Prali, aprile 2010
Patrizia Tavella
Il 1 gennaio 2006, l’Istituto Elettrotecnico Nazionale "Galileo Ferraris" (IEN) el’Istituto di Metrologia "Gustavo Colonnetti" (IMGC) si sono uniti per formarel’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M).
INRIM è un ente pubblico che ha lo scopo di compiere e promuovere attività di ricerca scientifica in metrologia.
La ricerca nella metrologia del tempo include:– orologi atomici– techniche di confronto e sincronizzazioni orologi– modelli e algoritmi matematici
» per realizzare e disseminare l’ora esatta in Italia UTC(IT)» per contribuire all’ora esatta internazione Universal Coordinated Time
Come si fa a sapere
Cosa sono gli orologi atomici?
perché nello spazio?
PER MISURARE IL TEMPO
Ci vuole qualcosa che “oscilli”
e che “oscilli” regolarmente
indipendentemente dalla posizione, epoca, condizioni...
Per secoli
Il tempo è scandito da orologi atomici
che misurano le irregolarità del moto terrestre
Dal 1967
Il movimento della Terra ha segnato il tempo
e su questo regolavamo gli orologi
Cosa sono gli orologi atomici?
atomo
elettrone
nucleo
radiazione elettromagnetica
lunghezza d’onda
o frequenza
Mompellato, 23 marzo ‘07
Gli atomi emettono o assorbono radiazioni di una ben determinata frequenza
Ultimo nato meglio di 10-15
accuratezza
Orologi a confronto
quarzo dibuona qualita`
rubidio cesio maser idrogeno
portabilita` ottima buonaspazio/terra/aria
soprattutto perlaboratori
solo perlaboratori
accuratezza 10-9 10-10 10-14---10-12 10-11
errore di unmicrosecondo
100--10 000 s 1 -- 10 gg 10 gg – 3 anni 1 giorno
costo [euro] 5 000 15 000 75 000 300 000
* 1/2 micron rispetto alla circonferenza terrestre
* 1/40 millisecondo rispetto alla vita umana (80 anni)
* 300 miliardesimi di secondo su un anno
Chi si accorge di 300 miliardesimi di secondo?
un fulmine dura 1 decimillesimo di secondoun treno ad alta velocità percorre qualche centesimo di millimetroi sistemi di navigazione sbagliano di almeno 100 metri: Galileo
chiede 1,5 miliardesimi di secondoper rivelare le onde gravitazionali ci vuole almeno 100 volte meglio
per saper dove siamo per saper dove siamo
e la navigazionee la navigazione
Perche`?
Per millenni la navigazione ha misurato angoli,
da 50 anni la triangolazione è stata sostituita dalla trilaterazione
la posizione si ricava misurando la distanza da 3 punti noti
le misure di distanza sono misure di tempo di volo di un segnale elettromagnetico
Conoscere la proprio posizione
-> misurare una distanza
-> misurare un intervallo di tempo
Dove siamo ?
Atterrare nella nebbiaUn segnale elettromagnetico copre1 metro in3 nanosecondi (10-9 s)
300 nanosecondi
= 100 metri di errore!!!
Global Positioning System
Global Positioning System: GPSGlobal Positioning System: GPS
GPS è composto da 3 segmenti :GPS è composto da 3 segmenti :
dove sono gli orologi?
a bordo
Ricevitori utenti
(4a incognita)
ricevitori a Terra
Stazione di controllo,
ora di riferimento
Universal Time CoordinatedTempo Universale Coordinato
Disseminazione ora esatta
Nel segmento SPAZIO, i satelliti e gli orologi di bordo al Cesio o Rubidio
Global Positioning SystemUSA Dipartimento Difesa
• 24 satelliti con atomici • distanti 20 000 Km• 6 piani orbitali• larghezza circa 6 metri
Gli orologi di bordo vengono rallentati per compensare la relatività
Global Positioning System
Accuratezza:
• satellite• posizione satellite• ritardi ricevitore• tropo/ionosfera• altri disturbi
==> posizione1 -- 100 metri !!!
