ArtículosNúmero 14

La calibración europea de los enlaces de tiempo por satélite entre laboratorios nacionales de tiempo y frecuencia

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Héctor Esteban
Francisco Javier Galindo
Juan Manuel González
Héctor Álvarez
Carmen Vélez

Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA)
San Fernando (Cádiz)

RESUMEN: Las redes internacionales para la comparación de tiempo se basan en la utilización de diferentes técnicas de transferencia. Entre éstas, siguen destacando por su precisión y universalidad, las técnicas de transferencia basadas en los sistemas de navegación global por satélite GNSS y los sistemas de doble encaminamiento o dos vías TWSTFT. Las técnicas basadas en estos sistemas  poseen una estabilidad por debajo del nanosegundo (ns), para intervalos de tiempo menores de un día, o incluso de unos pocos días, y la casi independencia de la precisión respecto de la longitud de la línea base utilizada. La exactitud, no obstante, viene determinada por los resultados de las calibraciones de estos sistemas.

PALABRAS CLAVE: calibración de enlaces de tiempo, sistemas de navegación global por satélite (GNSS), sistemas de doble encaminamiento o dos vías (TWSTFT)

ABSTRACT: International networks for time comparisons are based in different transfer techniques. Techniques based in global navigation satellite systems (GNSS) and two-way satellite time and frequency transfer systems (TWSTFT) are outstanding due to their precision and universality. The techniques based in these systems have a stability below 1 nanosecond (ns), for time intervals less than one day, or even, less than few days; and they nearly have their precision independent of the base line length used. Nevertheless, the accuracy is determined by the calibration results of these systems.

KEY WORDS: time links calibration, global navigation satellite systems (GNSS), two-way satellite time and frequency transfer systems (TWSTFT)

1. Introducción

La incertidumbre en la generación de la escala de Tiempo Universal Coordinado (UTC), que es la referencia internacional de tiempo, y que elabora la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), queda determinada por la exactitud de las calibraciones de los sistemas de transferencia de los cerca de 80 organismos contribuyentes, como el ROA, PTB (Alemania), OP (Francia), etc. [1]. Actualmente, estos sistemas de transferencia o enlaces primarios los constituyen los sistemas GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, etc.) y, principalmente, el sistema de doble encaminamiento TWSTFT.

En lo que respecta a los sistemas GNSS, en general existen dos tipos de calibración, la absoluta y la diferencial. La primera se realiza mediante simuladores GNSS, donde se calibra el receptor independientemente de la antena y del cable de antena. En la calibración diferencial se emplea un sistema GNSS completo e independiente, que constituye el receptor de referencia y que es enviado a cada uno de los laboratorios participantes, para trabajar conjuntamente con los receptores allí ubicados.

Hasta el año 2014, la calibración de los enlaces de tiempo participantes en UTC, había sido una tarea exclusiva del BIPM. La proliferación de laboratorios y de receptores GNSS de transferencia de tiempo, llevó al BIPM a replantearse el modus operandi al no poder dar respuesta a tal demanda. En 2015, el Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia (CCTF) aprobó la nueva Guía por la que se rigen las tareas de calibración de los enlaces de tiempo internacionales y el BIPM seleccionó al ROA, junto al PTB y OP, como únicos laboratorios europeos pertenecientes al “Grupo 1” de la Asociación Metrológica Europea (EURAMET). El nombramiento del ROA se produjo en virtud de la experiencia y resultados obtenidos en experimentos similares realizados durante los últimos años:

  • 2008: ROA – PTB (Alemania)
  • 2010: ROA – IPQ (Portugal)
  • 2010: ROA – PTB – INRIM (Italia)
  • 2011: ROA – PTB – INRIM
  • 2012: ROA – PTB – INRIM – OP (Francia) – NPL (Reino Unido) [2]
  • 2016: ROA – BIM (Bulgaria) – UME (Turquía) – BOM (Macedonia) – DMDM (Serbia) – IMBH (Bosnia y Herzegovina) – INRIM [3]
  • 2017: ROA – SMD (Bélgica) – NPL (UK). ROA – SASO (Arabia Saudita). JV (Noruega), calibración del receptor, cable y antena en el ROA.

Este nombramiento implica la calibración periódica de los enlaces GNSS del Observatorio por parte del BIPM, y la dirección y organización de campañas de calibración en el seno de esta organización, como las realizadas en 2016 y 2017. Cabe reseñar, las interesantes imágenes  recopiladas en el transcurso de esta actividad, y un ejemplo de ello se muestra en las Fig.1-3.

