom den pågående moderniseringen av GPS, av GLONASS samt nyetablering av Galileo är förhoppning att detta problem skall minska något eftersom satellitsignalerna både blir starkare och bättre kodade. För att eliminera beroendet av GNNS på nationell nivå kunde SP med stöd från PTS, Post och Telestyrelsen, under 2002 påbörja upphandlingen av en station för tid- och frekvensjämförelser via geostationära satelliter. Tvåvägsöverföring av tid via geostationära satelliter (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer TWSTFT) är för tillfället den mest noggranna metoden som är i operationell drift för tidsjämförelser mellan geografiskt avlägsna ställen. Den höga noggrannheten uppnås på grund av att tvåvägsöverföringen till stor del eliminerar behovet av kännedom om signalernas fördröjning och satellitens position. Den stora bandbredden, som är tillgänglig, gör också att en effektiv modulering av signalen kan användas. De enda nackdelarna med metoden är att den kräver egen transpondertid hos använda satelliter, i dag INTELSAT och att utrustningen är dyr, ca 1 MSEK. Med externt forskningsstöd från bl a KK Stiftelsen samt för utrustning PTS kunde SP under 2003 etablera en TWSTFT-verksamhet som i dag även verkar på den internationella arenan. Grunden är därmed lagd för att SP skall kunna distribuera den nationella tidsskalan med ökad säkerhet och bättre spårbarhet. Grunden är också lagd för fortsatt kompetensutveckling och forskning inom området och aktivt deltagande i det internationella arbetet. I ett krisläge där all elektronisk kommunikation är störd återstår endast metoden att transportera klockor fysiskt från ett ställe till ett annat. Att transportera klockor med tillräcklig noggrannhet under kontrollerbara förhållanden är inte enkelt. Det handlar dels om att välja oscillatorer med hög korttids- och hög långtidsstabilitet men också att använd utrustning måste vara spänningsförsörjd under hela transporten. Kombinationen hög korttids- och långtidsstabilitet är mycket svår att realisera fysiskt och för att utvärdera olika typer av klockor och deras stabilitet under transport har en serie unika försök gjorts, först på SP och i omgivningarna runt Borås och sedan mellan Borås och Stockholm, STUPI. Det unika i försöket är att under transporten genomföra bärvågsmätningar för att därigenom kartlägga korttidsstabiliteter. I figuren nedan redovisas resultatet av en transport som gjordes från och tillbaka till SP tidlabb. Mätresultaten från klocktransporten till STUPI är inte utvärderad.

15 15 Figur Tidsjämförelse genom transport av klocka med kontinuerlig bärvågsmätning för att kontrollera stabiliteten. De första försöken visar en överensstämmelse som är bättre än 1 ns. 3.4 Tid och frekvenslaboratoriet Med stöd från PTS genomfördes under 2002 ett antal åtgärder för att öka robustheten i SPs tid och frekvensverksamhet. En robust infrastruktur för tid och frekvenssynkronisering i Sverige är en viktig funktion inom elektronisk kommunikation och åtgärderna är en del av PTS arbete att öka robustheten i de elektroniska kommunikationsnäten. För tid och frekvenslaboratoriet kunde förbättringar genomföras inom områdena avbrottsfri elkraft samt klimatstabilisering. 3.5 SP är en IGS-station Navigation och positionering m h a GNSS bygger på noggrann tidsbestämning. SPs framstående tid och frekvensverksamhet i kombination med det nära samarbetet med Onsala rymdobservatorium, med forskning inom bl a geofysik och som byggt upp det svenska positionsnätverket SWEPOS, har för SP indirekt också fört med sig en kompetensuppbyggnad även inom satellitnavigation på cm- och mm-nivå. För många applikationer nu och framtid förväntas GNSS ge precision på centimeter eller millimeternivå. Noggrannheten som medges i realtid från GPS och GLONASS är för dålig i dessa tillämpningar. En viktig felkälla är den relativt låga noggrannhet på ban- och klockparametrarna som skickas ut av GPS-satelliterna. Satelliternas position och klocka beräknas av amerikanska myndigheter som därmed också kontrollerar den noggrannhetsnivå som sedan görs tillgänglig i realtid för vanliga användare. Idag är noggrannhetsnivå på satelliternas positioner ca 3-5 meter medan man för många tillämpningar snarare kräver 3-5 centimeter. International GPS Service, IGS, bildas 1994 för att på helt frivillig basis etablera ett civilt spårstationsnät för GPS och sedan även GLONASS och Galileo. Tanken är att data från detta nätverk av GPS-stationer ska kunna användas för att förbättra noggrannheten i banoch klockparametrar. IGS består av ett världsomspännande nätverk av kontinuerligt operationella GPS-stationer. Från början, 1994, fanns endast ett 20-tal stationer lokaliserade i huvudsak i Europa och i Nordamerika. I dagsläget består nätverket av ungefär 400 stationer som levererar data till flera stora dataarkiv. Data från dessa arkiv är fritt tillgängiga över Internet för alla användare. Inom IGS organisation finns också ett 10-tal analyscentra d v s organisationer som hämtar data från alla GPS-stationer och med hjälp av dessa bestämmer noggranna banparameterar och klockparametrar för satelliterna. Efterhand har den service som IGS ger utökas till att omfatta övervakning av markstationernas koordinater för studier av geodynamik samt atmosfärsforskning. IGS används dessutom för jämförelser av tid och frekvens på pikosekundnivå genom utnyttja tekniken som vi tidigare beskrivit som bärvågs-gps. Det betyder att flera av de nationella tidlabben anslutit sig till IGS och etablerat fasta IGS-referensstationer. Eftersom stationen vid SP både bidrar till realisering av referenssystem för tid och för koordinater har data från stationen även efterfrågats internationellt. Från november 2000