Un sistema satellitare europeo per la navigazione civile indipendentema interoperativo con il sistema GPS e con altri servizi aggiuntivi
Seminario IACSA Firenze – 28 Marzo 2003 21
Space Segment - Galileo Spacecraft
Overall Spacecraft:
700 Kg / 1.6 kW class
Launcher Options:
Ariane, Proton, Soyuz
Navigation payload: 70-80 Kg / 780 W
SAR transponder: appr. 20 kg / 100 W
Dimensions: 2.7 x 1.2 x 1.1 m3
Walker 27/3/1 plus 3 in-orbit spares (1/plane) altitude 23616 km
inclination 56 deg
Period: 14 hr 22 minGround track repeat cycle 3 days
Space Segment – Constellation
Service PerformanceService PerformanceService PerformanceService Performance
G A L I L E O G lo b a l S e rv ic e s
O p e n S e rv ic e C o m m e rc ia l S e rv ic e s
S a fe t y o f L ife S e rv ic e s
C o v e ra g e G lo b a l G lo b a l G lo b a l
P o s it io n in g A c c u ra c y
1 5 m H - 3 5 m V ( s in g le f re q u e n cy )
4 m H - 8 m V
(d u a l f re q u e n c y )
4 m H - 8 m V (d u a l f re q u e n c y )
T im in g A c c u ra c y 3 0 n s e c 3 0 n s e c
A v a ila b il it y 9 9 .5 % 9 9 .5 % 9 9 .5 %
I n t e g r it y R e q u ire d
A le rt L im it 1 2 m H - 2 0 m V
T im e to A le rt 6 s e c o n d s
I n t e g r it y R is k 3 .5 x 1 0 -7 / 1 5 0
s e co n d s
C o n t in u it y R is k
N o n e N o n e
1 .0 x 1 0 -5 / 1 5 s e co n d s
A c c e s s C o n t r o l F re e O p e n A cce s s
C o n tro l le d A cce s s o f R a n g in g C o d e a n d N a v D a ta
M e s s a g e
C o n tro l le d A c c e s s o f N a v D a ta M e s s a g e
C e rt if ic a t io n a n d S e rv ic e G u a ra n te e s
N o n e G u a r a n te e o f S e r v ice P o s s ib le
B u i ld fo r C e r t if ic a t io n a n d G u a r a n te e o f
S e r v ice
Galileo fasi di sviluppo
Galileo Full OperationConst. (30)
GPS Constellation
GalileoExp. SV (*2)
2003-04 2005-10 2010-12 2013
GSTBV1
GSTBV2
IOV Phase FOC Phase
Galileo In Orbit ValidationConst. (*4)
Space Rubidium Atomic Frequency Standard (RAFS)
Frequency Stability RAFS1-R2 EQM5December 2002
1.0E-14
1.0E-13
1.0E-12100 1000 10000 100000
Averaging Time (Tau), sec.
Alla
n D
ev.,
Sig
ma
y (T
au)
RAFS Galileo Specification
measured data
Galileo Galileo primi sprimi satellitatelliti sperimentalii sperimentali
GIOVE B lanciato 26 aprile 2008
GIOVE A lanciato Dec 28, 2005
--
IEN
1PPS signal1PPS signal10 MHz frequency 10 MHz frequency signalsignal
FreeFree--runningrunningactive Hactive H--masermaser
(HM2)(HM2)
TemperatureTemperature --controlled chambercontrolled chamber
ILaboratoryLaboratory
UTC(IEN)UTC(IT)IEN MeasurementSystem
INRIM MeasSystemSystem
PPSGenerator
PPSGenerator
Time offset [UTC(IT) –– HM2];HM2];sampling rate: 1 hoursampling rate: 1 hour
Routine activities at INRIM
INRIM Time and Frequency
13 Ricevitori a Terra: uno all’INRIM
Galileo prove sperimentali
• primi satelliti europei per navigazione• trasmissione messaggio navigazione Galileo• a bordo orologi atomici europei tra cui (GIOVE B)
un maser all’idrogeno mai utilizzato nello spazio.• prove sperimentali con orologi e ricevitori
A Terra una rete di ricevitori e A Terra una rete di ricevitori e un centro di controllo un centro di controllo allall’’Agenzia Spaziale Europea Agenzia Spaziale Europea Noordwijk, OlandaNoordwijk, Olanda
35
GSTB V2 experimental results - example
La relativitàcon gli orologi atomici diventa quotidiana
Gli orologi viaggianti van piano
Gli orologi in montagna van veloci10-13 al km
1 microsec/ anno al km
Su satellite GPS/Galileo a 20000 km effetti di 10-10 cioè 1 millisecondo / anno
per le verificare la fisica fondamentale e rivelare onde gravitazionali
10-21
LISA (NASA, ESA)
3 satelliti a triangolo a 5 milioni km distanza tra loro, misurano picometri!
Ritornerà nello spazio ?spazio ?
Orologi dellodello spazioUna stella che gira
Pulsar
• stella fatta di neutroni • 20 km diametro• 1,4 volte la massa del Sole• nella Galassia a migliaia di anni luce• un giro ogni millisecondo• emette onde radio, come un faro
Pulsar
• la rotazione e` molto stabile• ogni millisecondo arriva un impulso radio
E` un orologio ?
In realta` ci sono molti problemi:
• Il periodo di rotazione rallenta• L’impulso deve attraversare 1016 km di
mezzo interstellare • La Terra e` un osservatorio in movimento
Pero`...
