Galileu: no hi ha manera sense temps

de l’ESA ESTEC El centre tècnic dels Països Baixos controla contínuament l'”hora del sistema Galileo” al cor del sistema de navegació per satèl·lit d’Europa, de manera independent del propi sistema operatiu Galileo.

Per a això, l’establiment acull al seu laboratori de la UTC un “conjunt” de rellotges atòmics d’alt rendiment que es mantenen en condicions de sala blanca estabilitzada tèrmicament. Aquesta col·lecció de rellotges atòmics de la mida d’un frigorífic, juntament amb els mitjans per mesurar-los i comparar-los, proporciona una sincronització estable i precisa que normalment és d’una mil·l·lonèsima de segon, gairebé deu vegades millor que l’hora del sistema Galileo.

Ajuda a establir l’hora global

Pierre Waller, que supervisa el laboratori, explica: “El nostre laboratori UTC s’anomena així perquè, juntament amb el Oficina de Suport a la NavegacióEls rellotges similars de l’ESOC a Alemanya s’utilitzen per establir una escala de temps comuna anomenada UTC(ESA), que al seu torn és una de les entrades per a la configuració del temps universal coordinat, UTC, l’escala de temps de referència del món, mantinguda per París. amb seu al Bureau International des Poids i Mesures, BIPM.”

El conjunt de rellotges atòmics d’ESTEC ha funcionat contínuament des de fa més d’una dècada, suportant la pandèmia de COVID-19 i un canvi d’ubicació, quan els rellotges es van transportar progressivament i es van tornar a sincronitzar des del seu lloc original a un altre més avall del corredor. La contribució addicional dels rellotges situats a l’ESOC des del novembre de 2021 ha augmentat encara més la robustesa d’UTC(ESA).

L’enginyer de microones de l’ESA Cedric Plantard comenta: “Per mesurar qualsevol cosa correctament, és essencial un criteri adequat. Així, UTC(ESA) es pot utilitzar per realitzar una comprovació independent del rendiment del temps de Galileo, així com per avaluar el rendiment dels rellotges atòmics candidats per al proper equip a bord dels satèl·lits de segona generació de Galileo, o qualsevol altra prova que requereixi un nivell ultra estable i referència temporal precisa”.

“Penseu en els rellotges aquí com treballant junts en aquest entorn cuidat com una orquestra, contribuint a un valor de temps mitjà ponderat. Si un rellotge surt fora de l’abast de la resta, s’activa automàticament una alarma”.

Comptant nanosegons per mesurar la distància

Per què el posicionament exacte requereix una cronometratge precisa? Per la manera com funciona Galileo, convertint el temps en distància. El principi s’assembla a la manera com se’ls ensenya als nens a estimar la distància d’una tempesta: veure un llamp i després comptar els segons fins que els arriba un tron. Excepte en aquest cas, el temps implica mil·milionèsimes de segon, multiplicades per la velocitat de la llum.

Els satèl·lits Galileo orbiten a 23 222 km sobre la Terra, transmetent senyals cap avall que incorporen una marca de temps. Un receptor de satnav a terra capta quatre o més senyals de Galileo per fixar la seva posició a terra. Quan els senyals hi arriben, han trigat al voltant d’una dotzena part de segon des de l’òrbita, tal com revela la diferència entre el segell de temps del senyal i el temps del receptor.

El receptor multiplica aquesta diferència per la velocitat de la llum (uns 30 cm per nanosegon, una mil·l·lonèsima de segon) per obtenir la seva distància exacta de cada satèl·lit en òrbita, i després combina aquestes mesures en una triangulació per calcular la seva posició global. Si els rellotges tenen un error de més de tres nanosegons, aquest valor de posicionament ja supera un metre d’extensió. Un error d’un segon significaria que el receptor també podria estar a la Lluna.

Els rellotges atòmics bessons “màser d’hidrogen passiu” són els rellotges mestres a bord de cada satèl·lit, que mesuren el temps amb una precisió d’un segon en tres mil milions d’anys. Dos rellotges de rubidi més petits proporcionen una font de temps independent i alternativa, amb una precisió de tres segons en mil milions d’anys.

Però a la pràctica, aquests rellotges a bord són propensos a derivar lleugerament amb el temps. Així, una xarxa mundial d’estacions terrestres de Galileo manté una pestanya contínua sobre els senyals dels satèl·lits, per identificar qualsevol deriva del rellotge en comparació amb el “Hora del sistema Galileo” (així com qualsevol petita deriva orbital). A continuació, es corregeixen els errors dins d’un missatge de navegació actualitzat, es compila i es penja als satèl·lits per retransmetre els senyals de navegació de Galileo cada 100 minuts o menys.

El millor moment per al temps

La disponibilitat general de Galileo i dels altres sistemes globals de navegació per satèl·lit, cadascun amb els seus propis temps de sistema (i els seus propis desplaçaments en relació amb l’UTC), està contribuint a un augment massiu de la precisió del temps a tot el món, que s’utilitza, per exemple, per a la sincronització de comunicacions, finances. i xarxes elèctriques. Però al final, l’única manera segura de comprovar el rendiment d’un rellotge és amb un altre rellotge, d’aquí la necessitat d’UTC (ESA) i escales de temps de referència comparables.

“UTC(ESA) és una eina d’enginyeria que es pot utilitzar per a tot tipus de propòsits”, afegeix Pierre.

“Així, per exemple, actualment estem estudiant el rendiment de la transferència de temps mitjançant fibra òptica amb els holandesos VSL Institut Nacional de Metrologiacom a mitjà per exportar el temps precís allà on sigui necessari, juntament amb l’avaluació del rendiment de Galileo, el futur maquinari i els serveis candidats”.

Sobre Galileu

Galileo és el sistema de navegació per satèl·lit més precís del món, que ara dóna servei a més de quatre mil milions d’usuaris a tot el món. Tots els telèfons intel·ligents venuts al Mercat Únic Europeu estan garantits ara compatibles amb Galileo. A més, Galileo està marcant la diferència en els camps del transport ferroviari i marítim, l’agricultura, els serveis de temps financer i les operacions de rescat.

Galileo és un dels programes emblemàtics del Programa Espacial de la UE, gestionat i finançat per la Unió Europea. Des dels seus inicis, l’ESA ha liderat el disseny i desenvolupament dels sistemes espacials i terrestres, així com l’adquisició de llançaments. EUSPA (l’Agència de la UE per al Programa Espacial) actua com a proveïdor de serveis de Galileo, supervisant el mercat i les necessitats d’aplicacions i tancant el bucle amb els usuaris.

Per a més informació sobre Galileu: https://www.usegalileo.eu