英国のタイミングシステムが故障した場合、このサービスがそれを救うだろう

ロンドンから南西へ向かうと、テディントンという、テムズ川沿いの並木道が続く郊外の町にたどり着く。この何の変哲もない地区に、英国でも珍しいセキュリティプログラムの一つ、国立タイミングセンター（NTC）がある。これは政府主導の研究所で、より堅牢で新しい時刻測定方法の開発に取り組んでいる。

英国は数十年にわたり、他のほとんどの国と同様に、正確な時刻を知るために全地球航法衛星システム（GNSS）（宇宙を周回する衛星からの信号）に依存してきました。これらのGNSS信号は、モバイルネットワーク、電力網、そしてインターネットの基盤となっています。スマートフォン、ノートパソコン、そして私たちの生活に欠かせないほぼすべてのスマートデバイスの時刻の源となっています。しかし、GNSSが妨害されたり、機能しなくなったりするのではないかという懸念が高まっており、その影響は甚大です。5日間の妨害で、英国経済は推定52億ポンド（61億5000万ドル）の損失を被るとされています。

2017年、英国政府の委託を受けた独立報告書は、正確な時間測定の重要性と、それを提供するGNSSの役割に対する無知が「特に深刻」であると宣言した。報告書は、自然現象と意図的な干渉の両方に対するシステムの脆弱性が「十分に理解されていない」と付け加え、英国に対し、正確な時間測定の耐性を高めるための措置を講じるよう勧告した。

「目に見えない公共財である時間への依存は、デジタルインフラ全体で急速に高まっています」と、NTCプログラムの責任者であるレオン・ロボ氏は述べています。しかしながら、英国の時間は脆弱なシステムを通じて提供されていると彼は説明します。これが、2020年にNTCが設立された理由です。

スマートフォンと、例えば駅の発車案内板がどのようにして同じ時刻を表示するのか、これまで考えたこともなかったかもしれません。しかし、これがどのように実現されているのか、ここでご説明します。GNSS信号は衛星群を介して送信され、各衛星は、どの衛星であるか、宇宙空間での位置、そして時間測定のゴールドスタンダードである複数の原子時計を通して機内で生成される安定したタイムスタンプを示すコード化されたメッセージを送信します。原子時計は特定の原子の振動を数えることで時間を計測しますが、その振動は非常に一貫性があり安定しているため、原子時計に依存する時計はほとんどずれません。（例えば、NASAの原子時計は1000万年以上も秒単位の精度を保ちます。）

地上数千キロメートル下のGNSS受信機が信号を受信すると、無線信号は一定の速度で伝わるため、信号の送信と受信の間の遅延時間を測定することで、送信元の衛星までの距離を計算できます。受信機が少なくとも4基の衛星から信号を受信できれば、メートル単位の精度で位置を計算できるだけでなく、マイクロ秒単位の精度で現地時間も計算できます。

GNSSは、携帯電話や車載ナビゲーションシステムなど、小型チップサイズの受信機を搭載したあらゆるデバイスでデータを受信できるため、衛星の打ち上げ費用を除けば低コストです。より高精度なシステムは地域ごとに展開できますが、一般的にGNSSは、実際の原子時計を必要とせずに、地球規模で原子時計の精度を実現できます。そのため、GNSSは毎日数十億人が利用しており、緊急対応、航空、精密農業など、正確な時刻や位置情報を必要とする幅広いサービスの基盤となっています。

「GNSSを使うのは、正確な時刻を確保する最も低コストな方法です。なぜなら、無料で、どこでも利用できるからです」と、測地工学の専門家であるギャビン・シュロック氏は言います。「人里離れた場所にコンピューターネットワークを構築したい場合でも、GNSSを使えば迅速かつ簡単に正確な時刻を確保できます。」

GNSSから得られる時刻は、ネットワーク全体のデバイスやシステムを同期させるためにも使用できます。これにより、ほとんどのローカルな計測方法よりもはるかに一貫性と精度の高い時刻を維持できます。電池式、プラグイン式、機械式時計は、それぞれの物理的特性、温度変化、そして時には磁気干渉の影響により、真の現地時間から、そして互いの時刻からもずれが生じます。一般的な時計は、1年に1時間以上ずれることがあります。

そのため、企業やサービスはGNSS時刻を受信し、それをローカルマスタークロックに入力し、下流に配信しています。固定および移動通信会社は、基地局間の時刻同期を実現するためにこれを行っています。デバイスに電力を供給する電力網も、時刻同期のためにGNSSに依存しています。電力網全体の電力値を継続的に測定し、タイムスタンプを付与することで、ネットワークを通じた電力の流れを最適化する必要がありますが、これはクロックが一致している場合にのみ可能です。金融サービス業界もまた、規制当局の監視のために、すべてのやり取りを時系列順に並べるためにGNSSタイムスタンプを利用しています。

米国国土安全保障省によると、通信、エネルギー、金融のいずれかのセクターが機能停止または破壊されると、国家経済安全保障と公衆衛生に「深刻な影響」が及ぶとされています。現代のネットワークは相互に依存しているため、GNSSは単一障害点となり、他の様々なサービスやアプリケーションに影響を及ぼす可能性があります。GNSSは、工業化社会のほぼすべての側面に影響を与える、隠れた依存物です。