16 16 bidrar stationen med data till det världsomspännande nätverket av GPS/GLONASSstationer, IGS. Det betyder att SPs GPS/GLONASS-mottagare med tillhörande koppling till UTC(SP) kontinuerligt jämförs med liknande installationer internationellt. 3.6 Tidhållning för den svenska delen av Internet De svenska riksmätplatserna kännetecknas av verksamheter som i en internationell jämförelse har nära koppling till samhällsbehoven. Tid och frekvens är inget undantag utan vid sidan om arbetet med att säkerställa den nationella tidsskalan och utveckla primära metoder för tidsjämförelser var det redan från början naturligt att etablera tjänster som samhälle och näringsliv har direkt nytta av. Det första steget blev att bygga upp en tjänst som tillhandahöll tid över telefonmodem och som är i drift fortfarande. Tid över modem är ett bra alternativ för de brukare som inte har tillgång till Internet. Nästa steg blev att utveckla en tjänst för att tillhandahålla tid över Internet med hjälp av Network Time Protocol, NTP. NTP finns tillgängligt, ofta som freeware för de flesta programvaruplattformar. Runt om i världen finns ett stort antal så kallade tidsservrar som tillhandahåller tid och från vilken server tid hämtas är avhängigt av hur en klientdator konfigureras IT-propositionen 1999/2000 I Statskontorets utredning Svenska delen av Internet - Struktur, säkerhet och regler (1997:18) var ett av förslagen att nationell tid via protokollet NTP var en gemensam nätresurs som staten borde ta initiativ till att tillhandahålla. Frågan togs upp igen i Statskontorets utredning Sammanhållen strategi för samhällets IT-säkerhet (1998:18). I den s.k. IT-propositionen (1999/2000:86, Ett informationssamhälle för alla) angav regeringen vidare att dess insatser syftade till bättre generella förutsättningar för informationssäkerhetsarbetet. Insatserna beskrivs närmare i propositionens avsnitt, Tillit till IT. För den närmaste framtiden valde regeringen att prioritera tre områden: skydd mot informationsoperationer, ett säkrare Internet samt elektroniska signaturer och annan säkerhetsteknik. Bland de åtgärder som föreslogs kan särskilt nämnas: Att främja att den svenska delen av Internet skall kunna drivas oberoende av funktioner utomlands. Att tillhandahålla en säker och korrekt nationell tidsangivelse för Internet via riksmätplatsen för tid och frekvens. Riksdagen beslutade i enlighet med propositionen och regeringen angav i samband med budgetpropositionen för 1999 att tidhållning på Internet långsiktigt bör tillhandahållas med spårbarhet från riksmätplatsen för tid och frekvens vid AB Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut (SP) i Borås.

17 Dagens klocksystem för tidgivning på SP och i de nationella knutpunkterna I slutet av 1997, med externt stöd från KK Stiftelsen, startade arbetet med att bygga upp kompetens och resurser för att tillhandahålla tid över Internet med det övergripande målet att tidstjänsterna skulle vara en del av Internets infrastruktur och kunna ses som en allmän nyttighet. Då kvaliteten hos de olika tidsservrarna världen runt, t ex deras spårbarhet till UTC och deras uthållighet vid störningar, inte alltid är känd fanns ett behov att bygga upp ett autonomt nationellt system för tidhållning. Förutom att ge tid som är spårbar till den nationella svenska tidsskalan, UTC(SP), skulle systemet kunna ge lokal tid om Internet skulle bli segmenterat och dessutom ge tid med tillräcklig noggrannhet om den direkta kontakten med tidlaboratoriet i Borås skulle vara störd under en tidsrymd upp till en månad. Arbetet finansierades till en början genom KK-stiftelsen och ledde till en kunskapsuppbyggnad samt också en uppbyggnad av infrastrukturen för tidhållning över Internet i Sverige. Med två tidsservrar i tidlaboratoratoriet på SP samt dessutom klocksystem med två tidsservrar i vardera av de nationella knutpunkterna för Internet, i Stockholm, Malmö och Göteborg (det första klocksystemet togs i drift i Göteborg under år 2000) har vi i dag ett fungerande system för korrekt tid över Internet. Förutom dessa publika tidsservrar tillhandahåller även andra tidslaboratorier ett antal tidsservrar, bl a vid STUPI i Stockholm. NTP-servrarna utvecklades tillsammans med framför allt STUPI AB och Everyware Mikrodata AB, Hans Nästén och finns beskrivna i ett flertal dokument. Servrarna synkroniseras till externa referensklockor med hjälp av ett specialtillverkat PC ISA-kort och är en länk mellan NTP och de externa klockorna. På SP används UTC(SP) som extern klocka. På knutpunkterna, där UTC(SP) inte är tillgängligt i realtid, används istället atomklockor av typ rubidium som referensklockor. Fyra rubidiumklockor jämförs kontinuerligt mot UTC(SP) genom GPS Common-View mätningar(all-in-view). Genom att använda denna teknik utnyttjas GPS för tidsjämförelser men vi hämtar inte tid från GPS. Tekniken som inte är ensidigt beroende av GPS-tid används internationellt för att knyta samman nationella tidslaboratorier världen runt men har här byggts upp i ett nationellt system. Genom att bilda tid från en lokal grupp med fyra oscillatorer kan tiden predikteras om t ex den direkta kontakten med UTC(SP) störs.

18 18 Figur Schematisk skiss över klocksystemen med tillhörande servrar vid de nationella knutpunkterna. Klocksystem i de nationella knutpunkterna levererades till Netnod Internet Exchange i Sverige AB som är formell ägare av systemen och som idag också ansvarar för den operativa driften. SPs arbete består i att kontrollera och styra servrarna så att dessa är spårbara till den nationella tidsskalan. För att kunna följa upp tidsservrarnas driftstabilitet har SP satt upp en särskild hemsida där man i efterhand kan verifiera spårbarhet och stabiliteter både i ett kort och i ett långt perspektiv (dagar, månader resp år). I flera sammanhang kan det vara väsentligt att ha möjlighet att kunna gå in i tidsloggar för att knyta en händelse till rätt tid och här fyller monitoreringen av driftdata en särskilt viktig roll. På SPs hemsida, finns information och dokumentation om tidsservrarna, monitoreringen av driftdata m m. På hemsidan finns också programvara (freeware) för nedladdning som kan användas för att hämta tid till en vanlig Windows-dator. Det svenska nationella systemet för att tillhandahålla spårbar och robust tid över Internet som en allmän nyttighet är unikt i världen och har rönt stor uppmärksamhet vid många internationella konferenser där det presenterats.

19 Information, trafikutveckling och framtid För olika datortillämpningar, som elektroniska affärer och hanteringen av elektroniska signaturer, krävs ofta tillgång till korrekt tid. I många tillämpningar är det av stor vikt att alla inblandade system har en samfälld uppfattning om hur mycket klockan är. I annat fall kan ett informationsutbyte gå fel, avbrytas eller inte tas om hand på ett korrekt sätt. Detta gäller t ex vid tidsstämpling av olika typer information, från skrivdatum i filer till elektroniska signaturer, krypteringsnycklar och poster i loggdatabaser för uppföljning. Runt om i världen finns ett stort antal tidsservrar men att på förhand veta tidssignalens kvalitet och noggrannhet har ett stort värde i säkerhetshänseende. Internetoperatörerns tillgång till en säker och internationellt spårbar tidhållning i landet med mycket hög och dokumenterad kvalitet är i dag en allmän nyttighet som är tillgänglig för alla användare av Internet. Från vilken eller vilka tidsservrar en klientdator hämtar sin tid beror på hur klienten är konfigurerad. En del datorer eller operativsystem har förprogrammerade adresser till NTP-servrar, ofta i USA och det krävs en aktiv handling, som inte alltid är så lätt, för att ändra adressen till en annan tidsserver. Att hämta tid från en känd tidsserver och konfigurering i övrigt kräver kunskap. SPs hemsida har fått många positiva omdömen och här hänvisas också till den internationella samlingssidan Sammantaget ger dessa båda hemsidor med sina respektive länkar en bra information om tid, frekvens och NTP, konfigurering m m. För information till en bredare användarkrets har SP också medverkat flera artiklar i tidningar som Computer Sweden, Nätverk och Kommunikation, Elektronik i Norden samt också SPs egen tidskrift Provning och Forskning. Till detta kommer ett stort antal presentationer vid internationella och nationella konferenser och seminarier. I november 2004 togs ytterligare ett initiativ där PTS och SP gemensamt bjöd in till ett tvådagarsseminarium om Robust tid och frekvenssynkronisering. En följd av seminariet är att en central arbetsgrupp bildats som följer upp ämnesområdet framgent (bl a planerar arbetsgruppen för ett nytt seminarium i december Det svenska systemet med säkra och uthålliga tidsservrar som en del av Internets infrastruktur är en viktig resurs för det framväxande IT-samhället. Information är och kommer alltid att vara viktig och där har t ex SP och Netnod en viktig roll att fylla. För att utnyttja den allmänna resursen inom säker och uthållig tid i än större utsträckning bör statsmakterna överväga om inte t ex myndigheter med tidskritiska applikationer eller tillämpningar bör anmodas att hämta tid från någon av de säkra publika tidsservrarna vid SP och/eller i de nationella knutpunkterna för Internet Det sammanlagda antalet NTP-paket som sänds/tas emot under en timma för tidsservrarna i Stockholm, Göteborg, Malmö samt SP/Borås är i genomsnitt 2,2 miljoner. Beroende på applikation/programvara innehåller en tidsfråga från en klient/server normalt två NTP-paket eller fler. Trafikfördelningen mellan NTP-servrarna i Stockholm, Göteborg, Malmö och SP/Borås är 50%, 10 %, 10 % respektive 30 %. Ökningen i trafik under det senaste året för SPs båda servar har varit drygt 40 %.

