Patrizia Tavella Istituto Nazionale Ricerca Metrologica Torino

Patrizia Tavella
Istituto Nazionale Ricerca
Metrologica
Torino
Torgnon 21 marzo 2015
Come si fa a sapere
Cosa sono gli orologi atomici?
perché
hé nello
ll spazio?
i ?
Nel 1612 Galileo scrisse una lettera al re di Spagna
3
ESA archive
Navigare osservando le “lune”
4
Nel 2000 l’Unione Europea e l’Agenzia
Spaziale Europea decidono di costruire un
sistema satellitare per la navigazione civile che
sia
indipendente ma interoperabile con il GPS e
con servizi addizionali
Il sistema viene chiamato
5
6
Conoscere la proprio posizione
-> misurare una distanza
-> misurare un intervallo di tempo
Dove siamo
?
Atterrare nella nebbia
Un segnale
elettromagnetico
copre
1 metro in 3
nanosecondi (10-9 s)
300 nanosecondi
= 100 metri di errore!!!
dove sono gli orologi?
a bordo
Disseminazione
ora esatta
ricevitori a Terra
Universal Time
Coordinated
T
Tempo
Universale
U i
l
Ricevitori utenti
(4 iincognita)
(4a
it )
Stazione di
controllo,
ora di riferimento
Coordinato
Abbiam bisogno di ottimi:
Orologi (a Terra e nello Spazio)
Sistemi di sincronizzazione
Scale di tempo
M di di calcolo
Metodi
l l
11
Il 1 gennaio 2006,
2006, l’Istituto
l’Istituto Elettrotecnico Nazionale "Galileo Ferraris" (IEN) e
l’l’Istituto
Istituto di Metrologia "Gustavo Colonnetti" (IMGC) si sono uniti per formare
l’IIstituto
l’l’Istituto
I i
N
Nazionale
i
l di Ri
Ricerca M
Metrologica
l i (I
(I.N.RI.M)
(I.N.RI.M).
N RI M).
INRIM è un ente pubblico
che ha lo scopo di compiere e promuovere attività di ricerca scientifica in metrologia
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’l’ora
ora esatta in Italia UTC(IT)
» per contribuire all’
all’ora
ora esatta internazione Universal Coordinated Time
13
PER MISURARE IL TEMPO
Ci vuole qualcosa che “oscilli”
e che “oscilli” regolarmente
indipendentemente dalla posizione, epoca, condizioni...
Per secoli
Il movimento della Terra ha segnato il
tempo
e su questo regolavamo gli orologi
Dal 1967
Il tempo è scandito da orologi
atomici
che misurano le irregolarità del moto terrestre
Cosa sono gli orologi atomici?
atomo
elettrone
nucleo
radiazione
d
elettromagnetica
lunghezza d’onda
o frequenza
Gli atomi emettono o assorbono radiazioni
di una ben determinata frequenza
Mompella
to 23
Fontana al Cesio criogenica INRIM ITCsF2
Relative accuracy 2x10‐16
Relative accuracy
Laser cooling 1 µK;
Cryogenic structure 89 K;
Realizza in Italia la definizione del secondo
19
* 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 secondo
 un treno ad alta velocità percorre qualche centesimo di
millimetro
 i sistemi di navigazione sbagliano di almeno 100 metri: Galileo
chiede 1,5 miliardesimi di secondo
 per rivelare le onde gravitazionali ci vuole almeno 100 volte
meglio
per saper do
dove
e siamo
ESA
A archive
Galileo
Sistema di Navigazione Satellitare Globale Europeo
con 30 satelliti
23 March, 2015
The European GNSS Programmes
2
ESA
A archive
Orologi Atomici a bordo dei
satelliti
Orologi nello spazio
Passive Hydrogen Maser
Il piu` stabile ed accurato
 Perde non p
piu` di 0.5 ns in 12h,, i.e.
1s in 3 milioni di anni
Orologio al Rubidio
 Perde 3s in 1 milione di anni
Errore nel tempo
Errore in distanza
1s
300 000 000 m
1 ms (0.001 s)
300 m
1 ns (0
(0.000000001
000000001 s)
03m
0.3
23 March, 2015
The European GNSS Programmes
2
ESA
A archive
http://www.esa.int/esaNA/galileo.html
http://www.gsa.europa.eu/galileo/programme
23 March, 2015
en.htm
http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/programme/index
The European GNSS Programmes
2
Tragitto
g
del segnale
g
Orologio del
satellite
O bit
Orbita
del satellite
Atmosfera
(Ionosfera + troposfera)
multipath
Orologio del
ricevitore
Movimenti del
25 terreno
La ionosfera è dovuta alla radiazione solare che ionizza gli
atomi e le molecole dell’atmosfera, producendo ioni e elettroni
lib i L’errore
liberi.
