E-Czas Radio - czyli sygnał czasu do zastosowań profesjonalnych i urządzeń powszechnego użytku

Pod koniec 2023 roku Główny Urząd Miar uruchomił i udostępnił element większego projektu dostarczania w Polsce czasu urzędowego e-CzasPL, opartego o fale radiowe 225 kHz Programu 1 PR – e-Czas Radio. Technika ta jest nieco podobna do niemieckiego systemu DCF77, ale w przeciwieństwie do niego wykorzystuje normalnie używany nadajnik radiofoniczny, nie zakłócając w żaden sposób nadawanego programu. System może być stosowany np. przy podpisie elektronicznym, w bankowości i innych systemach, np. sterowania oświetleniem ulic i sygnalizacji świetlnej w miastach (tzw. smart city), zapewniając synchronizację do czasu urzędowego na obszarze RP różnych urządzeń odmierzających czas z dokładnością od kilku lub kilkunastu milisekund.

Alternatywa dla czasu z GPS

Udostępniony przez GUM projekt taniego odbiornika pozwala na uzyskanie dokładności lepszej od 0,01 s, wystarczającej w wielu zastosowaniach. Dotychczas w wielu przypadkach stosowano po prostu fotokomórkę (czujnik zmierzchowy). Nie jest to rozwiązanie– optymalne, bo w przypadku np. zabrudzenia włącza na wiele godzin oświetlenie, generując znaczące koszty. Z kolei zastosowanie GPS/GNSS jest znacznie droższym rozwiązaniem, a przy tym, ze względu na możliwość zakłócania przez wrogie służby, nie jest systemem wystarczająco bezpiecznym. W przypadku e-Czas Radio prosty odbiornik fal długich z odpowiednim sterownikiem mikrokontrolerowym (nawet Arduino czy Raspberry Pico) wystarczy do realizacji nawet skomplikowanych schematów obsługi oświetlenia. Zaimplementowana modulacja PSK (Phase Shift Keying – kluczowanie fazy) typu NRZ (Non- Return-To-Zero – bez powrotu do zera) zapewnia dużą odporność na zakłócenia, co było powodem wielu problemów użytkowników korzystających z odbiorników DCF77. Polska jest na skraju zasięgu radiostacji w Mainfl ingen, przez co słaby sygnał jest zakłócany przez sprzęt komputerowy, zasilacze impulsowe itp. Na dodatek DCF77 wykorzystuje modulację amplitudy fali nośnej, która z definicji jest mniej odporna na zaburzenia i zapewne została wybrana przed laty z uwagi na łatwość demodulacji. Zasięg nadajnika o mocy 1,2 MW w Solcu Kujawskim jest z punktu widzenia dystrybucji czasu doskonały.

Gotowy projekt odbiornika dla społeczności

Główny Urząd Miar udostępnia projekt przykładowego odbiornika do systemu e-Czas Radio, zrealizowanego na bazie układu Si473x-D60 i dsPIC33. Pełna dokumentacja, obejmująca schemat ideowy, listę podzespołów, projekt płytki drukowanej i oprogramowanie firmware, jest dostępna pod adresem https://e-czas.gum. gov.pl/e-czas-radio. Płytkę można dopasować do własnej aplikacji lub obudowy.

W odróżnieniu od wielu podobnych rozwiązań DCF77 jest to zaawansowany projekt o dużej funkcjonalności i wykonany jako niezależny moduł, który można zastosować we własnych urządzeniach jako wzorzec czasu. Odbiornik dostarcza dane o czasie w postaci sentencji NMEA RMC z sygnałem 1 PPS oraz podaje surową, nieprzetworzoną ramkę danych do obróbki w zewnętrznym systemie przez złącze szeregowe. Ma wbudowany zegar RTC, który ma za zadanie przetrzymywać czas przez 24 h od ostatniej poprawnie odebranej ramki. Oznacza to, że można za jego pomocą zastąpić źródła czasu wykorzystujące odbiorniki GNSS, gdyż odbiornik emuluje moduł GPS. Dzięki temu można też użyć we własnym urządzeniu gotowych bibliotek.

Opis ramki czasu e-Czas Radio (225 kHz, Program 1 PR)

Transmisja w systemie jest zorganizowana w 3-sekundowych slotach czasowych. Komunikaty są wysyłane z szybkością 50 bps. W każdym slocie czasowym transmisja rozpoczyna się od początku sekundy. Po każdej przesłanej komendzie system wyłącza modulację fazy nośnej do kolejnej pełnej sekundy. Ruch generowany przez Radiowe Centrum Nadawcze (RCN) odbywa się w 20 slotach czasowych, stanowiących ramkę, która jest transportowana przez 1 minutę (rys. 1).

 

Rys. 1. Ramka minutowa systemu

Struktura ramki czasu urzędowego

Ramka czasu składa się z 12 bajtów, czyli 96 bitów, wysyłanych z szybkością 50 bps. Oznacza to, że wysłanie pełnej ramki czasowej zajmuje 1,92 s.