20 20 Per dygn har tidsservrarna trafikutbyte med ca IP-adresser. En IP-adress i detta sammanhang kan vara allt från en enskild klientdator till ett lokalt nätverk, t ex ett företag eller organisation, där enskilda datorer delar på samma externa ip-adresser. Någon detaljerad analys av användarna bakom alla IP-adresser har inte genomförts. Samma gäller också analys av typ av klient/server om denne är en slutanvändare av tid eller en egen tidsserver, stratum 2, 3,,,, som i sin tur ger tid till andra användare. Trafikutbytet fördelat på domännamn under ett dygn förra året för en av SPs NTP-servrar visar att [.se] är den enskilt största användaren men att det också förekommer trafik till ett stort antal andra domännamn utanför Sverige. NTP packets 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% se unknown net com lt ca de fi ru jp at no dk pl nl Figur Graf som visar trafikutbytet per domännamn för tidsserver ntp1 vid SP. Klocksystemen i de nationella knutpunkterna och vid SP har varit i drift i snart fem år där den första tidsservern, i Göteborg, togs i drift i november Därefter byggdes tidsservrarna i Stockholm och Malmö upp. Driftsäkerheten har varit utomordentligt god och detta gäller också utvecklingen när det gäller antalet användare. För ett datorsystem är fem år en förhållandevis hög ålder och diskussionen pågår nu mellan Netnod, Internet Exchange, STUPI och SP om nästa generation klocksystem. Framtagning av ett nytt klocksystem understryks också av att i de nuvarande systemen finns ett specialtillverkat PC-kort för ISA-bussen. Teknikutvecklingen har fört med sig att det börjar bli svårt att köpa datorer med denna kommunikationsbuss. Förutom ny teknik planeras också för nya funktioner som att erbjuda t ex certifierad/autentiserad tid 3.7 Fröken Ur Att tillhandahålla en talad tidsinformation, Fröken Ur, var under många år det enda sättet att distribuera tid till en bredare allmänhet i Sverige. I dag har tjänsten Fröken Ur mist mycket av sin betydelse beroende på att det numer finns ett antal alternativa metoder för att tillhandahålla tid som är både lättillgängliga och billiga eller gratis. Sedan 1968 hade Telia haft en Fröken Ur-maskin i drift i Stockholm men i samband med att man sålde fastigheten blev det aktuellt att bygga upp en ny Fröken Ur. Frågan gick till SP och den 8

21 21 mars, 2000 fick Fröken Ur en ny röst samtidigt som hon flyttade till tid- och frekvenslaboratoriet vid SP. Nya Fröken Ur är datorbaserad till skillnad från den gamla. För att Fröken Ur-systemet skall fungera krävs en hel kedja av komponenter. Denna kedja är dubblerad för att säkerställa driftssäkerheten. Överenskommelsen är att SP har ansvaret för Fröken Ur fritt tidoch frekvenslaboratoriet och där systemet är SPs egendom utom själva röstinspelningen. Telia ansvarar för distributionen från laboratoriet till användaren som först går upp till Stockholm, där man utnyttjar spridningsnätet för Fröken Ur. Figur 3.7 Principskiss över Fröken Ur-systemet vid SP Noggrannheten hos den tid som Fröken Ur levererar ligger vid normala driftförhållanden gott och väl inom 100 millisekunder när tiden lämnar SP. På grund av fördröjningar i telenätet och beroende på varifrån i landet man ringer, kan noggrannheten dock variera något. För att delvis kompensera för denna fördröjningen distribuerar vi talet (tiden) ca 20 millisekunder innan tiden börjar gälla. Tidpunkten gäller vid framkanten av tonsignalen hos Fröken Ur. 3.8 Sårbarhet, robusthet och uthållighet Som nämnts tidigare utnyttjas GPS i dag i ett mycket stort antal tillämpningar, mycket tack vare sin enkelhet och ofta låga kostnad. I enkla GPS-baserade tid och frekvensynkroniseringssystem är beroendet totalt och det kan handla om minuter eller timmar innan en kommunikation bryts om någon form av störning skulle ske. I många tillämpningar ingår GPS dessutom i systemuppbyggnaden så att användarna inte ens är medvetna om beroendet av GPS. GPS kontrolleras idag av amerikanska myndigheter där militära intressen och nationell säkerhet har hög prioritet. Även om USA genom lagar och officiella deklarationer tydligt gjort gällande att GPS kommer att vara tillgängligt för alla under lång tid framöver (minst till 2020) så finns givetvis ändå möjligheten att systemet degraderas eller helt stängs av t ex i orostider. Med den teknik GPS använder sig av idag finns stora möjligheter att lokalt störa ut signalerna på olika sätt genom att sända ut GPS-liknande signaler med annan information. Ännu enklare är att sända ut radiosignaler med hög effekt på det relativt smala frekvensband som utnyttjas av GPS. Även andra GNSS som t ex GLONASS och Galileo lider av