Pulsar
Pero`...
quanta fisica !!!(Nobel a Taylor e Hulse per le onde
gravitazionali)
e qualche idea sulle instabilita` degli orologi atomici
Come si fa a sapere
Una rete mondiale dei migliori orologi atomici
NPL
IEN
ROA
ORB
CH
PTB
VSL
TUG
TP
OMH
AOS
BEV
BIRMINPL
NAOM
NAOT
OP
APL
CNM
NRC
USNO
NIST
ONBA
CSIR
NRLM
SCL
SO
CSAO
CLR
AUS
MSL
BIPMParis
DTAG GUM
DLR
UME
LDS SU
IPQ
CAO
IFAG
IGMA
ONRJ
KRIS
NIM
A
A F R I C A
OCEANIA
SP
TL
Bureau Internat. des Poids et Mesures
Confrontati continuativamente con la miglior accuratezza (1 ns)
In coordinamento con la rotazione terrestre
La Polare si è alzata!
Strano! La Polare si è abbassata!
…nel 1850
…d’estate si gira più veloci
Kclock: Flow Chart
START
Generation of the time axis t:t0,t1,…,tk,…,tN-1 where tk=kT (T is the sampling time, an internal constant)
Generation of the ideal clock xid
Is the variance sigma given?
Generation of the Q matrix
YES
NO
Set default values for sigma
Generation of the H matrix
Generation of the physical clocks x using the function euclockn
Generation of the initial conditions x0
Generation of the block-diagonal Q1 matrix
Generation of the block-diagonal PHI1 matrix
Initialization of the covariance matrix P
Algoritmi e calcoli
[ ]
+∑
=
(t)(t) - x = xx
(t)x(t)x̂w= )t( x
ijij
N
1jijiji
[ ]∑=
+=N
1jijjjii (t)x(t)hw (t) h = TA(t) -x '
)()(
wi
N
k k
iτε
⋅
τε
=
∑=
2
12
11
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
2
4
6
8
10
12
t
Per generare l’ora esatta internazionale
anche “ora” nazionale e riferimento legale
Realizza e mantiene, per legge, ilCampione
Nazionale di Tempo e Frequenza
Lo dissemina in ambito nazionale mediante:SRC - Segnale RAI CodificatoCTD - Codice Telefonico di DataNTP - Network Time Protocol
Coordina e controlla l’attivitàdei Centri di Taratura SIT
Contribuisce, con i propri orologi al cesio, alla formazione della Scala di Tempo Internazionale TAI
51 52 53 54 55 56 57 58 59 00 01
0,96 s 0,48 s 0,1 s
1 20 4 53 3130296 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 280
1
ID OR MI OE P1 ME GM GS P220 10 8 4 2 1 40 20 10 8 4 2 1 10 8 4 2 1 20 10 8 4 2 1 4 2 1
f = 2,5 kHzf = 2 kHz
960 ms
30 ms 30 ms
ID = identificatore del segmento di codiceOR = ore (decine e unità)
MI = minuti (decine e unità)OE = ora solare (0), ora estiva (1)
P1 = parità del primo gruppo di informazioniME = mese (decine e unità)
GM = giorno del mese (decine e unità)GS = giorno della settimana
P2 = parità del secondo gruppo di informazioni
1 20 4 53 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150
1
ID AN SE80 40 20 10 8 4 2 1
ID = identificatore del segmento di codice
SI PA
AN = anno (decine e unità)SE = preavviso cambio ora solare/estiva
SI = preavviso secondo intercalare
PA = parità
480 ms
Primo segmentodel codice di data
Secondosegmentodel codice
di datanessun cambio nei prossimi 7 giorniprevisto un cambio entro 6 giorni
previsto un cambio entro 1 giornoalle ore 02:00 si passa all'ora estivaoppure alle 03:00 si passa all'ora solare
1 1 11 1 0
0 0 10 0 0
0 01 01 1
nessun secondo intercalare entro il meseritardo di 1 secondo a fine meseanticipo di 1 secondo a fine mese
Impulsi di riferimento acustico
secondi
Il servizio è generato dall’IEN a partire dagli orologi al cesio, e
distribuito dalle reti RAI.
ntp1.ien.it (193.204114.232) ntp2.ien.it (193.204114.233).
Traffico su una settimana. Il “bit rate” indica da 80 a 500 sincronizzazioni richieste al secondo
Altri Servizi Codificativia Radio: DCF 77,
Francoforte
Mompellato, 23 marzo ‘07
Viene utilizzato quotidianamente da tutti i laboratori metrologici del mondo. Consente di confrontare gli orologi, su base intercontinentale, a livello dei miliardesimi di secondo.
A livello di decine di miliardesimi di secondo, diffonde l’informazione di ora esatta a semplici ricevitori.
Il sistema GPS, utilizzando per sua natura misure di tempo, è uno strumento potentissimo per la sincronizzazione di orologi e per la diffusione dell’ ora esatta.