Figura 1: Calibrador viajero en Skopie, Macedonia; se muestra un gran desarrollo urbanístico
Figura 2: Durante la calibración del laboratorio SASO, en Riad, Arabia Saudita.
Figura 3: En el edificio de enfrente todavía están presentes los impactos de proyectiles, recuerdo de una guerra, en Sarajevo, Bosnia y Herzegovina.

2. Equipamiento

El receptor viajero (RV) de la Fig. 4, lo componen una antena NovAtel modelo GPS-703-GG, con centro de fase estable y tecnología Pinwheel para mitigar el efecto multitrayectoria, el cable de antena de baja pérdida modelo H155, un distribuidor de frecuencia, un distribuidor de señal PPS, un contador de intervalos de tiempo (TIC SR620) y dos receptores GPS geodésicos (PolaRx2 y GTR50) conectados mediante un splitter a la antena, al objeto de proporcionar redundancia ante un fallo o comportamiento anómalo de cualquiera de los dos equipos.

Figura 4: Frontal delantero y trasero del sistema viajero de calibración GPS del ROA.

3. Procedimiento de calibración

Para llevar a cabo la calibración diferencial o de enlace [4], esquematizada en la Fig. 5, se comienza poniendo en funcionamiento el RV en el ROA, bajo unas determinadas condiciones de trabajo que deberán ser consideradas igualmente en el resto de laboratorios, fundamentalmente en lo que respecta a los niveles de las señales del RV, condiciones ambientales y ubicación de la antena.

El equipo trabaja en modo reloj común, es decir, utiliza la misma referencia de tiempo que el resto de receptores del laboratorio, normalmente UTC(LAB), realización de UTC elaborada en tiempo real por cada laboratorio. De este modo la Diferencia en Reloj Común (DRC) resultado de la técnica de vista común GPS (CV), entre cualquier receptor local (RL) y el viajero RV, debe permanecer constante. Los efectos troposféricos, ionosféricos, geodésicos, etc. se consideran despreciables debido a la cercanía entre las antenas de un mismo emplazamiento.

El valor de calibración GPS (GPSCAL) para cada pareja de receptores de distintos laboratorios, se calcula mediante simple diferencia de los resultados DRC, pudiéndose expresar matemáticamente como:

\({ DRC }_{ i } =\left< REFGPS(RV)–REFGPS({ RL }_{ i }) \right>\) LAB1

\({ DRC }_{ j }=\left< REFGPS(RV)–REFGPS({ RL }_{ j }) \right>\) LAB2

\({ GPSCAL }_{ ij }={ DRC}_{ j }-{ DRC }_{ i }\)

donde REFGPS son las lecturas brutas de los ficheros CCTF CGGTTS, que se corresponden con las diferencias de tiempo de la referencia del receptor respecto de la escala GPST, y \(\left<\right>\) indica el valor promedio de los datos para un determinado intervalo de tiempo.

Figura 5: Esquema del procedimiento de calibración diferencial GPS, en dos laboratorios equipados con sistemas GPS y TWSTFT.
Figura 6: Vista común (CV) de los datos CGGTTS concernientes a los receptores RV y RL.

Finalmente, el cálculo de las diferencias de las escalas de tiempo entre ambos laboratorios se obtendría mediante:

\({ UTC(LAB1)-UTC(LAB2) }={ REFGPS(RL_{ i } )}-{ REFGPS(RL_{ j } )}-{ GPSCAL }_{ i,j }\)

En la Fig. 6 se muestran como ejemplo los resultados brutos, promediados en cada época de observación y también diariamente. La incertidumbre combinada asociada a la calibración GPS se estima en 1 ns [5], y puede llegar a superar los 2 ns, cuando se produce una disminución en la estabilidad de los sistemas que componen el enlace, o en el equipamiento utilizado durante la calibración.

4. Calibración del enlace TWSTFT

4.1. CALIBRACIÓN MEDIANTE ENLACE GPS

Una vez que un enlace GPS entre dos laboratorios ha sido calibrado, puede hacerse uso de esta información para calibrar otros tipos de enlaces de tiempo existentes entre estos mismos laboratorios, como en el caso que nos ocupa el basado en el sistema TWSTFT. Para calibrar este enlace se utilizan intervalos de tiempo de hasta treinta días, que deben estar solapados, al menos en parte, con los periodos de la calibración GPS. El periodo de tiempo necesario es considerablemente mayor al de la calibración GPS, y esto es debido al menor número de observaciones TWSTFT, normalmente 12 al día, realizadas durante las horas pares UTC.

El valor de calibración TWSTFT (TWCAL) para cada pareja de laboratorios, se puede expresar analíticamente como:

\({ TWCAL }_{ 1,2 }= \left[ TW(LAB1)-TW(LAB2) \right] -\left< REFGPS({ RL }_{ \textrm {i} })-{ REFGPS(RL_{ \textrm {j} }) }-{ GPSCAL }_{ \textrm {ij} } \right>\)

donde el primer término de la ecuación, se corresponde con las semidiferencias de los valores almacenados en los ficheros de doble vía, conforme al formato UIT-R TF.1153-2.