22 22 liknande störningskänslighet. Genom den pågående moderniseringen av GPS av GLONASS samt nyetablering av Galileo är förhoppning att detta problem skall minska något eftersom satellitsignalerna både blir starkare och bättre kodade. Sammantaget för alla radiofrekventa system är dock att de kan störas ut Arbetet för att öka robustheten i nuvarande infrastruktur för tid och frekvenssynkronisering Den nationella tidsskalan UTC(SP) etableras med utgångspunkt från atomklockor i SPs tid och frekvenslaboratorium. Under senare år ingår också atomklockor vid bl a STUPI, Onsala rymdobservatorium och FMV i rapportering av klockdata till BIPM. Att inkludera fler klockor än SPs egna möjliggörs genom GPS, Common View och bärvågsmätningar som relaterar de olika klockorna till varandra. Alla mätvärden och beräkningar hanteras i dag av SP. Metoden visar dock att det är fullt möjligt att inkludera ytterligare klockor i mätningarna och dessutom att det är egalt var klockorna är placerade fysiskt. En utveckling mot större robusthet kan därmed vara att bygga etablera en nationell distribuerad tidsskala, med ett stort antal atomfrekvensnormaler, där också mätvärdeshantering sker distribuerat. De hittills använda metoderna för att jämföra frekvensnormaler bygger på radiofrekventa signaler och i ett robust system är detta en svaghet. En kompletterande eller alternativ metod som utnyttjar markbundna kommunikationsnät vore att föredra ur ett robusthetsperspektiv. Om metoden sedan kan bygga på optiska fiberförbindelser är den mycket svår att störa och slå ut vilket skulle vara en stor fördel. Under 2004 beviljade PTS medel för att förstärka robustheten för tid och frekvenssynkroniseringen i Sverige i enlighet med det ovanstående scenariot. Nedan beskrivs mer i detalj hur arbetet bedriv eller kommer att bedrivas Distribuerad tidsskala En intelligent systemlösning för frekvens och tid fås med hjälp av lokala grupper av frekvensnormaler som jämförs inbördes med varandra. I en störd situation tar då en virtuell gruppklocka över driften och predikterar sin egen tid eller synkroniseringstakt. Med hjälp av samtidiga GPS-observationer kan olika oscillatorer eller grupper av oscillatorer placerade på fysiskt olika ställen jämföras med varandra och beroendet av GPS kan minskas. En tidsskala som byggs upp av flera frekvensnormaler som dessutom är utspridda på olika ställen kan av naturliga skäl göras mycket robust. Det möter inga hinder att etablera en nationell tidsskala på liknande sätt som för den internationella men där man istället utnyttjar existerande atomfrekvensnormaler runt om i Sverige. Idag finns sådana atomklockor på ett antal ställen, vid de större teleoperatörerna, inom Försvarsmakten samt också vid olika tidslaboratorier som t ex STUPI och andra. Ett sådant nationellt system utesluter inga oscillatorer utan alla som vill och uppfyller vissa kriterier har möjlighet att generera jämförelsedata mellan atomfrekvensnormaler. Som en konsekvens av SPs roll som nationellt tidslaboratorium är det naturligt att SP har en koordinerande roll och kvalificerar klockor och mätsystem som ska ingå i den här föreslagna distribuerade nationella tidsskalan.

23 23 Istället för att som praxisen är idag sända jämförelsedata mellan frekvensnormaler till en nod där beräkningar utförs utvecklas ett nytt protokoll för klockuppgifter som identifikation, jämförelsedata och data för att bestämning av stabilitetsdata. Dessa data görs sedan allmänt tillgängliga över ett multicast-nät i nära realtid. Beroende på applikationen kan data vara krypterad och det kan vara möjligt att autentisera data. Detta innebär att alla har tillgång till rådata för klockjämförelser och därmed kan också beräkningar av virtuella tidsskalor ske var som helst i något vi kan kalla för beräkningsnoder. En beräkningsnod utgår naturligen från egna klockor för beräkningar av den egna UTC-representationen men det är inget som hindrar att ytterligare klockor inkorporeras i beräkningarna. Då mätdata är tillgängliga över ett multicastnät kan beräkningsnoden välja rådata från samtliga tillgängliga klockor utan att röja sig. Beräkningsnoden validerar klockdata, väljer lämpliga klockor som ska ingå i beräkningen av den egna UTC-representationen och beroende på aktuell driftsituation görs en anpassning som för varje situation optimerar den egna stabiliteten. Detta system för robust och distribuerad tidhållning ger möjlighet till ett samutnyttjande av atomklockor och andra lämpliga oscillatorer oberoende av ägarförhållande och fysisk placering Tidsdistribution över optiska fibernät Den ovan beskrivna distribuerade tidsskalan innebär stora fördelar ur ett robusthetsperspektiv. För att fungera måste dock ingående klockor jämföras på något sätt och en naturligt väg är t ex att bygga ut det existerande nationella systemet med GPS Common-view mätningar. Ett annat alternativ kan vara GPS bärvågsmätningar och senare också Galileo när detta system tas i drift om några år. I samtliga fall handlar det dock om jämförelsemetoder som utnyttjar radiofrekventa signaler. En allt större del av tele- och datatrafiken distribueras idag genom optisk fiber, förlagd på olika sätt. År 2001 publicerades en studie i Japan hur tidsöverföringssignaler fördröjs genom transmission i markbaserade fiberoptiska kommunikationssystem. Studien visade hur dessa tidsfördröjningar kan kompenseras för t ex med hjälp av tvåvägsuppställningar. För att jämföra tid och frekvens mellan två platser måste båda kunna kommunicera d v s sända och ta emot samtidigt vilket ger möjlighet att eliminera många felkällor beroende på antagandet att felen i stort sett är identiska i de båda riktningarna (jämför tekniken TWSTFT som beskrivs i andra avsnitt). I den japanska studien användes en dedicerad fiberförbindelse samt kommunikationsprotokollet SDH/SONET som bärare av tidsinformation och visade på att tekniken är tillräcklig för att jämföra primära klockor som t ex cesiumur. Metoden att använda dedicerade fiberförbindelser bedömdes inte vara ekonomiskt försvarbart för svenska förhållanden. Tilsammans med STUPI kläcktes en idé om att istället försöka utnyttja befintlig datatrafik med målsättning att utföra jämförelser av tid och frekvens över TCP/IP nätverk. Arbete med att pröva metoden inleddes andra halvåret 2004 och metoden är passiv då den utnyttjar den befintliga trafiken i datanätverket. I de första försöken kommer den infrastruktur som finns i det svenska universitetsdatanätet, SUNET att användas. SUNET är ett TCP/IP-nätverk med routers sammanbundna med optiska fibrer. Mellan olika routers i nätverket används kommunikationsprotokollet SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

24 24 Figur Schematisk skiss över det svenska universitetdatanätet, SUNET där även de nationella tidsservrarna är markerade. Mellan varje router är trafiken synkron medan den är asynkron över en router. För att kunna använda SUNET för jämförelser av tid och frekvens måste därför tidsskillnaden över varje router bestämmas och korrigeras för. Även i det svenska försöket kommer tvåvägsmätningar att användas för att kompensera för tidsfördröjningar. Målsättningen är att kunna göra tidsjämförelser mellan SP, STUPI och Onsala rymdobservatorium och senare också klocksystemen i de nationella knutpunkterna.