 

Rys. 2. Struktura blokowa depeszy
czasowej

Przed każdą ramką transmitowane są ponadto 2 bajty (0×680C – 0b0110 0b1000 0b0000 0b1100) będące sekwencją startu. Nie są one częścią depeszy czasowej. Poniżej przedstawiono format ramki w postaci bitowej:

• Przeznaczenie poszczególnych bitów:
  • 0×55H – stały wzorzec synchronizacyjny.
  • 0×60H – stały wzorzec, sygnalizujący początek ramki czasu urzędowego w systemie e-CzasPL.
  • 0x5H (0b101) – bity określające moment wprowadzenia wysyłanego czasu do rejestrów odbiornika – opóźniony o 0,5 s (25b×0,02 s = 0,5 s) względem momentu rozpoczęcia nadawania ramki.
  • S0...S29 – bity określające liczbę okresów trzysekundowych liczonych od 1 stycznia 2000 r. (3×(S0...S29) = liczba sekund liczonych od 1 stycznia 2000 r.
  • TZ0...TZ1 – bity określające czas lokalny. W celu obliczenia czasu lokalnego należy dodać do czasu odebranego z ramki czasowej odpowiedni offset określony przez bity TZ0 i TZ1 (wg poniższej tabeli):
    
    • LS – bit oznaczający, że nadawana jest zapowiedź/brak zapowiedzi sekundy przestępnej:
      • 0 – brak zapowiedzi sekundy przestępnej,
      • 1 – zapowiedź wprowadzenia sekundy przestępnej.
        
        

Sekunda przestępna może być wprowadzona na początku kwartału: I wariant – 1 stycznia lub 1 lipca, II wariant – 1 kwietnia lub 1 października o godz. 0.00 UTC. Zapowiedź sekundy przestępnej powinna być nadawana w okresie od kilku dni do maksymalnie 1 tygodnia przed planowanym momentem wprowadzenia sekundy przestępnej.

 

Rys. 3. Struktura bit owa depeszy czasowej

• LSS – bit określający znak sekundy przestępnej:
  • 0 – dodanie sekundy,
  • 1 – odjęcie sekundy.
• TZC – bit informujący, że w najbliższą niedzielę o godz. 1.00 UTC nastąpi zmiana czasu lokalnego na letni lub zimowy. Domyślnie zmiana czasu następuje w ostatnią niedzielę marca (zmiana na czas letni) oraz w ostatnią niedzielę października (zmiana na czas zimowy). Zapowiedź zbliżającej się zmiany czasu powinna być nadawana z wyprzedzeniem do kilku dni (maksymalnie do 6 dni) przed planowaną zmianą czasu lokalnego.
• SK0, SK1 – bity określające stan nadajnika w Solcu Kujawskim wg poniższej tabeli:
  

Na końcu ramki czasowej wysyłane są 3 bajty korekcyjne Reeda–Solomona, umożliwiające korekcję maksymalnie 24 bitów ramki.

Kodowanie korekcyjne Reeda–Solomona

Zaimplementowany algorytm Reeda– Solomona może objąć korekcją 36 bitów. Korekcją obejmowane są bity od S0 do SK0 (oznaczone na rys. 1. zielonym kolorem). Korekcją nie jest objęty ostatni bit danych użytkowych SK1. Blok korekcji składa się z 24 nadmiarowych bitów (bajty 9...11).

Suma kontrolna i scrambling

Ostatni wolny bajt przewidziany został na sumę kontrolną CRC-8.

Pozostałe funkcjonalności, dostępne w ramach projektu e-CzasPL

Poza e-Czas Radio, pozostałe funkcjonalności w ramach projektu e-CzasPL to e-Czas PTP, e-Czas Monitor i e-Czas Online.

e-Czas PTP to serwis dystrybucji czasu urzędowego do profesjonalnych zastosowań, wymagających dużej dokładności i wiarygodności. Wykorzystuje on połączenia światłowodowe i specjalne serwery PTP, aby umożliwić mikrosekundową dokładność synchronizacji czasu. Protokół PTP umożliwia szybką i skuteczną synchronizację czasu i częstotliwości, dzięki której możliwy jest rozwój technologii telekomunikacyjnych, obsługi operacji finansowych oraz wspierających funkcjonowanie sieci energetycznych.

 

Fot. 1. GUM włożył wiele wysiłku w przygotowanie projektu odbiornika na 225 kHz. Społeczności udostępniono komplet danych: gerbery płytki drukowanej, schemat i projekt PCB, BOM, firmware (jako plik hex) oraz dokumentację. Część radiowa wykorzystuje układ Si4735-D60 (Skyworks Solutions), część cyfrowa dsPIC33 (Microchip)

e-Czas Monitor służy do dodatkowego potwierdzenia zgodności czasu i synchronizacji z wykorzystaniem techniki NTP oraz do autoryzacji źródła czasu. Znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest synchronizacja z czasem obowiązującym na terenie RP i właściwa kontrola czasu, wykorzystywanego przez użytkownika, np. do zabezpieczania centrów danych, podpisu kwalifikowanego i płatności online. Serwis e-Czas Monitor udostępnia zestawy kluczy do autoryzacji wymiany pakietów NTP, generuje wykresy i statystyki monitorowanych serwerów oraz umożliwia wystawianie certyfikatów.

Ostatnią funkcjonalnością w ramach projektu jest e-Czas Online. To darmowa aplikacja na powszechnie używane urządzenia mobilne i stacjonarne, przeznaczona dla wszystkich, którzy chcą mieć dostęp do wiarygodnego źródła czasu na swoim urządzeniu. Aplikacja jest dostępna do pobrania dla użytkowników systemów Windows, Linux, MacOS, Android oraz iOS.

Projekt e-CzasPL jest odpowiedzią na potrzeby różnych gałęzi gospodarki, administracji publicznej, a także te, przejawiające się w różnych obszarach życia społecznego, związane z dostępem do wiarygodnej informacji o czasie.