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L'unica rivista italiana interamente dedicata alle Misure, alle Prove e ai Controlli Qualità
Anno: XII N. 4 Gennaio 2011

LO SPAZIO DEGLI IMP

I.N.Ri.M. contribuisce al tempo di Galileo

La metrologia del tempo nel sistema di navigazione satellitare europeo
di Patrizia Tavella (*)


(*) INRiM; Torino. p.tavella@inrim.it

I.N.Ri.M. contributes to the time of the European satellite navigation system Galileo

The European Satellite navigation system Galileo will soon enter in the operational phase with the launch of the first 4 satellites which will allow the validation of the entire system. The heart of any navigation system are the clocks as estimating position means measuring the time of flight of satellite signals and therefore good clocks are fundamental ingredients. But that’s not enough, the clocks are to be very precise, synchronized, giving the correct time and any malfunctioning has to be detected immediately. Who can provide this expertise? The European national metrology institutes have been heavily involved and I.N.Ri.M. in the last 10 years got about 20 research contracts to develop and test the Galileo synchronization system, time scale generation, validation of onboard clocks and for the development of space atomic clock for the next satellite generation. Today the European Space Agency asks I.N.Ri.M. to develop and operate a new Galileo Time Validation Facility that must be ready next year when the first satellite will be launched, and I.N.Ri.M. will validate the behavior of the space- and ground clocks and will contribute to the synchronization of the Galileo System Time to the international Coordinated Universal Time.

RIASSUNTO

Il sistema di navigazione satellitare europeo Galileo sta per entrare nella fase operativa. Nel 2011/2012 saranno lanciati i primi 4 satelliti che permetteranno di verificare la funzionalità del sistema. Il cuore di un sistema di navigazione satellitare è rappresentato dagli orologi: stimare correttamente la propria posizione significa infatti misurare in quanto tempo il segnale dal satellite arriva al nostro ricevitore a terra e quello che conta, tra le altre cose, è avere buoni orologi. Ma non basta, gli orologi del sistema devono essere molto precisi, segnare l'ora giusta, essere sincronizzati tra loro, e si deve saper identificare immediatamente un loro malfunzionamento. Dove si possono trovare queste competenze? Gli istituti come l'I.N.Ri.M. di Torino, che per missione si occupano di metrologia del tempo, sono da anni coinvolti nello sviluppo dei sistemi di navigazione. Negli ultimi 10 anni I.N.Ri.M. ha partecipato a 20 progetti dell'Agenzia Spaziale Europea e della Commissione Europea per la definizione e sperimentazione del sistema di sincronizzazione di Galileo, per la caratterizzazione degli orologi a bordo dei satelliti, dei ricevitori a terra e per lo sviluppo di nuovi orologi atomici per la prossima generazione dei satelliti Galileo. Oggi l'Agenzia Spaziale Europea chiede all'I.N.Ri.M. di progettare e realizzare una nuova struttura, la "Galileo Time Validation Facility" che al momento del lancio dei satelliti dovrà essere pronta sia per verificare il comportamento degli orologi a bordo dei satelliti (4 per satellite) e installati nelle stazioni a terra, sia per mantenere l'ora di riferimento di Galileo molto vicina all'ora esatta internazionale, Coordinated Universal Time.

LA MODERNA NAVIGAZIONE SATELLITARE

Nei moderni sistemi di navigazione satellitare la metrologia del tempo gioca un ruolo chiave poiché la stima della posizione è effettuata misurando il tempo di volo di segnali, opportunamente codificati, che provengono dai satelliti. La Fig. 1 riporta uno schema semplificato del principio alla base della navigazione sferica. Ogni satellite invia un segnale che contiene diverse informazioni, tra cui la posizione del satellite e l’ora cui il segnale è partito. A Terra un ricevitore misura l’ora di arrivo del segnale e dalla differenza tra l’ora di partenza e di arrivo si risale al tempo di volo del segnale stesso e quindi alla distanza tra satellite e ricevitore, moltiplicando per la velocità della luce che è la velocità a cui viaggiano i segnali elettromagnetici. Conoscendo la posizione del satellite e la distanza da questo, sappiamo che il nostro ricevitore si trova su una sfera con centro il satellite e raggio pari alla distanza misurata. Non conosciamo ancora la nostra posizione, sappiamo solo di essere sulla superficie di una certa sfera. Captando e misurando però i segnali provenienti da un secondo, da un terzo e da un quarto satellite possiamo ripetere lo stesso esercizio e la stima della posizione sarà data dall’intersezione di quelle sfere.