25 25 Asynkron trafik över optisk fiber, 10 Gbit/s Router A Router B Router C Tidsdifferensenhet 10 MHz/1 MHz TCP/IP Figur Tidsskillnaden mellan in och utgången i en router bestäms i en tidsdifferensenhet beroende på att de båda näten är asynkrona De första testerna i laboratoriemiljö planeras kunna genomföras 2a halvåret För att försöken ska kunna utsträckas till SUNET har Cisco genom Peter Löthberg ställt en Cisco router till förfogande och via en hyrd svartfiber från Bornet har vi genom Hans Wallbergs försorg kunnat ansluta oss till SUNET s GigaSunet. 4 Ordförklaringar Nedan förklaras ord och förkortningar som används i texten till den här rapporten. BIPM Internationella Byrån för Mått och Vikt, med säte i Paris C V Common View (teknik för samtidig mätning, t ex tillsammans med GPS) Cs Grundämnet Cesium DCF77 Långvågssändare för tid och frekvens i Tyskland FMV Försvarets Materielverk Galileo Europeiskt globalt satellitnavigationssystem GLONASS Ryskt globalt satellitnavigationssystem GNSS Globala navigationssatellitsystem GPS Global Positioning System globalt satellitsystem för positionering och tidsdistribution IERS International Earth Rotation Service IP Intenet Protocol IRIG Inter Range Instumentation Group standardiserat tidkodsformat MCXO Microcomputer Compensated Crystal Oscillator MHz megaherz en million Herz ms millisekund en tusendels sekund µs mikrosekund en miljondels sekund ns nanosekund en miljarddels sekund ps pikosekund en miljondel av en miljondels sekund OCXO Oven Compensated Crystal Oscillator KKS Stiftelsen för Kunskaps och Kompetens-utveckling, KK-stiftelsen NETNOD Netnod Internet Exchange i Sverige AB NTP Network Time Protocol NIST National Institute of Standards and Technology

26 26 Loran C Amerikanskt markbaserat system för b la navigation PKI Public Key Infrastructure PPS Puls per sekund Rb Grundämnet Rubidium SDH Synchronous Data Hierarchy digital transmissionsstandard inom internationell telekommunikation SI SI systemet, internationellt system för måttenheter SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut STUPI Svensk TeleUtveckling & ProduktInnovation AB SUNET Swedish Universtity Network TAI Internationella atomtidsskalan baserad på Cesiumklockor och H-masrar TCXO Temperature Compensated Crystal Oscillator TWSTFT Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer tvåvägs överföring av tid med satellit UPS Avbrottsfri elkraftförsörjning USNO Unites States Naval Observatory, Washington, DC UTC Universal Time Coordinated, världstid som beräknas av BIPM UTC(SP) Universal Time Coordinated, UTC såsom realiserad vid SP USNO Unites States Naval Observatory, Washington, DC UTC(NIST) Universal Time Coordinated, UTC såsom realiserad vid NIST, Boulder, CO UTC(USNO) Universal Time Coordinated, UTC såsom realiserad vid USNO

27 27 BILAGA 1 1 Fakta om tid och frekvens För att tynga huvudtexten med för mycket detaljer och teknik följer i detta avsnitt en mer ingående beskrivning av de begrepp och metoder som berörs i huvudtexten. 1.1 Tid och tidskalor Tid utgår ifrån måttenheten 1 sekund som i SI definieras som varaktigheten av perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i grundtillståndet hos atomen Cesium 133. Genom att addera sekunder till varandra får vi minuter, timmar, dygn e t c och genom att knyta tiden till en tidpunkt erhålls en tidsskala. Världstidsskalan UTC (koordinerad världstid), är basen för tid världen runt och är en kombination av två andra tidsskalor, TAI och UT1. Den internationella atomtidsskalan TAI räknas fram av den Internationella Byrån för Mått och Vikt (BIPM) i Paris som ett viktat medelvärde av tidsjämförelser mellan ca 230 atomur placerade vid ett 60-tal nationella laboratorier världen runt. Världstidsskalan UT1 är en dynamisk tidsskala framräknad genom observationer av jordens rotation och som är proportionell mot jordens rotationshastighet kring sin egen axel. UT1 följer därmed solens upp och nedgång, vilket inte TAI nödvändigtvis behöver göra. Definitionsmässigt har UTC samma metrologiska egenskaper som TAI, d v s en atomtidsskala, men den följer också jordens rotation inom en sekund genom att till UTC, vid behov, lägga till eller dra ifrån en s k skottsekund. Skillnaden mellan UTC och TAI är på detta sätt alltid ett helt antal sekunder och skillnaden mellan UTC och UT1 är alltid mindre än 0,9 sekunder. Detta är oftast tillräckligt vid navigering baserade på astronomiska observationer där UT1 används. Skottsekunder införs normalt i slutet av månaderna juni eller december efter beslut från IERS (International Earth Rotation Service).

28 28 Figur B1.1. För att den officiella tidsskalan UTC skall följa jordens rotation och tidsskalan UT1, införs skottsekunder. Både TAI och UTC är s k virtuella tidsskalor eller "pappersklockor". Fysiskt realiseras UTC genom de olika nationella laboratoriernas tidsskalor, i Sverige genom UTC(SP). Det viktade medelvärdet innebär också att realiseringen av enheten för 1 sekund inte beror på en enda klocka. Detta är oerhört viktigt för kontinuiteten och stabiliteten i UTC. UTC står inte och faller med en enda klocka. Den svenska nationella tidsskalan UTC(SP) upprätthålls med hjälp av flera Cesiumur, och de jämförs kontinuerligt med de internationella atomtidsskalorna TAI och UTC. Jämförelsen erhålls genom mätningar mot satelliter i första hand inom GPS-systemet via BIPM i Paris. Svensk lokal tid är sedan UTC + 1 timma under normaltid (vintertid) eller UTC + 2 timmar under sommartid. Tiden för övergångar mellan normaltid och sommartid bestäms av Sveriges regering genom ett EU-direktiv. Det amerikanska satellitnavigationssystemet GPS baseras på UTC(USNO) som i sin tur är kopplad till UTC(NIST) där USNO är den organisation som är operationellt ansvarig för GPS och där NIST är nationellt metrologiinstitut i USA Gruppklockor Den koordinerade världstiden beräknades från ett viktat medelvärde av ca 230 atomklockor världen runt. Tekniken att basera en tidsskala på många frekvensnormaler ger en robusthet i flera avseenden, den är inte beroende av enstaka utrustningars tillförlitlighet. För TAI innebär tillvägagångssättet dessutom att tidsskalan automatiskt blir distribuerad till olika platser fysiskt. Nackdelen med en sådan lösning är att den verkliga sanna tidsskalan inte är känd i realtid beroende på att den måste beräknas med utgångspunkt från inrapporterade data från olika tidsjämförelser. Genom att basera en tidsskala, t ex i ett tidslaboratorium på ett antal frekvensnormaler, i normalfallet minst tre, och genom att applicera effektiva och till varje situation anpassade beräkningsalgoritmer kan en tidpunkt predikteras som i varje ögonblick alltid är bättre än om man hade utgått från 1 oscillator. För SPs del innebär detta t

