Emilis Urba, Rimantas Miškinis, Dmitrij Smirnov, Domas Jokubauskis, Bogdan Malyško
Teisinis laikas, jo reikšmė ir svarba
Gyvenime dažnai reikia žinoti, kiek dabar laiko. Reikia laiku ateiti į darbą, nepavėluoti į traukinį ir t. t. Minutės tikslumo dažniausiai pakanka. Neretai reikia daug tiksliau žinoti laiką, pavyzdžiui, valdant orlaivių skrydžius. Kai kuriose mokslo ir technikos srityse svarbios net milijoninės sekundės dalys.
Laikas dažnai įgauna ir teisinę prasmę. Važiuoti viešuoju transportu turime teisę tol, kol nepraėjo nustatyta laiko trukmė po bilieto aktyvavimo. Teikiant pasiūlymą viešojo pirkimo konkurse svarbu, kad jis būtų pateiktas ne vėliau, nei numato konkurso sąlygos. Be to, kartais svarbu, ir kuris pasiūlymas pateiktas pirmiau. Bankinių operacijų atlikimo laikas gali lemti taikytiną valiutų keitimo kursą. Elektroninis parašas yra tikras, jei jis susietas su laiko žyma, patvirtinančia parašo sertifikato galiojimo terminą.
Visais šiais atvejais reikia žinoti tikslų laiką. Tačiau ir to negana: laikas, kurį rodo mūsų rankinis ar kompiuterio laikrodis arba palydovinė navigacijos sistema (angl. Global Navigation Satellite System, GNSS), pavyzdžiui, GPS ar šiuo metu kuriama GALILEO, čia netinka. Reikia tokios laiko vertės, kuri būtų teisiškai pripažįstama ir prireikus galiotų kaip įrodymas teisme. Kitaip tariant, turi būti aišku, kas atsako už tikslaus laiko įrašo ar pranešimo teisingumą. Visa tai byloja, kad mums reikia teisinio laiko, atkuriamo remiantis teisinės metrologijos reikalavimais. Teisinė metrologija yra teisinių reikalavimų taikymas matuojant. Matavimams taikytinus teisinius reikalavimus ir taisykles nustato aukščiausio lygio tarptautinė organizacija – Tarptautinė teisinės metrologijos organizacija (pranc. Organisation Internationale de Métrologie Légale, OIML) <http://www.oiml.org/en/>.
Vienas svarbiausių teisinės metrologijos reikalavimų – matavimo sietis. Tarptautinis metrologijos žodynas <http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdf> ją apibrėžia taip: „Sietis – tai matavimo rezultato savybė, leidžianti susieti rezultatą su etalonu dokumentuota ir nepažeidžiama kalibravimų grandine, kurios kiekviena grandis įneša savo indėlį į matavimo neapibrėžtį“. OIML direktyvos „Matavimo prietaisų hierarchijos schemų nustatymo principai“ (Principles for the establishment of hierarchy schemes for measuring instruments) <http://www.oiml.org/en/files/pdf_d/d005-e82.pdf> 1 priedas (APPENDIX I, p. 9) nustato reikalavimus nacionalinei matavimo sieties schemai. Pagal šiuos reikalavimus fizikinio dydžio matavimas privalo turėti sietį su Tarptautine vienetų sistema (pranc. Système International d’Unités, SI) <http://www.bipm.org/en/measurement-units/>. Sieties grandinėje turi būti visos grandys: grandis, siejanti tarptautinį etaloną su nacionaliniu; grandis, siejanti nacionalinį su antriniais, šiuos – su darbiniais, ir taip iki pramonėje, prekyboje, moksle, valstybės institucijose ir kitur naudojamomis matavimo priemonėmis. 1 paveiksle pavaizduota metrologinės sieties schema, taikytina visiems teisinės metrologijos, taigi ir laiko matavimams.
Kaip matyti, sieties grandinės viršūnė – tarptautinis etalonas arba fizikinis mato vieneto apibrėžimas. Šiuo metu vienintelis fizikinis dydis, kurio sieties grandinės viršūnėje matome tarptautinį etaloną, yra kilogramas. Pagal Tarptautiniame svarsčių ir matų biure (pranc. Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) <http://www.bipm.org/>, Sevre, netoli Paryžiaus, esantį kilogramo etaloną, dar vadinamą tarptautiniu kilogramo prototipu, kalibruojami nacionaliniai arba valstybiniai etalonai, pagal juos – žemesni ir taip iki darbinių etalonų bei matavimo priemonių. Kiekvienas kalibravimas yra patvirtinamas kalibravimo liudijimu, kuriame įrašomos pagrindinės kalibruojamo etalono ar kitos matavimo priemonės metrologinės charakteristikos. Išduotų kalibravimo liudijimų nuo apačios iki viršaus visuma liudija apie visų etalonų (iki paties žemiausio) sietį su tarptautine matavimo vienetų sistema SI. Jei grandinėje būtų nors vienas pažeidimas (įtrūkimas), visa sietis netektų prasmės. Tarkime, nacionalinis etalonas sukalibruotas pagal tarptautinį, tačiau žemesni (vietiniai) etalonai nesukalibruoti pagal nacionalinį. Tokiu atveju, nors darbinės matavimo priemonės ir būtų sukalibruotos pagal vietinius etalonus, jų rodmenys neturėtų sieties su SI.