Il gioco sembra facile, in realtà più che un solo punto d’intersezione si determina una regione in cui le sfere s’intersecano e in cui possiamo stimare la nostra posizione con un’incertezza che dipende da diversi fattori tra cui la qualità degli orologi e delle misure di tempo, del ricevitore, della distorsione del segnale dovuta all’attraversamento dell’atmosfera, i cammini multipli. Inoltre, per evitare di dover viaggiare con un ricevitore connesso a un orologio atomico, si misura un satellite in più e si stima nella soluzione globale anche lo scarto dell’orologio locale. A parte i vari dettagli tecnici si capisce come sia fondamentale che il sistema di navigazione sappia garantire alcuni aspetti che sono strettamente legati alla metrologia del tempo:

1.  Gli orologi devono essere di ottima qualità perché tanto si sbaglia a misurare il tempo di volo, tanto si sbaglia a stimare la posizione. Infatti poiché la velocità della luce è un numero molto grande (circa 3×108 m/s), un errore di un microsecondo (10-6 s) sulla misura di tempo diventa un errore di almeno 300 m sulla valutazione della posizione.

2.  Gli orologi del sistema, sia a Terra sia a bordo, devono essere tutti sincronizzati tra loro per la coerenza del sistema. Questo richiede che sia definita una “ora di riferimento” per tutto il sistema a cui gli orologi sono sincronizzati. L’ora di riferimento del sistema è poi mantenuta in stretto accordo con l’ora di riferimento internazionale che è chiamata Coordinated Universal Time (UTC) ed è calcolata e distribuita dal Bureau Internazionale des Poids et Mesures di Sèvres (Parigi).

3.  Una volta a bordo gli orologi devono essere continuamente misurati e controllati sia per conoscere lo scarto rispetto all’ora di riferimento, sia per verificare il loro corretto comportamento. Inoltre non sempre i satelliti sono visibili e misurabili da terra, e il passaggio sopra la stazione che invia nuove correzioni al satellite può avvenire solo alcune volte al giorno, quindi è anche necessario saper “predire” l’andamento degli orologi per inviare all’utente in tempo reale un’informazione sempre accurata.

La Fig. 2 illustra lo schema di un sistema di navigazione mostrando come nel segmento di spazio (i satelliti), di terra (le stazioni di monitoring e controllo), di utenza e per il collegamento con l’ora esatta internazionale, gli orologi e la metrologia del tempo siano fondamentali.

Tutte queste attività sono le stesse di cui ci si occupa negli istituti primari di metrologia. Le situazioni possono essere diverse: laboratori e non satelliti, misure continue e non saltuarie, ma nella sostanza le attività sono molto simili. Per questo, da quando in Europa si è cominciato a pensare a un sistema satellitare europeo di navigazione, si è andati alla ricerca di competenze specialistiche negli istituti di metrologia.

DA DIECI ANNI I.N.RI.M. È IMPEGNATO IN GALILEO

Negli ultimi dieci anni il gruppo che si occupa in I.N.Ri.M. di scale di tempo e algoritmi è coinvolto nella definizione del sistema europeo Galileo, dapprima nella fase di studio e proposta e poi, man mano, nelle diverse fasi sperimentali. Nel 2003-2004 si fece un primo esperimento denominato Galileo System Test Bed version 1 in cui, usando i satelliti del sistema americano GPS, si verificò la struttura di terra del sistema Galileo allestendo un centro di controllo, di monitoring e di verifica basato sugli algoritmi e l’architettura previsti per Galileo. In quel contesto il laboratorio di tempo dell’I.N.Ri.M. (allora IEN) svolse il ruolo di Experimental Precise Timing Station (E-PTS) generando con i propri orologi e sistemi di misura una scala di tempo sperimentale per il sistema Galileo, e tenendola in stretto accordo con UTC internazionale. La struttura del laboratorio usata in tale esperimento è rappresentata in Fig. 3.

