Presentazione Grimoldi

CGS
TFD
Distribuzione Tempo/Frequenza
Raoul Grimoldi
CGS Compagnia Generale per lo Spazio, an OHB Technology Company
Antares Research Dept.
CGS
Rami di attività della CGS, già Carlo Gavazzi Space S.p.A.
• Satelliti: sistemi chiavi-in-mano per missioni scientifiche e applicative,
in particolare piccoli satelliti per l’ Agenzia Spaziale Italiana ASI,
l’Agenzia Spaziale Europea ESA, e per il mercato commerciale.
• Payloads Scientifici: CGS sviluppa carichi utili scientifici per diverse missioni
internazionali, in particolare è primo contraente per il sensore di onde
gravitazionali LISA di ESA/NASA e per strumenti di analisi e osservazione.
• Osservazione della Terra: prodotti e servizi per il monitoraggio ambientale
con l’utilizzo di dati da telerilevamento, per progetti ESA, ASI e commerciali.
• Applicazioni e Navigazione: soluzioni e servizi per la sicurezza, il fleet management
e il controllo del territorio, Software Radio per telecomunicazione e navigazione,
algoritmi di processamento e di compressione dati, sono inoltre in corso studi e sviluppi
per il GSA per applicazioni Galileo, di cui è responsabile all’interno del gruppo OHB.
• Ground Segment: CGS è responsabile per lo sviluppo e la realizzazione di sistemi di
servizio per la rampa di lancio del vettore europeo VEGA e del vettore russo Soyuz
• Ricerca: significativi sono gli investimenti in ricerca per applicazioni spaziali,
effettuati in collaborazione con le principali Università ed Istituti di Ricerca italiani.
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ANTARES S.c.a.r.l
La “Società Consortile Antares”, con sede in San Giorgio del Sannio (BN)
fu costituita nel gennaio del 2005. Il Consorzio è stato creato allo scopo di promuovere
l’innovazione e lo sviluppo delle PMI nel settore spaziale ed è formato da un gruppo
significativo di imprese campane con esperienze complementari ed omogenee, con
CGS come società di riferimento. Il consorzio è attivo dal punto di vista industriale e
partecipa ad importanti attività come le missioni MIOSAT e PRISMA dell’ASI
ed ESEO dell’ESA.
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EUROLAB S.r.l.
Da oltre 20 anni nel settore telecomunicazioni, Eurolab si occupa di produrre e
commercializzare sistemi ed apparati pensati per soddisfare un'ampia fascia di mercato,
diversificando e concentrando l’attenzione in settori come:
• Ponti radio analogici e digitali.
• Sistemi in fibra ottica dedicati alla gestione di contenuti multimediali (Audio,Video e Dati).
• Timing.
• Broadcasting televisivo.
• Progettazione e realizzazione sistemi di interconnessione personalizzati.
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La storia
Il coinvolgimento di CGS nello studio della distribuzione Tempo Frequenza si è sviluppato
con una serie di attività per l’ Agenzia Spaziale Europea
1999 – Prototipo dello On-board Clock Module
2000 – Studio di sistema per distribuzione tempo frequenza
2003 – Campagna di test sul campo
2004 – Studio di applicazione per sincronizzazione di sonde in spazio profondo
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Distribuzione Tempo/Frequenza con Brevetto ESA 407
Creazione di un riferimento di tempo e di
frequenza su di un satellite geostazionario
- Un orologio atomico molto accurato posto a terra
viene usato come riferimento temporale (Master
Control Station, MCS).
- Un clock meno accurato viene imbarcato come
payload a bordo di un satellite geostazionario
dotato di un terminale di comunicazione RF/IF
standard. Il clock del satellite viene sincronizzato
con quello della MCS usando tecniche di
compensazione a due vie dell’effetto Doppler, allo
scopo di agganciare la frequenza corretta.
-Una volta sincronizzato con la master station, il
clock del satellite diventa il nuovo riferimento
temporale per le stazioni a terra a due vie che
possono essere suddivise in “Clock” e “Timing
Stations”.