しかし、GNSSが機能しなくなった場合に何が起こるかについては、ほとんど考慮されていません。衛星の場合、地磁気嵐や宇宙ゴミの影響で信号が途絶えたり、完全に機能しなくなったりする可能性があります。「GNSS信号が利用できなくなる理由は多岐にわたり、深刻な被害をもたらす可能性があります」と、通信専門家のウルリッヒ・コーン氏は述べています。

衛星から発信される信号は微弱であるため、GNSS対応サービスはすべて妨害電波の影響を受けやすく、妨害電波によって信号が干渉波に埋もれてしまう可能性があります。妨害電波を発射する機器が普及するにつれて、この問題の範囲と規模は拡大しています。電子タグによる監視を回避しようとする犯罪者から、無断停車を隠蔽しようとするバン運転手まで、誰もが妨害電波の発射装置の使用を検討する可能性があります。

安価なトラック用妨害装置は100ドル以下で入手可能ですが、製造品質が劣悪なため、設計上の妨害効果よりも大きなものとなっています。2009年、英国の船舶ガラテア号（灯台の維持管理などを担当）に搭載された妨害装置が携帯電話の1000分の1以下の出力しかなく、船舶の電子海図に誤った位置を表示させ、自動操縦装置が船を静かに航路から外してしまうという事故が発生しました。

もう一つの懸念事項はスプーフィングです。これは、地上局から受信機に偽の信号を送信し、誤った情報をシステムに送り込むものです。妨害電波と同様に、スプーフィングもハッカーや反逆国家によって利用されるリスクがありますが、信号が失われるよりも偽の信号を検出するのが難しいため、より危険です。

2014年のクリミア併合以来、ロシアはウクライナに向けて送信されるGNSS信号を遮断し、同国を位置情報、航行情報、時刻情報サービスから遮断していると報じられています。さらに2017年には、黒海で20隻の船舶が、GNSS信号が偽装され、32キロメートル以上内陸にいると表示されたと報告しました。これを受け、ロシアが新たなタイプの電子戦を試験しているという報道が広まりました。

「地政学的状況により、GNSSの妨害に特定の国家主体が一定の利益を得ているため、（GNSSの）障害リスクは現在大きくなっています」とコーン氏は説明する。「したがって、国家の利益にとって非常に重要なアプリケーションの場合、GNSSだけに頼ることが良い解決策であるとは考えにくいのです。」

NTCが英国に対して提案する解決策は、代替となる独立したサービスを立ち上げることです。このシステムは、テディントンを含む全国4か所の安全な施設に設置された原子時計のネットワークで構成されます。これらの施設は、正確に1秒間隔の、完全に安定したパルスを生成します。このサービスは「Resilient Enhanced Time Scale Infrastructure（RETSI）」と呼ばれ、いずれかの施設に障害が発生した場合でも利用可能です。「レジリエンス（回復力）を実現するには、単一のソリューションに頼るのではなく、それぞれ異なる障害モードを持つ多様性を実現することです」とロボ氏は述べています。

NTCはRETSIから、現在GNSSによって提供されている時刻と同等の精度の現地時刻を直接管理します。この時刻は、無線信号、衛星群、光ファイバーケーブルを通じて主要サービスに配信されます。

また、その高い信頼性から、RETSIは「システム・オブ・システムの源泉、あるいは心臓部、いわばタマネギの芯」となることが期待されているとロボ氏は述べている。レジリエントなタイミングを必要とする組織（銀行、通信会社、防衛企業、そしてそれらにサービスを提供する企業など）は、このシステムに移行する可能性があるだけでなく、新技術のイノベーションを加速させ、企業が新しい製品やサービスを提供できるようにするだろう。例えば、正確で堅牢な計時は、スマートグリッド、スマートシティ、そして未来のコネクテッド自動運転車といった技術の基盤となるだろう。

「優れたインターネットがあれば、分散アプリケーションをその上に配置できます。優れたタイミングネットワークがあれば、その上に分散タイミングアプリケーションを配置できます」とシュロック氏は語る。「このような優れたバックボーンがあれば、企業は顧客により良いサービスを提供できるようになります。」

NTCの取り組みが全く独自のものだというわけではない。世界には、原子時計のメッシュネットワークを同等に構築している場所が他にもあるからだ。しかし、そのほとんどは、GNSSの信頼性が十分でない地域や実験室規模で構築されている。例えば日本は地震のリスクがあるため、同期されたタイムセンターのネットワークに依存している。中国、米国、その他の国にも同様のネットワークが存在するが、「精密計時コミュニティや業界以外ではほとんど宣伝されていない」とシュロック氏は言う。

RETSIは2024年に打ち上げられることが期待されています。インターネット経由で基本的な無料アクセスが可能になり、光ファイバーケーブル経由で最高水準の精度と信頼性が提供されます。様々な業界で高精度な時間への需要が高まる中、ロボ氏はこれが高精度なタイミングの理解に大きな変化をもたらすきっかけになると考えています。

「私たちは、未来の時間を真の公共サービスとして捉えています」と彼は言います。「電気、水道、ガスと同じように、壁のコンセントから供給できるようになるので、あらゆる用途において、安心して安心してお使いいただけます。」