Šiuo metu, kaip jau minėta, tik masės matavimo sietis vykdoma tokiu būdu, nes tik kilogramas apibrėžiamas taip: tai tarptautinio kilogramo prototipo, esančio Sevre, masė. Kiti pagrindiniai ir išvestiniai SI vienetai šiandien apibrėžiami remiantis tam tikrais fizikiniais reiškiniais, nors anksčiau galėjo būti ir kitaip. Pavyzdžiui, metras šiandien lygus atstumui, kurį nukeliauja šviesa per tam tikrą laiko tarpsnį (intervalą), nors kadaise metro vertė buvo susieta su Žemės pusiaujo perimetru, o metro etalonas – strypas, pagamintas iš ypatingo lydinio, – ilgą laiką buvo laikomas Sevre, kaip ir tarptautinis kilogramo prototipas. Šiandien metrą gali atkurti bet kuri laboratorija, turinti reikiamą įrangą. Atkūrimo būdas, atitinkantis fizikinio dydžio vieneto apibrėžimą, vadinamas pirminiu būdu (metodu), o etalonas, atkuriantis fizikinio dydžio vienetą pagal jo apibrėžimą, vadinamas pirminiu arba pirminio lygio etalonu. Dabar pasaulyje yra daug pirminių metro etalonų, tačiau, skirtingai nei kilogramo atveju, nėra vieno etalono, kurį būtų sutarta laikyti pagrindiniu. Sietis tarp pirminių etalonų atkuriamų verčių užtikrinama atliekant šių etalonų tarpusavio palyginimus, vadinamus tarplaboratoriniais (dažnai jie būna ir tarptautiniai) palyginimais. Jie leidžia įsitikinti, kad kuris nors vienas etalonas nenukrypo nuo kitų.
Panaši situacija yra ir su laiko matavimais. Šiandien sekundė apibrėžiama taip: sekundė (s) – tai laiko vienetas, lygus spinduliavimo, atitinkančio šuolį tarp cezio-133 atomo pagrindinės būsenos hipersmulkiosios sandaros lygmenų, 9 192 631 770 periodų trukmei. Anksčiau sekundė buvo susieta su astronominiais reiškiniais. Taigi, sekundę (kartu ir dažnio vienetą hercą, lygų atvirkštinei sekundei) galime atkurti pagal apibrėžimą, jei turime prietaisą, gebantį sužadinti reikiamą spinduliuotę ir skaičiuoti jos periodus. Toks prietaisas yra cezio atominis laikrodis. Paleidus tokį laikrodį, jis mums „seikėja“ teisingas sekundes – panašiai kaip metro etalonas atkuria intervalą, kurio ilgis tiksliai lygus vienam metrui. Turėdami metrą, dauginimo būdu galime pasidaryti kilometrą, dalinimo – centimetrą, t. y. gauti kartotinius ir dalinius vienetus.
Tačiau mokėti atkurti tikslų laiko intervalą negana. Paleidus bet kokį laikrodį, jį reikia nustatyti, kad į jį pažiūrėję vėliau galėtume sužinoti, koks laikas yra šiuo metu. Savo rankinius laikrodžius paprastai nustatome pagal radiją. O pagal ką nustatysime cezio atominį laikrodį – valstybinį laiko ir dažnio etaloną? Dabar pasaulyje yra daug laboratorijų, kuriose veikia cezio atominiai laikrodžiai, tačiau, panašiai kaip ir su kitais vienetais, pasaulyje nėra to vieno svarbiausio laikrodžio, kurio rodomas laikas būtų pripažintas teisingiausiu ir pagal kurį nugabenus būtų galima nustatyti tą, kurį mes naudojame. Antra vertus, tokie prietaisai nepritaikyti kelionėms.