L’
sull segnale
l puo’’ arrivare
i
a 45
4 metrii
26
L’attività solare influenza la ionosfera
NASA
https://archive.org/details/CIL--10104
https://archive.org/details/CIL
27
https://www.ras.org.uk/news-and-press/news-archive/157-news2010/1776space-storms-could-threaten-the-uk-power-grid
28
La relatività
con gli orologi atomici diventa quotidiana
Gli orologi viaggianti van piano
Gli orologi in montagna van veloci
Redshift gravità = 10-13 al km, 3 s/anno al km
Su satellite GPS/Galileo a 20000 km
effetti g
globali di relatività di 10-10 cioè circa 1
millisecondo / anno o 10 microsecondi al giorno
Un sistema di navigazione permette anche di
31
Bureau
International
des Poids et
M
Mesures
SP
A
SU
LDS
VSL
ORB
PTB
DLR
AOS
NPL
IFAG
DTAG
GUM
NRC
TP
IPQ
OP
NIST
CH
OMH
IEN
USNO
TUG
BEV
APL
CAO
CNM
ROA
UME
CLR
KRIS
BIRM
INPL
BIPM
Paris
CSAO
NAOM
NIM
NAOT
SO
ONRJ
NRLM
SCL
ONBA
TL
INRIM
Clocks
AUS
IGMA
A
CSIR
F
R
IC
A
O
C
E
AN
IA
2.3 %
MSL
Total
number
of clocks
~380
UTC viene mantenuto in accordo con
la rotazione della Terra
Che strano la stella
Polare si è abbassata
La Polare
L
P l
sembra più alta..
nel 1850
…dd’estate
estate si gira più veloci
•
A. Scheibe,
Scheibe, 1936 Berlin
•
N Stoyko
N.
Stoyko,, 1936
1936 Paris (BIH)
Con orologi al quarzo hanno misurato che il giorno d’estate dìè pià corto di circa 1.2 ms
33
Movimento del Polo, 1995-1998
h //
http://www.iers.org
i
International Earth Rotation and Reference Systems Service
34
Rallentamento secolare
DURATA DEL GIORNO (differenza rispetto a 86400 secondi)
-8,00
-6,00
Advance of one second per year
-4,00
ms
-2,00
0,00
Delay of one second per year
,
2,00
4,00
1630
1710
1782
1798
1814
1830
1846
1862
1878
1894
1910
1926
1942
Years
35
1958
1974
Variazioni della durata
del giorno
g
http://www.iers.org
36
Il Tempo Universale Coordinato UTC è basato
sul tempo
p TAI degli
g orologi
g atomici ma ogni
g
tanto si aggiunge un secondo per aspettare la
Ultimo secondo
rotazione della Terra
aggiunto il
0
s
seconds
Il prossimo il 30
giugno 2015
Leap Seconds
( 1 s steps )
-5
-10
30 Giugno 2012
UTC - TAI
January 1, 1958
TAI = UT1
-15
-20
-25
oggi
gg
January 1, 1972
UTC - TAI = -10 s
Beginning of the Leap Seconds
-TAI
34 s -
UTC = 35 s
-30
-35
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
year
37
Global Positioning System: servizio di navigazione e di timing
L’ora GPS è partita in accordo con UTC ma poi non ha piu’ aggiunto secondi
UTC-GPS Time
UTC-GPS Time= -16 s
UTC-GPS Time= -15 s
UTC-GPS Time=0 s
06/01/80
29/06/2012
30/06/2012
Oggi c’è una differenza di 16 secondi tra l’ora GPS e l’ora UTC
Ai sistemi di navigazione
g
non p
piace il
secondo intercalare
[TAI - Time scale (i )]
GLONASS time
Time d
difference
e
/seconds
35
UTC
GLONASS
time
BEIDOU time
25
GPS time
GALILEO time ?
15
5
-5
1970
TAI
1980
1990
Year
2000
2010
BIPM press release 13 October 2011
The proposed redefinition of Coordinated Universal Time, UTC
In January
y 2012 in Geneva, Government representatives
p
at the World Radio
Conference of the International Telecommunication Union will vote on the
adoption of a new definition of the world’s time scale, Coordinated Universal
Time UTC, in which there will no longer be leap seconds.
Today, leap seconds keep UTC, a time scale based on atomic clocks, in
phase with the slightly variable rotation of the Earth.
The possibility of dropping the leap seconds in UTC has created
misconceptions in the popular press as to what is at stake.
There are an increasing number of users of precise timing for whom the leap
second causes serious technical problems.
Vote postponed to 2015
40
All’INRIM lavoriamo da 15 anni in Galileo
ESA
A archive
• sincronizzazione dell’ora di Galileo con l’ora UTC
• controllo comportamento orologi atomici a Terra e
a bordo
• verifica dell’ora esatta trasmessa da Galileo
41