CGS ha effettuato per ESA lo studio di sistema
al quale ha fatto seguito una dimostrazione sul
campo
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TFD
TFD : Dimostrazione sul campo del concetto
Il dimostratore è composto da tre moduli
che riproducono le tre diverse stazioni
(Master Clock Station, MCS, simulatore
del payload P/L, e stazione ausiliaria,
AUX).
Il satellite è usato in maniera trasparente
per introdurre ritardo e Doppler analoghi
a quelli che ci saranno nel sistema target
Scopo del test è dimostrare che il clock
del Payload Simulator si aggancia al
clock della MCS replicandone le
caratteristiche in termini di accuratezza
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Master Control Station (MCS)
L’MCS è dal punto di vista funzionale costituita da:
Un orologio di riferimento: clock di riferimento
dell’intero sistema di sincronizzazione. Oscillatore al
rubidio ad alta precisione (RAFS) capace di produrre un
segnale stabile a 10 MHz.
Modem TDMA: costituito a sua volta da:
trasmettitore: accetta in ingresso un segnale di
sincronizzazione compatibile con l’uscita del clock di
riferimento.
ricevitore: fornisce un segnale di clock derivato
direttamente dal segnale TDMA ricostruito e una flag che
segnala la ricezione dell’UW.
Contatore: misura il tempo d’arrivo e di trasmissione
del frame TDMA e le frequenze di up/downlink.
Unità di controllo
La stazione AUX ha la medesima struttura ad
eccezione del fatto che il clock è asservito al segnale
in arrivo
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Simulatore di payload (P/L)
Il modulo OBCK è costituito dai seguenti blocchi funzionali:
Interfaccia di controllo della catena TLC: incaricato di
configurare il modulo di Clock all’avvio, interfacciarsi con la
sezione RF, ricevere, decodificare e processare le
informazioni trasmesse dall’MCS e dalla AUX, gestire i dati
ricevuti e codificarli all’interno del canale di downlink,
acquisire i dati dall’Interfaccia TDMA, implementare una
macchina a stati per lo scambio delle informazioni,
controllare il Module Clock,
Clock Module Core: sincronizza il clock locale con
quello di riferimento usando il segnale in uscita dal
demodulatore.
VXCO: modulo implementato con l’ausilio di una orologio
atomico al rubidio (LPFRS) o con un oscillatore controllato
in temperatura (MO).
Modem TDMA: stesse caratteristiche del modem MCS.
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Experimental Controller
L’Experimental Controller (EC)
è
un
modulo
software
implementato per controllare e
monitorare (anche da remoto) le
varie funzionalità del sistema
durante la fase di test.
L’Experimental
Controller
permette
di
visualizzare
graficamente i risultati delle
varie simulazioni e scaricarsi i
dati
più
significativi
sul
computer locale.
Tale software presenta due
diverse modalità operative:
modalità
test
e
modalità
normale. La prima è usata
durante la campagna di test la
seconda, invece, costituisce la
modalità operativa standard del
sistema di misura.
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Sistema di misura
Il sistema di misura è costituito da due
dispositivi (Picotime) connessi ad un PC,
che misurano la differenza di fase o di
frequenza fra riferimento e clock agganciato
attraverso il link RF.
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TDMA Term. Digital Board (CGS)
TDMA Term. Analog Board (CGS)
TDMA Terminal Station Controller
RAFS TM (clock di riferimento)
LPFRS TM (clock utente)
TFD Field Trial Setup in ASTRA
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Algoritmo di Sincronizzazione del Payload Simulator
La stazione master invia burst al simulatore di satellite che lo ritrasmette nuovamente alla MCS.
La MCS calcola il ritardo di propagazione fra MCS e PS e di conseguenza lo sfasamento subito dal segnale di
riferimento una volta giunto sul Payload Simulator.
Il Payload simulator si aggancia al segnale ricevuto corretto per la propagazione
Punti chiave del sistema:
- Misura del ritardo di arrivo del segnale
- Algoritmo di stima del ritardo di propagazione
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Risultati del test del prototipo - Sincronizzazione MCS-P/S
Il test è stato suddiviso in due fasi:
misura delle differenze di fase e
frequenza durante il transitorio e a
regime, ovvero una volta che i due
clock
risultano
perfettamente
agganciati.