Atominių laikrodžių rodmenų suderinamumo problema sprendžiama kitaip. Kiekviena laboratorija, tarp jų ir mūsų Fizinių ir technologijos mokslų centro Laiko ir dažnio etalono laboratorija (LDEL), išlaikanti ir prižiūrinti Lietuvos valstybinį laiko ir dažnio etaloną, nuolat matuoja ir registruoja laiko skirtumą tarp savo laikrodžio ar laikrodžių atkuriamos laiko skalės ir signalų, priimamų iš palydovinės navigacijos sistemos GPS palydovų, o išmatuotus laiko skirtumus kas savaitę siunčia į BIPM Laiko skyrių <http://www.bipm.org/en/bipm/tai/>, kuris apdoroja iš viso pasaulio laboratorijų gautus duomenis ir atgaline data suformuoja tarptautinio atominio laiko (pranc. Temps atomique international, TAI) <http://www.bipm.org/en/scientific/tai/tai.html> ir suderinto pasaulinio laiko (pranc. Universel temps coordonné, UTC) <http://www.bipm.org/en/scientific/tai/time_server.html > skales. UTC skiriasi nuo TAI tam tikru sveiku vadinamųjų šuolinių sekundžių (angl. leap seconds) skaičiumi, kurios pridedamos tam, kad atominės sekundės pagrindu atkuriama laiko skalė UTC nenukryptų nuo Žemės sukimosi apie Saulę ir savo ašį daugiau nei per 1 sekundę.
Paskutinį kartą šuolinė sekundė pridėta 2012 m. liepos 1 d., ir nuo to laiko TAI – UTC = 35 s. 2015 m. birželio 30 d. numatytas 36-osios šuolinės sekundės įvedimas. Kiekvienos laboratorijos atkuriama laiko skalė UTC(k) vadinama vietiniu skalės UTC atvaizdu. Galiausiai kas mėnesį sudaroma ir viešai skelbiama laiko cirkuliaru <http://www.bipm.org/jsp/en/kcdb_data.jsp> vadinama ataskaita. Taigi, tikslaus laiko laboratorijos nuolat vykdo tarptautinius palyginimus ir dalyvauja laiko skalių TAI ir UTC sudaryme. Šios skalės vadinamos popierinėmis, nes jų išraiška – laiko cirkuliaras – rodo, kiek nanosekundžių (1 ns =10-9 s) kurią praėjusio mėnesio dieną įvairių pasaulio laboratorijų laikas skyrėsi nuo BIPM apskaičiuoto UTC.
Pasirinkus kurio nors mėnesio laiko cirkuliarą, galima pamatyti, kaip keitėsi pasaulio laboratorijų ir UTC/TAI laiko skirtumas tą mėnesį. Pasirinkus kurią nors laboratoriją, galima pamatyti, kiek jos laikas skyrėsi nuo UTC nuo pat dalyvavimo šiame darbe pradžios. Taigi, šis cirkuliaras nusako kiekvienos iš vietinių laiko skalių UTC(k) sietį su UTC. Todėl kiekviena iš šių laiko skalių, taip pat ir UTC(LT), tenkina sieties reikalavimus, nustatytus OIML.
Kaip matome, sudarant UTC naudojama palydovinė navigacijos sistema GPS, tačiau tik kaip sieties priemonė. Skaičiuojant UTC, GPS laikas tiesiog „iškrenta“. Net jei pati GPS rodytų ir neteisingą laiką (tačiau visoje Žemėje tą patį), tai neturėtų įtakos UTC formavimui.
Vadinasi, jei įstaiga, kuri skleidžia arba naudoja tikslų laiką, pavyzdžiui, laiko žymų tarnyba, teikianti laiko žymas gyventojams ir įstaigoms, arba įmonė, skleidžianti tikslų laiką internetu, per radiją, telefonu ar skaičiuojanti nuo laiko priklausančius mokesčius, tokius kaip mokestis už pokalbius arba naudojimąsi mokamomis stovėjimo aikštelėmis, savo laikrodį vienu ar kitu būdu susieja su kuria nors iš laiko skalių UTC(k). Jos naudojamas ir skleidžiamas laikas atitinka OIML reikalavimus. Laikrodis, susietas su bet kuria skale UTC(k), kartu yra susietas ir su UTC.
Galimi įvairūs laikrodžių sieties būdai. Laiko signalai gali būti perduodami laidais, šviesolaidžiais ar radijo bangomis. Tačiau vartotojų laikrodžių „bendravimą“ su UTC(k) laboratorijų laikrodžiais galima vadinti sietimi tik tada, kai įvertinami ir dokumentuojami (rašytiniu ar elektroniniu pavidalu) vartotojų laikrodžių nuokrypiai nuo UTC(k) laikrodžių bei šių nuokrypių svyravimai.
