Galileo: no hay camino sin tiempo

ESA ESTEC El centro técnico de los Países Bajos está monitoreando continuamente el ‘tiempo del sistema Galileo’ en el corazón del sistema de navegación por satélite de Europa, de forma independiente del propio sistema operativo Galileo.

Para ello, el establecimiento alberga en su Laboratorio UTC un ‘ensamble’ de relojes atómicos de alto rendimiento que se mantienen en condiciones de sala blanca térmicamente estabilizadas. Esta colección de relojes atómicos del tamaño de un frigorífico, junto con los medios para medirlos y compararlos, proporciona una sincronización precisa y estable, normalmente con una precisión de una milmillonésima de segundo, casi diez veces mejor que la hora del sistema Galileo.

Ayudando a configurar la hora global

Pierre Waller, que supervisa el laboratorio, explica: “Nuestro laboratorio UTC se llama así porque, junto con el Oficina de Apoyo a la Navegaciónrelojes similares operados en ESOC en Alemania, se utiliza para establecer una escala de tiempo común llamada UTC (ESA), que a su vez es una de las entradas para la configuración del Tiempo Universal Coordinado, UTC, la escala de tiempo de referencia mundial, mantenida por el Paris con sede en Bureau International des Poids et Mesures, BIPM.”

El conjunto de relojes atómicos de ESTEC ha estado funcionando continuamente durante más de una década, soportando la pandemia de COVID-19 y un cambio de ubicación, cuando los relojes fueron transportados y sincronizados progresivamente desde su sitio original a uno más adelante en el corredor. La contribución adicional de los relojes ubicados en ESOC desde noviembre de 2021 ha impulsado aún más la solidez de UTC (ESA).

El ingeniero de microondas de la ESA, Cedric Plantard, comenta: “Para medir cualquier cosa correctamente, es esencial una vara de medir adecuada. Por lo tanto, UTC (ESA) se puede utilizar para realizar una verificación independiente del rendimiento de temporización de Galileo, así como para evaluar el rendimiento de los relojes atómicos candidatos para el próximo conjunto a bordo de los satélites de segunda generación de Galileo, o cualquier otra prueba que requiera ultra estable y referencia de tiempo precisa”.

“Piense en los relojes aquí trabajando juntos en este ambiente cuidadosamente mantenido como una orquesta, contribuyendo a un valor de tiempo promedio ponderado. Si un reloj se sale del rango del resto, se activa automáticamente una alarma”.

Contar nanosegundos para medir la distancia

¿Por qué el posicionamiento exacto requiere un cronometraje preciso? Por la forma en que funciona Galileo, convirtiendo el tiempo en distancia. El principio se asemeja a la forma en que se les enseña a los niños a estimar la distancia de una tormenta eléctrica: vea un relámpago, luego cuente los segundos hasta que el trueno los alcance. Excepto en este caso, el tiempo implica mil millonésimas de segundo, multiplicado por la velocidad de la luz.

Los satélites Galileo orbitan a 23 222 km sobre la Tierra y transmiten señales hacia debajo que incorporan una marca de tiempo. Un receptor de navegación por satélite en tierra capta cuatro o más señales de Galileo para fijar su posición en tierra. Cuando las señales lo alcanzan, han tardado alrededor de una doceava parte de un segundo en bajar desde la órbita, como lo revela la diferencia entre la marca de tiempo de la señal y el tiempo del receptor.

El receptor multiplica esta diferencia por la velocidad de la luz (alrededor de 30 cm por nanosegundo, una milmillonésima de segundo) para obtener su distancia exacta de cada satélite en órbita, luego combina estas medidas en una triangulación para calcular su posición general. Si los relojes tienen un error de más de tres nanosegundos, este valor de posicionamiento ya supera el metro en extensión. Un error de un segundo significaría que el receptor bien podría estar en la Luna.

Los relojes atómicos gemelos ‘maser pasivos de hidrógeno’ son los relojes maestros a bordo de cada satélite, midiendo el tiempo con una precisión de un segundo en tres mil millones de años. Dos relojes de rubidio más pequeños proporcionan una fuente de tiempo independiente y alternativa, con una precisión de tres segundos en mil millones de años.

Pero en la práctica, estos relojes a bordo tienden a desviarse ligeramente con el tiempo. Por lo tanto, una red mundial de estaciones terrestres de Galileo mantiene un registro continuo de las señales de los satélites para identificar cualquier desviación del reloj en comparación con el ‘tiempo del sistema Galileo’ (así como cualquier ligera desviación orbital). Luego, cualquier error se corrige dentro de un mensaje de navegación actualizado, se compila y se carga a los satélites para retransmitirse dentro de las señales de navegación de Galileo cada 100 minutos o menos.

El mejor momento para el tiempo.

La disponibilidad general de Galileo y los otros sistemas de navegación por satélite globales, cada uno con sus propios tiempos de sistema (y sus propias compensaciones en relación con UTC), está contribuyendo a un enorme impulso a la precisión de tiempo en todo el mundo, que se utiliza, por ejemplo, para la sincronización de comunicaciones, finanzas y redes eléctricas. Pero al final, la única forma segura de verificar el rendimiento de un reloj es con otro reloj, de ahí la necesidad de UTC (ESA) y escalas de tiempo de referencia comparables.

“UTC(ESA) es una herramienta de ingeniería que se puede utilizar para todo tipo de propósitos”, añade Pierre.

“Entonces, por ejemplo, actualmente estamos investigando el rendimiento de la transferencia de tiempo a través de fibra óptica con los holandeses. Instituto Nacional de Metrología VSLcomo un medio para exportar la hora precisa a donde se necesite, junto con la evaluación del rendimiento de Galileo, el futuro hardware y los servicios candidatos”.

Acerca de Galileo

Galileo es el sistema de navegación por satélite más preciso del mundo y ahora presta servicios a más de cuatro mil millones de usuarios en todo el mundo. Todos los teléfonos inteligentes vendidos en el Mercado Único Europeo ahora están garantizados con Galileo. Además, Galileo está marcando la diferencia en los campos del transporte ferroviario y marítimo, la agricultura, los servicios de sincronización financiera y las operaciones de rescate.

Galileo es un programa emblemático del Programa Espacial de la UE, gestionado y financiado por la Unión Europea. Desde sus inicios, la ESA ha liderado el diseño y desarrollo de los sistemas espaciales y terrestres, así como la adquisición de lanzamientos. EUSPA (la Agencia de la UE para el Programa Espacial) actúa como proveedor de servicios de Galileo, supervisando el mercado y las necesidades de la aplicación y cerrando el círculo con los usuarios.

Para más información sobre Galileo: https://www.usegalileo.eu