La incertidumbre resultante es normalmente superior a 1 ns, quedando en gran medida condicionada por la incertidumbre del enlace GNSS.

4.2. Calibración mediante estación portátil TWSTFT

Durante el 2014 y el 2016 el ROA ha liderado las dos últimas campañas europeas de calibración de los sistemas de transferencia de tiempo basados en satélites geoestacionarios, fruto de su participación, conjuntamente con PTB, INRIM, OP y SP (Suecia), como proveedor de tiempo del sistema de navegación por satélite Galileo.

El procedimiento es similar a la calibración de un enlace GPS, en cuanto al planeamiento inicial, y al traslado de la unidad portátil.  No obstante lo anterior, al ser un equipamiento mucho más voluminoso requiere del transporte personalizado por carretera de toda su infraestructura (Fig. 7).

Los resultados de ambas campañas han sido muy positivos en general, con valores e incertidumbres asociadas por debajo de 1 ns. En [6] puede encontrarse un detallado análisis del estudio de las incertidumbres.

La transferencia de tiempo de dos vías constituye en la actualidad el enlace principal para llevar a cabo las comparaciones entre relojes con otros laboratorios internacionales participantes en el cálculo de UTC. La calibración mediante estación móvil TWSTFT ha permitido reducir la incertidumbre tipo B asociada al enlace hasta un valor en el entorno del nanosegundo (Circular T núm. 329), considerablemente inferior al ostentado hasta entonces.

Figura 7: Estación portátil TWSTFT

5. Conclusiones

La Sección de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando (ROA), dispone en la actualidad de varios sistemas de transferencia de tiempo y frecuencia vía satélite. Mediante estos sistemas, el ROA participa con sus relojes en la elaboración de las escala UTC. Asimismo, contribuye a la sincronización remota de sistemas de tiempo y frecuencia de la Industria y proporciona trazabilidad a la escala de tiempo Galileo (GST) junto a otros cuatro laboratorios nacionales europeos.

El uso adecuado de los sistemas de transferencia de tiempo y frecuencia requiere de una calibración periódica, para mitigar cualquier efecto que pudiera falsear la comparación y afectar a la exactitud de los enlaces.

El ROA ha liderado en Europa la realización de campañas de calibración mediante satélites artificiales tanto GNSS como TWSTFT, con incertidumbres asociadas del orden del nanosegundo, lo que supone una notable mejora en sus capacidades de medida y calibración, y consecuentemente en la calidad de los servicios de calibración que lleva a cabo como Laboratorio de Referencia Nacional.

En definitiva, y conforme a los datos publicados periódicamente en la Circular T, se sigue formando parte del reducido grupo de laboratorios (actualmente 8), con una incertidumbre en su escala de tiempo, respecto de UTC, en el entorno de 1 ns.

Referencias

[1] Z. Jiang, y A. Niessner, “Calibrating GPS with TWSTFT for Accurate Time Transfer”, Proceedings of the 40th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, pp. 577-586, 2009.

[2] H. Esteban, F. J. Galindo, A. Bauch, T. Polewka, G. Cerretto, et al., “GPS time link calibrations in the frame of EURAMET Project 1156”, Frequency Control Symposium & the European Frequency and Time Forum (FCS), Joint Conference of the IEEE International, pp. 649 – 654, 2015.

[3] H. Esteban, F. J. Galindo, “GPS calibration of BIM, UME, BOM, DMDM, IMBH, INRIM equipment with respect to ROA G1”, 2017. http://www.bipm.org/jsp/en/TimeCalibrations.jsp

[4] H. Esteban, A. Bauch, D. Piester, G. Cerretto, “EURAMET Project 1156, GPSCALEU: Results of two years GPS receiver calibration”, 26th European Frequency and Time Forum, pp. 354-360, 2012.

[5] H. Esteban, J. Palacio, F. J. Galindo, T. Feldmann, A. Bauch, D. Piester, “Improved GPS-Based Time Link Calibration Involving ROA and PTB,” IEEE Trans. UFFC, vol. 57, no. 3, pp. 714-720, 2010.

[6] F.J. Galindo, H. Esteban, A. Bauch, D. Piester, I. Sesia, J. Achkar, K. Jaldehag, C. Rieck y R. Píriz, “European TWSTFT Calibration Campaign 2014 of UTC(k) Laboratories in the Frame of Galileo FOC TGVF”, Proceedings of the 47th Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications, pp. 243-257, 2016.

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