Dokumentavimo reikalavimas, tiesa, galioja ir kitų dydžių matavimo siečiai, tačiau laikas vis dėlto yra ypatingas šiuo atžvilgiu dydis. Sukalibravę svarstykles, galime tikėtis, kad jų rodmenys per gamintojo nurodytą laikotarpį nenukryps daugiau nei leistina. Tuo tarpu laikrodžio rodmenys gali sutrikti dėl daugelio priežasčių. Pavyzdžiui, nutrūkus maitinimui, laikrodis sustos ir įjungtas pradės laiką skaičiuoti iš pradžių. Todėl laikrodžių metrologinės charakteristikos turi būti nuolatos vertinamos ir dokumentuojamos.
Antra vertus, kaip jau minėta, nė vienas laikrodis, net ir UTC(k) laboratorijos atominis, nerodo UTC. Esamo momento UTC sužinotume prie laboratorijos UTC(k) atominio laikrodžio rodmenų pridėję UTC ir UTC(k) skirtumą. Tačiau paskutiniame cirkuliare rasime praėjusio mėnesio duomenis… Taigi, dabartinis laikrodžio rodmuo tėra UTC artinys, t. y. prognozė. Tikslios UTC vertės apskaičiuoti negalime. Vis dėlto iš cirkuliaruose skelbiamų duomenų galime spręsti, kokio apytiksliai dydžio svyravimų mėnesio laikotarpiu galima tikėtis. Pvz., UTC(LT) atveju jie neviršija 100 ns.
Įvertinti greta esančių laikrodžių rodmenų skirtumus ir šių rodmenų atsitiktinius svyravimus nėra sudėtinga. Tačiau tai atlikti su laikrodžiais, esančiais skirtingose vietose, ypač toli vienas nuo kito – gana keblu. Toli vienas nuo kito esančių laikrodžių siečiai BIPM yra patvirtinęs bendrojo stebėjimo (angl. common view, CW) metodą, kuris naudojamas, formuojant laiko skalę TAI bei atliekant atominių laikrodžių palyginimus moksliniais tikslais. Bendrojo stebėjimo metodo esmė yra ta, kad stebėtojas kalibruotu GPS imtuvu stebi tuos pačius palydovus, kaip ir etalono laboratorija. Kaip ir laboratorijoje, atitinkama įranga registruojamas laiko skirtumas tarp laiko signalų, gaunamų iš GPS, ir laiko signalų, kuriuos teikia vietinis laiko šaltinis (laikrodis).
Kadangi vadinamieji „žali“ laboratorijų GPS duomenys skelbiami viešai <ftp://62.161.69.5/pub/tai/data/2015/time_transfer/raw_gps_data/>, stebėtojas, palyginęs savo gautus ir, pavyzdžiui, Lietuvos pateiktus duomenis (jie yra bylose „lt*.gps“), gali rasti laiko skirtumą tarp savo laiko šaltinio teikiamos laiko skalės ir UTC(LT).
Galimas ir kalibravimas. Jei tikslaus laiko vartotojas turi autonomiškai maitinamą tinkamo stabilumo laiko šaltinį (pvz., rubidžio atominį laikrodį arba aukštos klasės kvarcinį generatorių), kurį veikiantį gali pristatyti į LDEL, LDEL sukalibruoja šį prietaisą, nustatydama jo atkuriamos laiko skalės nuokrypį nuo UTC(LT), taip pat generuojamo dažnio nuokrypį nuo tikslios 1 Hz vertės ir ištiria dažnio stabilumą. Jei galima, LDEL suderina generuojamą dažnį taip, kad jis tiksliai atitiktų 1 Hz, t. y. kad laikrodis neskubėtų ir nevėluotų. Vartotojas, parsigabenęs veikiantį prietaisą, gali jį naudoti kaip laiko šaltinį, atkuriantį laiko skalę, susietą su UTC(LT), nes skirtumas tarp atkuriamos laiko skalės ir UTC(LT) yra žinomas.
Svarbu, kad būtų tinkamai įvertinta vienu ar kitu būdu pasiektos sieties su UTC(LT) neapibrėžtis ir kad ši neapibrėžtis tiktų numatytam taikymui.