29 29 ex att UTC(SP) baseras på en aktiv vätemaser samt tre Cesiumatomur (av high performance -typ). En eller flera grupper av klockor Datoralgortim ser till att: Felaktiga klockor tas bort Klockor bidrar efter stabilitet 08:35:10 UTC 08:35:42 TAI Pappersklockor TAI och UTC Figur B1.1.1 För att erhålla en robust och distribuerad tidskala etableras en grupp av atomklockor 1.2 som jämförs Referensoscillatorer inbördes. Med hjälp av särskilda för tidhållning klockalgoritmer optimeras stabiliteten för gruppklockan med avseende på de enskilda atomurens stabilitet. För att upprätthålla en tidsskala krävs dels en tidbas bestående av en eller flera oscillatorer eller frekvensnormaler och dels en metod för att synkronisera tidbasen i förhållande till en känd tidpunkt. I det följande presenteras olika typer av frekvensnormaler vilka alla finns att tillgå på den kommersiella marknaden. Presentationen börjar med en beskrivning av tre olika typer av atomfrekvensnormaler, i fallande ordning med avseende på stabilitet och avslutas med kvartsoscillatorer för att ge en helhetsbild. Under senare år har grundforskning vid bl a NIST fört med sig en utveckling mot ytterligare en typ av atomur med ännu högre noggrannhet än hittills. I huvudsak handlar det om s k kylda atomklockor, som arbetar vid temperaturer nära absoluta nollpunkten. Denna typ av klockor kommer inte att finnas kommersiellt tillgängliga på många år och berörs därför inte här Atomfrekvensnormaler Den gemensamma nämnaren för atomfrekvensnormaler är att deras stabilitet baseras på någon form av resonansfenomen eller atomoscillation hos ett grundämne. Olika atomer och metoder används här, beroende på vilken typ av atomnormal det är fråga om. Efter en korrekt utförd synkronisering är en atomnormal noggrannare än någon annan oscillatortyp Vätemasrar Den stabilaste frekvensstandarden, på kort och medellång tid (upp till ett par dygn), är vätemasern. Om resonansen hos en mikrovågskavitetet innehållande väte är servokontrollerad, så kan vätemasern göras stabilare än en cesiumnormal under tider upp till ett år. Både aktiva och passiva masrar finns, där den passiva har en stabilitet som ligger mellan den aktiva masern och en Cs-normal. Väteatomnormaler används ofta tillsammans

30 30 med cesiumnormaler som ett komplement för att överbrygga dessas förhållandevis sämre korttidsstabilitet. Den aktiva vätemasern ger den bästa stabiliteten som finns att tillgå kommersiellt. Aktiva masrar används när den allra bästa stabiliteten behöver uppnås under tidsperioder mellan 1 sekund och ett dygn. Inom detta tidsintervall är stabiliteten hos masern 100 gånger bättre än den man kan nå med en Cs-normal. Funktionen bygger på en 5 MHz kvartsoscillator, som är faslåst till den hyperfina energiövergången i väteatomen och en aktiv frekvenskontroll. En maser kan fungera utan ingrepp i över 10 år, begränsat huvudsakligen av elektroniska problem. Underhållskostnaden är låg jämfört med en cesiumatomnormal, som kräver dyrt underhåll med 6 10 års intervall. Nackdelarna med en vätemaser är storleken, vikten och den höga kostnaden. Den aktiva masern väger ca 100 kg och har en storlek på ungefär 70 x 50 x 60 cm. Kostnaden för en maser är ca 270 kusd och leveranstiden är typiskt 1,5 till 2 år. Uppvärmningstiden kan vara upp till en vecka innan den når sin fulla stabilitet. Den passiva vätemasern fungerar på ungefär samma sätt som den aktiva. Den största skillnaden är avsaknad av en aktiv frekvenskontroll. Stabiliteten hos en passiv maser är därför en faktor 10 sämre än den som kan uppnås med en aktiv maser. En passiv maser är bara ungefär hälften så stor som en aktiv och har därför också bara halva vikten. Även om den passiva masern har många av nackdelarna gemensamt med den aktiva, så är uppvärmningstiden betydligt kortare, ca 10 timmar Cesiumnormaler Frekvensnormaler som baseras på Cesiumrör utnyttjar den resonans som definierar enheten en sekund (Cs 133), och de är därför det naturliga valet för internationella tidlaboratorier över hela världen. Cs-normalen används också allmänt i applikationer där både korttids- och, framför allt, långtids-stabiliteten behövs. Exempelvis används Cs-normaler som primär tidsreferens i GPS- systemet. Storleken och kostnaden för en Cs-normal är mycket högre än för både kvarts-oscillatorn och Rb-normalen. Känsligheten för förändringar i omgivningen, t.ex. temperatur, är dock mycket mindre. Den fysiska storleken hos en Csnormal är större än hos en Rb-normal, men den är mindre än en vätemaser. Cesiumnormalen är det bästa valet för system där noggrann tid behöver hållas under långa perioder. Cesiumklockor används i de allra flesta nationella tidlaboratorier, och de ger också det största bidraget till beräkningen av internationell tid. Den största nackdelen med cesium-atomnormaler är den korta livslängden. Ett Cs-rör håller normalt 6-10 år, beroende på utförande. Sedan är det förbrukat Rubidiumnormaler Frekvensnormaler baserade på Rubidium-celler är i allmänhet något större, och har högre effektförbrukning, än en kvartsoscillator. Stabiliteten hos Rubidium (Rb) är också bättre än hos en motsvarande kvartsoscillator för tider som överstiger 10 4 s, men är klart sämre än för en Cesiumnormal (Cs). Rubidiumnormaler används som sekundär frekvensstandard i GPS-satelliterna. Den relativt ringa storleken hos Rb-normalerna, jämfört med andra atomfrekvensnormaler, och den låga känsligheten för temperaturvariationer, gör Rb-normalen attraktiv för krävande tidsapplikationer. Jämfört med kvartsoscillatorer så har dock Rb-normalerna kortare livstid, högre effektförbrukning, är större och väger mer.

31 Kvartsoscillatorer Kvartsnormaler är i egentlig mening ingen atomfrekvensnormal men är den vanligast förekommande klockoscillatorn. Mer än en miljard kvartsoscillatorer produceras årligen i världen för applikationer som spänner från billiga armbandsur till avancerade navigationssystem. Kvartsoscillatorerna ger i sig ingen information om tiden, utan är bara en tidbas. Exempel på utrustning som använder sig av kvartsoscillatorer som tidbas, tillsammans med tidkod från en annan källa, är GPS-mottagare. Det finns många olika typer och varianter av kristalloscillatorer på marknaden. Oscillatorerna kan vara temperaturkompenserade (TCXO Temperature Compensated Crystal Oscillator). I en TCXO ingår en sensor för temperatur som används för att generera en korrektionsspänning till oscillatorkretsen. Denna spänning kompenserar för kristallens normala frekvensvariation som funktion av temperaturen. I en ugnskompenserad kvartsoscillator (OCXO Oven Controlled Crystal Oscillator), hålls kristallen, och andra temperaturkänsliga komponenter, under konstant temperatur i en liten ugn. Kristallen är tillverkad för att ha en temperaturkänslighet som är minst runt den temperatur som råder i ugnen. Ugnsoscillatorer kan vara en faktor gånger bättre än en okompenserad kvartsoscillator. Ett specialfall av den kompenserade kvartsoscillatorn är den mikrodator-kompenserade oscillatorn (MCXO Microcomputer Compensated Crystal Oscillator). För att reducera känsligheten i frekvens som funktion av temperaturen, använder en MCXO sig av digital kompensationsteknik med hjälp av en inbyggd mikrodator Jämförelse av data för oscillatorer Egenskaperna hos en referensoscillator kan delas upp i drift och stabilitet, där man beroende på effektiviteten i använda algoritmer till stora delar kan kompensera för förväntad drift. Stabiliteten hos referensoscillatorer är sammansatt av en mängd olika bruskomponenter som påverkar fasen och frekvensen. Ett vedertaget sätt att uttrycka stabiliteten hos en oscillator är dess Allan-varians och stabiliteten med avseende på mättiden kan åskådliggöras i diagramform enligt nedan.