Inizialmente PS e MCS non sono
sincroni,
quando
l’operatore
inizializza il sistema, il clock del PS
comincia ad inseguire quello della
stazione master.
Differenza di fase tra MCS e PS: transitorio.
Durante la prima fase, la differenza
di
frequenza
si
riduce
progressivamente fino a diventare
quasi nulla. Una volta che MCS e
PS risultano agganciati la differenza
di fase picco-picco tra MCS e PS
risulta di circa 100 ps .
Differenza di fase tra MCS e PS: regime.
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Analisi dei risultati
Stabilità temporale (PL)
Prestazioni attese (simulazioni)
Misure effettuate durante la fase
di test
Deviazione standard = 100 ps
Deviazione standard = 49 ps
Stabilità temporale (utente)
Deviazione standard = 250 ps
Deviazione standard = 71 ps
Stabilità in frequenza per un
giorno (PL)
Deviazione di Allan = 10-15
Deviazione di Allan = 1.23·10-15
Stabilità in frequenza per un
giorno (utente)
Deviazione di Allan = 2·10-15
Deviazione di Allan = 1.76·10-15
Compensazione Doppler: non c’è alcun offset in frequenza legato all’effetto Doppler quando i clock risultano sincroni.
L’effetto Doppler, allora, può considerarsi perfettamente compensato dal sistema.
Rumore elettronico e di canale: rumore bianco di fase dominante.
Errore nella sincronizzazione: costante pari a circa 50 ps RMS.
Massimo picco d’errore: pari a 250 ps per il PS
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Applicazione
Sincronizzazione Rete SFN
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Metodo proposto
Riutilizzo del metodo sperimentato nel Field Trial con link satellitare trasparente
3 stazioni RF ridondate opportunamente distribuite sul territorio misurano la posizione del satellite GEO
utilizzato per la distribuzione tempo frequenza
–
Lo stesso HW ed algoritmo utilizzato per il field trial consentono la misura del range del
satellite e mediante triangolazione della posizione dello stesso
Le stazioni receive only dislocate dove si necessita del segnale di riferimento ricevono il burst
trasmesso dalla MCS e calcolano il suo ritardo conoscendo la propria posizione
Il ritardo di propagazione del link satellitare viene compensato con lo stesso metodo utilizzato oggi sul
payload simulator
L’errore risultante è limitato dalla capacità di stimare la propagazione del segnale RF, dalla bontà di
calibrazione dei ritardi delle apparecchiature di telecomunicazione utilizzate e dalle loro derive
Il sistema di riferimento realizzato può essere legato al GPS sincronizzando la stazione di riferimento al
GPS stesso in maniera da garantire un passaggio trasparente da una fonte di sincronizzazione all’altra
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Elementi distintivi del sistema TFD
Misura del ritardo del segnale con risoluzione di una decina di nanosecondi grazie al progetto di un
apposito demodulatore e trasmettitore
Capacità di stimare l’effetto del moto del satellite e di correggerlo al fine di fornire al clock da
agganciare un riferimento a frequenza e fase costante
Prestazioni elevate dimostrate per un utente 2 vie dove era richiesta una sincronizzazione a livello di
nanosecondo
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Dall’esperimento al sistema operativo
Individuazione col contributo degli utenti e del mondo accademico/istituzionale dei requisiti di sistema
necessari per sincronizzare le reti SFN
Ingegnerizzazione del modem al fine di ottimizzarlo per le prestazioni richieste e per adattare le
interfacce a quanto necessario in questo campo
Ingegnerizzazione del terminale ad una via col fine di ridurne il costo ricorrente in collaborazione con
Eurolab S.r.l.
Fase sperimentale al fine di verificare le performance nella misura della posizione del satellite con 3
stazioni a due vie
Verifica delle prestazioni della sincronizzazione di una stazione a singola via
Verifica delle prestazioni con stazioni dislocate sul territorio nazionale
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Distribuzione Tempo/Frequenza
Grazie per l’attenzione
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