Kuriama teisinio laiko skleidimo sistema
Svarbiausi teisinio laiko vartotojai yra laiko žymų tarnybos (angl. time stamping authorities, TSA), finansų institucijos, telekomunikacijų bendrovės ir kt. Šiuo metu rinkoje nėra įrenginių ar sistemų, skirtų teisiniam laikui perduoti iš UTC(k) laboratorijų vartotojams. Lietuviškoji Fizinių ir technologinių mokslų centro (FTMC) Laiko ir dažnio etalono laboratorija kartu su partneriais iš Lenkijos (firma „PikTime“, Varšuvos nacionaliniu gynybos universitetu ir Lenkijos MA Poznanės superkompiuterių centru) ir Lietuvos įmone UAB „BaltStamp“ kuria sistemą, skirtą perduoti vartotojams teisinį laiką – laiko skalę UTC(k), kurią atkuria ir palaiko nacionalinis metrologijos institutas. Tai daroma vykdant programos „Eureka“ („Mokslinių tyrimų ir technologinės plėtros projektų įgyvendinimas“) projektą „Teisinio laiko skleidimo sistema“ (angl. Legal Time Distributing System), Nr. VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-033. Kuriamos sistemos struktūra pavaizduota 2 paveiksle. Sistemos veikimas paremtas BIPM patvirtintu bendrojo stebėjimo metodu, kuris užtikrina vartotojo laikrodžio sietį su UTC(k) laboratorijos laikrodžiu.
Kaip tai veikia?
Vartotojo ir UTC(k) laboratorijos laikrodžių sieties, atliekamos bendrojo stebėjimo metodu, procedūrą sudaro šie etapai:
- Vartotojo ir UTC(k) laboratorijos (NMI) laikrodžių laiko signalų lyginimas su GNSS palydovinių navigacinių sistemų (GPS, GALILEO, GLONASS ar kt.) laiko signalais. Tai atlieka vartotojo ir NMI posistemių GNSS signalų imtuvai ir laiko palyginimo moduliai, kurie veikia suderintais tvarkaraščiais, tuo pačiu metu priimdami nustatytų GNSS palydovų signalus. Kitaip tariant, bendrai stebėdami tuos pačius GNSS palydovus.
- Palyginimo duomenų, gautų vartotojo posistemėje, persiuntimas NMI posistemei. Tam naudojami interneto arba mobiliojo (GSM/3G/4G) ryšio moduliai. Perduodamų duomenų integralumą užtikrina duomenų apdorojimo moduliai.
- Duomenų, gautų vartotojo ir NMI posistemėse, bendras apdorojimas (palyginimas), kurio rezultatas yra vartotojo laikrodžio nuokrypio nuo UTC(k) laiko vertė. Kadangi vartotojo ir NMI posistemėse duomenys gaunami suderintai (vartotojui ir NMI stebint tuos pačius palydovus), atlikus duomenų palyginimą, GNSS palydovų laikas eliminuojamas. Bendrą duomenų apdorojimą atlieka NMI posistemės duomenų tvarkymo modulis. Vartotojo laikrodžio nuokrypio nuo UTC(k) laiko vertės yra kaupiamos duomenų saugykloje ir perduodamos vartotojo posistemei, kurios duomenų apdorojimo modulis prireikus gali koreguoti vartotojo laikrodžio veikimą.
Teisinio laiko skleidimo sistema, kuriama vykdant programos „Eureka“ projektą
WWW serveris leidžia vartotojams stebėti savo laikrodžio nuokrypio nuo UTC(k) laikrodžio vertes, o atsižvelgus į BIPM laiko cirkuliaro duomenis, galima įvertinti savo (vartotojo) laikrodžio nuokrypį nuo suderinto pasaulinio laiko UTC. Sistemos vartotojų skaičius nėra ribojamas, o pati sistema gali būti naudojama bet kurioje valstybėje.
Atsižvelgiant į skirtingų vartotojų grupių poreikius, kuriamos dvi sistemos versijos: ekonominė, užtikrinanti laiko skalės UTC(k) perdavimą vartotojams vienos milisekundės, arba vienos tūkstantosios sekundės dalies (1 ms = 10-3 s), tikslumu, ir tikslioji, perduodanti laiko skalę UTC(k) submikrosekundiniu tikslumu, t. y. tiksliau nei viena milijoninė sekundės dalis (1 μs = 10-6 s).
Lietuvoje projekto vykdymas finansuojamas Europos socialinio fondo ir Lietuvos Respublikos biudžeto lėšomis. Projekto vadovas Lietuvoje – dr. Rimantas Miškinis; vykdytojai – Dmitrij Smirnov, Domas Jokubauskis, Emilis Urba, Bogdan Malyško, Eglė Baniulienė ir Vincentas Vitkauskas. Autoriai yra Fizinių ir technologijos mokslų centro Metrologijos skyriaus Laiko ir dažnio etalono laboratorijos darbuotojai.