32 32 Figur B Frekvensstabiliteten som funktion av mättiden (uttryckt i exponentform, 10 x ) för olika typer av oscillatorer. HM står för aktivt väteatomur, CS för Cesiumatomur (HP5071A high performance ), RB för rubidiumoscillator samt QZ för kvartzoscillator, y-axeln visar Allan-variansen, σ y (τ)). Av figuren framgår att aktiva vätemasrar har det bredaste arbetsområdet med bibehållen hög stabilitet, under en sekund i kombination med kvartzoscillatorer. För längre mättider har cesiumatomuren den högsta stabiliteten, bl a beroende på sekunddefinitionen och metoden att bestämma atomtidskalan TAI. I tabellen nedan visas data för de olika typer av referensoscillatorer som är beskrivna ovan. Ytterligare en utrustning finns medtagen i tabellen, nämligen GPS-mottagare. Med GPS-mottagare avses här en s k GPS-disciplinerad oscillator, en utrustning som styrs för att följa GPS-tid. Typ Stabilitet /24h Åldring /månad Åldring /år Drift rel. UTC 1) Effektförbrukning MTTF / år (W) Vätemaser n.a. n.a. 20 ns aktiv Cesium n.a. n.a. 20 ns Rubidium µs Kvarts ugn OCXO Kvarts mikro MCXO Kvarts temp TCXO µs ms ms Kvarts ms standard GPS-mottagare n.a. n.a. < 340 ns ) Typiska värden efter synkronisering och mätt över 24 timmar. Temperatur: 25 C ± 2. Tabell B Jämförelse mellan några olika typer av oscillatorer på marknaden. 1.3 Metoder för att distribuera tid och frekvens Det finns ett stort antal olika metoder för att överföra och jämföra tid mellan två eller fler olika platser. Metoderna varierar på grund av kraven på tillgänglighet, noggrannhet, kostnader och givna förutsättningar på plats. De metoder som tas upp här innefattar: Global navigationssatellitsystem (GNSS) Kommunikationssatelliter Markbaserade radiosystem Markbaserade kommunikationsnätverk

33 Globala Navigationssatellitsystem (GNSS) Vi kan idag bestämma vår position med hög precision, oberoende av tidpunkt och plats, med hjälp av satelliter som cirkulerar km ovanför jordytan. Tekniken som används för att bestämma en mottagares koordinater i satellitbaserad positionering bygger på precis tidsbestämning och avståndsberäkningar. Metoden innebär att signalen sänds ut från satelliten vid en väl bestämd tidpunkt och tas emot av mottagaren vid en lika väl bestämd tidpunkt. Genom att mäta skillnaden mellan utsändnings- och mottagningstid för signalen kan avståndet mellan användaren och satelliten bestämmas. De GNSS som idag finns tillgängliga har satelliter som sänder ut två olika digitala koder som har karakteristik som liknar brus. En kod är civilt tillgänglig medan den andra vanligen är förbehållen licensierade (militära) användare. Den senare koden har en högre bithastighet. Mottagaren genererar en kopia av den kända koden och försöker matcha den inkommande signalen med den som genereras internt. Tidsskillnaden mellan den inkommande signalen och den genererade är ett mått på tidsavståndet mellan satelliten och mottagaren. Genom att multiplicera med hastighet för ljus i vakuum kan man beräkna avstånd mellan satellit och mottagare. Om man på detta sätt mäter avståndet mellan mottagaren och tre satelliter med en tredimensionell position bestämmas. Mottagarens interna klocka måste dock synkroniseras med den tidsskala som satelliterna använder sig av. Detta görs enklast genom att mottagaren mäter mot ytterligare en satellit vilket betyder att fyra satelliter är ett minimum för en fullständig bestämning av mottagarens position och tid. Positions- och tidsnoggrannheten förbättras normalt med ett ökande antal satelliter. För vissa tillämpningar kan man även klara sig med färre satelliter. Om mottagaren t ex befinner sig på en redan känd plats där den tredimensionella positionen är noggrant bestämd kan man med hjälp av endast en satellit synkronisera ( ställa ) mottagarens klocka. Om man behöver tillgång till än högre noggrannhet så räcker inte kodmätningarna. Istället kan man använda sig av kodsignalernas bärvågor som har en väsentligt högre frekvens. Genom att bärvågens våglängden är mycket kortare än kodernas våglängd (bitlängd) så blir precisionen i bärvågsmätningarna mycket bättre än motsvarande mätningar med koden. För de satellitbaserade navigationssystemen som finns tillgängliga idag är bärvågens våglängd cirka 20 cm. En vanlig tumregel säger att bärvågsmätningar kan göras med en precision av 1 % av våglängden. Detta indikerar att en mottagare kan göra avståndsmätningar med en precision av 2 mm eller tidssynkronisering på piko-sekund nivå. Trots bärvågens överlägsenhet har man precis börjat att använda denna metod i realtid beroende på problematiken runt initiering av periodobekanta [ref] vilket leder till att differentiella (eller relativa) metoder måste tillgripas. Noggrannheten i GNSS-mätningar begränsas av två anledningar nämligen de felkällor som kan förknippas med avståndsmätningarna mellan mottagare och satelliter samt satelliternas inbördes geometri. Nedan följer en kort översikt över de mest betydelsefull felkällorna i GNSS. Fel i avståndsmätningarna uppkommer som en produkt av: Osäkerheten i tidsangivelsen som sänds ut från respektive satellit. Osäkerheten i positionsangivelserna som sänds ut från respektive satellit. Den avsiktliga degradering (störning) av noggrannheten, kallad Selective Availability (SA), som kan aktiveras av amerikanska militära myndigheter är den mest signifikanta felkällan i många realtidstillämpningar. Realiseringen av störning görs genom förändringar de utsända tid- och positionsangivelserna från satelliterna. Sedan 2 maj 2000 är SA dock inte längre påslagen men möjlighet att åter aktivera degraderingen finns givetvis kvar.