Dopo un anno di sperimentazione in un contesto operativo il cui scopo era la gestione automatica del laboratorio con la generazione e il controllo della scala di tempo sperimentale di Galileo, limitando al minimo l’intervento degli operatori, ci si è resi conto che per un sistema di navigazione è più importante la robustezza della massima accuratezza, diversamente da come siamo abituati nei laboratori di ricerca. Quindi, diversamente da come siamo abituati in I.N.Ri.M., si è cominciato a lavorare alla ricerca di algoritmi e soluzioni sperimentali che tendano a garantire un funzionamento continuo e integro, resistendo alle inevitabili anomalie e malfunzionamenti che si verificano in ogni situazione reale.

Nel 2006, l’Agenzia Spaziale Europea ha intrapreso la seconda fase sperimentale lanciando due satelliti sperimentali, GIOVE A e GIOVE B, con a bordo i primi orologi atomici sviluppati in Europa per Galileo, e con a terra una struttura di prova e validazione dei satelliti, segnali e ricevitori. I.N.Ri.M. è ancora coinvolto sia ospitando un ricevitore sperimentale connesso a un maser all’idrogeno, che fa da orologio di riferimento per l’esperimento (Fig. 4), sia elaborando le misure degli orologi di bordo per caratterizzarne il comportamento e stimando le prestazioni di stabilità e accuratezza che possono garantire.

Nell’ambito di questa seconda fase sperimentale denominata GIOVE (Galileo In Orbit Validation Element) Mission, I.N.Ri.M. ha sviluppato diversi sistemi sia per valutare le misure effettuate dal ricevitore sperimentale, talvolta oscurate da segnali d’interferenza o influenzate da altri fattori esterni, sia per caratterizzare gli orologi di bordo, le cui misure sono condizionate dal rumore del sistema di misura e spesso affette da outliers o dati mancanti.

Un esempio delle attività di verifica è riportato nella Fig. 5 in cui è rappresentato lo scarto misurato tra due orologi a terra, due maser all’idrogeno, mantenuti rispettivamente all’I.N.Ri.M. e a Washington DC presso il Naval Observatory degli Stati Uniti d’America (USNO). Tali orologi sono confrontati nell’ambito dell’attività istituzionale I.N.Ri.M. con un metodo detto Precise Point Positioning che si basa sulle misure del sistema GPS elaborate con un sofisticato algoritmo matematico (curva rosa in Fig. 5). Analogamente, poiché tali orologi fanno anche parte della rete sperimentale Galileo, con le misure dei ricevitori sperimentali e un altro opportuno algoritmo del sistema Galileo è possibile stimare lo scarto tra gli stessi due orologi (curva blu nella Fig. 5). Come si può vedere per due orologi a circa 7 000 km di distanza la possibilità di stimarne lo scarto con un accordo entro poche centinaia di picosecondi è, per le tecnologie disponibili oggi, sorprendente e di estremo interesse per la validazione degli algoritmi Galileo.

Un’altra attività in corso consiste nel saper individuare molto rapidamente comportamenti anomali negli orologi. Il sistema Galileo vuole offrire agli utenti un servizio d’integrità che significa informare l’utente quasi in tempo reale di possibili malfunzionamenti di un qualche satellite. A tal fine occorre che il sistema sappia elaborare le misure e identificare eventuali problemi in tempi molto rapidi, dell’ordine dei secondi, in modo da poter informare l’utente prima che utilizzi il segnale affetto da anomalia per un posizionamento critico, come ad esempio l’atterraggio di un aereo. All’I.N.Ri.M. in collaborazione con il Politecnico di Torino sono in corso di sviluppo diversi algoritmi di rilevazione rapida che sono sperimentati sui segnali Galileo. Uno di questi algoritmi si chiama Varianza di Allan Dinamica ed è un’estensione di una grandezza statistica molto nota nel settore detta Varianza di Allan (denominata grazie al suo propositore Dave Allan del National Institute for Standards and Technology in USA). Tale grandezza permette di stimare e identificare il tipo e il livello di rumore presente sul segnale di un orologio in base a un certo parametro t di osservazione che corrisponde al tempo su cui si stima il valore medio della frequenza.