34 34 Mottagarens bristande prestanda i korrelationsprocessen av den inkommande signalerna. Jonosfärseffekter och jonosfärsmodeller om sådana används. Troposfärseffekter och troposfärsmodeller om sådana används. För tillämpningar inom t ex tid och frekvens kan fel även uppkomma genom brister i placeringen av mottagarsystemet samt fördröjningar i antenn och antennkabel. Variationer i signalfördröjningen uppstår vid varierande omgivningstemperatur. Flervägsreflektioner (eng. Multipath), signalinterferens och blockering. Fel som uppkommer på grund av att handhavandet av mottagare och antenn inte är rätt. I många applikationer spelar placeringen av mottagare och antenn en mycket viktig roll. En dålig placering av GPS-antennen kan resultera i flervägsreflektioner (multipath). Det första och idag viktigaste satellitbaserade systemet är det amerikanska Global Positioning System (GPS) som idag består av 28 satelliter. Satellitkonstellation innebär möjlighet till navigering över hela jordklotet vid alla tidpunkter. Från GPS-satelliterna utsänds ett komplext signalpaket som bland annat innehåller information om varje satellits position. Det ryska systemet GLONASS fungerar i allt väsenligt på samma sätt som GPS. Medan antalet GPS-baserade tillämpningar vuxit närmast explosionsartat det senaste 10 åren har inte GLONASS gjort samma succé. I huvudsak beror detta på tekniska problem ombord på satelliterna vilket i sin tur beror på ekonomiska problem. Den största nackdelen med GPS och GLONASS är att de är, helt eller delvis, under militär kontroll vilket kan leda till att tillgänglighet och noggrannhet avsiktligt försämras utan förvarning till civila användare. Europa utvecklar just nu ett eget satellitbaserat navigationssystem, Galileo, i ett samarbete mellan EU och European Space Agency (ESA). Galileo kommer, om det genomförs, att bli ett system helt under civil kontroll. Det kommer att bestå av minst 27 satelliter samt markbaserade stöttningssystem. Enligt gällande plan skall Galileo vara operationellt senast Galileos prestanda skall vara bättre eller lika bra som den positionsservice som i dag ges av GPS. På samma sätt som med GPS och GLONASS kommer man med Galileo att kunna mäta på hela signalpaketet med mycket hög noggrannhet med hjälp av lokala stödsystem. Parallellt med en eventuell etablering av Galileo genomförs också en utveckling av GPS. När det gäller GLONASS är framtiden mer osäker. Vilka beslut som än kommer att tas för GPS, GLONASS och Galileo så kommer de bakomliggande organisationerna att sträva efter att systemen blir interoperativa och kompatibla. Fördelen med detta är att det blir möjligt att använda alla system med en enda mottagare. Detta är en mycket viktig faktor eftersom mätningar i skogs- eller stadsmiljö kan försvåras genom att stora delar av himlen ofta är skymd. Signalerna från vissa satelliter blockeras då av skog eller byggnader. Genom att ha tillgång till både t ex Galileo och GPS fördubblas antalet tillgängliga satelliter och mätningar i extrema miljöer underlättas. Detta är speciellt viktigt för mätningar med de högsta noggrannhetskraven. Tillämpningar som kräver resultat på cm-nivå (motsvarar piko-sekund) eller bättre förväntas dessutom öka mycket de närmast åren. Ett exempel en tillämpning med höga krav är olika former av maskinstyrning Kodmätning De flesta mottagare som är avsedda för tid- och frekvensapplikationer har en utgång med sekundpulser som är spårbara till UTC enligt ovan. Dessa pulser kan användas för att karakterisera egna klockor eller oscillatorer. En direkt mätning enligt denna metod ger en noggrannhet på ungefär 300 ns relativt UTC. Noggrannheten vid en frekvensjämförelse

35 35 blir ungefär 1E-12 om man mäter under flera timmar. Noggrannheten begränsas av bland annat osäkerheter i satellitens positionsangivelse och klockor samt signalfördröjningar i atmosfären. Ibland är denna noggrannhet inte tillräcklig och man kan dessutom vara i behov av att jämföra sina klockor och oscillatorer direkt mot en nationell referens. Man kan i båda dessa fall utnyttja en teknik som kallas "Common-View" (CV). CV-mätningar innebär att minst två mottagare observerar samma satellit vid samma tidpunkt. Det är i detta fall mycket viktigt att man antingen observerar en satellit i taget eller att man i efterhand kan beräkna tidsskillnaden mellan sin egen klocka och klockan i varje satellit. Efter en sammanställning (differentiering) av mätningarna erhålles ett mått på tidsskillnaden mellan klockorna i de olika mottagarna. Eftersom mätningarna differentieras försvinner det mesta av osäkerheten i satellitens position och signalfördröjningar i atmosfären, till en grad som beror på avståndet mellan mottagarna. All osäkerhet hos satelliternas klockor försvinner eftersom denna är exakt lika för båda mottagarna. En mätning enligt denna metod kan ge en noggrannhet på bättre än 5 ns relativt ingående klockor. Noggrannheten vid en frekvensjämförelse blir ungefär 5E-14 om man mäter under flera timmar. Common-View tekniken är av stort intresse eftersom metoden används för att mäta klockor och tidsskala (t ex UTC(SP)) i förhållande till UTC och TAI. Metoden har under senare år utvecklats genom användandet av flerkanals-mottagare och GLONASSmottagare. För att kunna utföra goda common view -mätningar krävs det att alla de ingående GPSantennerna har tillgång till samma sektor på himlen. Det är givetvis önskvärt att hela himlen (180 x 360 ) är synlig från alla mottagare, men i praktiken är detta sällan fallet. Man måste veta sin position inom några decimeter. Annars behövs mätningar till minst 4 satelliter A < 340 ns relativt UTC A B < 5 ns relativt varandra CV Common View

36 36 Figur B Illustration av två olika metoder för tidmätning med GPS. Till vänster synkroniseras mottagaren med hjälp av en GPS satellit. Denna metod är känslig för felkällor så som fel i satellitens position och tid samt atmosfärens påverkan på signalen. Till höger visas common-view tekniken där de differentiella effekterna av dessa felkällor minimeras Bärvågsmätningar För de mest noggranna klockorna och oscillatorerna räcker idag inte kod-tekniken till. För att förbättra noggrannheten vid tidsjämförelser med hjälp av GNSS måste man utnyttja mer sofistikerade mottagare som har möjlighet att mäta på fasen på bärvågen från satelliterna. Metoden kan ge en noggrannhet på några tiotals pikosekunder och en frekvensnoggrannhet på 1E-16 om man mäter under ett dygn. Denna noggrannhet kräver avancerade beräkningar av satelliternas position och klockor samt av signalens fördröjningar i atmosfären, och i de flesta fall en efterbearbetning av insamlade mätningar. De största felkällorna härrör framförallt från temperaturvariationer i omgivningen som påverkar signalfördröjningen i utrustningen samt problemet med att bestämma den konstanta tidsfördröjningen i mottagaren. Den sistnämnda felkällan påverkar endast en absolut tidmätning varför metoden i huvudsak hittills använts för frekvensmätningar. A B 100 ps relativt varandra Figur B Common-view med flera kanaler samtidigt. Om man dessutom använder bärvågsmätningar på 2 frekvenser är det möjligt att nå noggrannheter på ned till 50 ps