Grafici bidimensionali che riportano la varianza di Allan al variare del parametro t sono molto utilizzati dai metrologi e indicano immediatamente la qualità dell’orologio. L’idea proposta è di stimare la Varianza di Allan su una finestra di dati che man mano scorre verso dati più recenti, in modo da avere una rappresentazione “dinamica” di tale grandezza e da poterne verificare la stazionarietà. Se l’orologio non presenta anomalie, ha infatti un comportamento stazionario che conduce a una varianza di Allan sempre dello stesso tipo e dello stesso livello. Un’anomalia, cioè una variazione rapida delle caratteristiche dell’orologio, risulta invece in una variazione della varianza di Allan nel tempo. Un esempio è riportato nella Fig. 6.

Dall’analisi di queste valutazioni è possibile identificare comportamenti anomali. E’ tuttora in corso una fase di completa caratterizzazione di questi algoritmi di rivelazione perché quando l’anomalia è piccola, simile alle fluttuazioni statistiche osservate, diventa difficile discriminarla dai falsi allarmi e il sistema Galileo non può permettersi di mettere fuori uso un satellite il cui orologio è dichiarato, erroneamente, in anomalia.

I.N.Ri.M. ha partecipato anche allo sviluppo di un prototipo di Galileo Time Service Provider che dovrà essere una struttura esterna al sistema Galileo, composta da istituti metrologici, allo scopo di fornire al centro di controllo le correzioni necessarie per la scala di tempo di Galileo affinché rimanga strettamente sincronizzata al tempo internazionale UTC [5].

SCENARI FUTURI

Da qualche mese I.N.Ri.M. è stato incaricato dall’Agenzia Spaziale Europea di costruire presso i propri laboratori una Time Validation Facility (TVF) da utilizzare nei prossimi due anni quando saranno lanciati i primi 4 satelliti del sistema definitivo e sarà necessario verificare che il comportamento di tutto il sistema, e in particolare degli orologi, sia conforme ai requisiti. All’I.N.Ri.M. si è iniziato a lavorare (in Fig. 7 il gruppo coinvolto) da una parte per allestire i sistemi di controllo e monitoring degli orologi del sistema, dall’altra per sviluppare algoritmi e strutture di misura idonee, anche in collaborazione con altri laboratori europei. La TVF dovrà anche svolgere temporaneamente la funzione di Time Service Provider stimando le correzioni per avere l’ora di Galileo sincronizzata al tempo internazionale UTC. Nel 2011/2012 sono previste le attività sperimentali.

BIBLIOGRAFIA

[1] P. Waller, F. Gonzalez, J. Hahn, S. Binda, I.Hidalgo, R. Piriz, A. Mozo, G. Tobias, I.Sesia, P. Tavella, G. Cerretto, “In-Orbit Performance Assesment of GIOVE Clocks” Proc. of 40th PTTI Meeting, Reston, VA, USA, 2008.

[2] L. Galleani, P. Tavella, “Dynamic Allan variance” , UFFC IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 56, no. 3, March 2009, pp. 450-464

[3] R. Píriz, A. Mozo, G. Tobías, V. Fernandez, P. Tavella, I. Sesia, G. Cerretto, J. Hahn, "GNSS Interoperability: Offset between reference Time Scales and Timing Biases" Metrologia, Vol. 45, No. 6 (2008), pp. 87-102.

[4] R. Zanello, M. Mascarello, L. Galleani, P. Tavella, E. Detoma, A. Bellotti, “The Galileo Precise Timing Facility” Proc. of EFTF and IEEE-FCS - TimeNav07, Geneva, Switzerland, 2007.

[5] J. Achkar et al., “Fidelity – Progress report on delivering the prototype Galileo Time Service Provider” Proc. 21th EFTF, Geneva, Switzerland, 2007.

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