EEE Extreme Energy Events

6 B – SINCRONIZZAZIONE DI SISTEMI DI MISURA REMOTI ATTRAVERSO IL SISTEMA GPS

B.1 – Il Sistema di Posizionamento Globale: GPS (Global Positioning System)

Il Sistema di Posizionamento Globale (GPS) è un sistema di navigazione adatto a fornire in tempo reale le coordinate geografiche (latitudine, longitudine e altitudine) del ricevitore di un utente. Dalla sequenza temporale di tali misure, il GPS può dare anche informazioni sulla velocità e sul percorso del ricevitore. Infine, se l’utente rimane fermo in una determinata posizione, il GPS può ottenere informazioni molto precise sulla sincronizzazione della scala temporale del ricevitore (tempo locale) rispetto all’UTC (Universal Coordinated Time, ossia Tempo Coordinato Universale) che oggi è il sistema di riferimento per la misura del tempo accettato in tutto il mondo. Il GPS fu introdotto ed è tuttora controllato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DOD, Department of Defense): è infatti un sistema militare parzialmente utilizzabile per scopi civili, che oggigiorno comprende molte migliaia di utenti sparsi su tutto il globo.
Il cosiddetto Space Segment (segmento spaziale) del GPS è costituito da una costellazione di più di 24 satelliti, disposti su 6 piani orbitali inclinati di 55° rispetto all’equatore. Le loro orbite sono circolari, con un’altezza di 20183 km e con un periodo di 12 ore. Da quasi ogni punto della Terra e a qualsiasi istante, almeno 5 satelliti sono visibili sopra l’orizzonte. Per gli scopi di posizionamento, ogni satellite
trasmette due onde radio portanti (L1 a 1575.42 MHz e L2 a 1227.6 MHz), modulate da due codici pseudo-casuali, il codice C/A (coarse-acquisition, ossia acquisizione grossolana) e il codice P (preciso), e da un messaggio di navigazione. I satelliti trasportano orologi atomici (al cesio o al rubidio, la cui stabilità è tipicamente di circa 1 o 2 parti su 1013 nel periodo di un giorno) che forniscono un riferimento temporale preciso e accurato per i segnali radio, trasmessi verso il ricevitore a terra.
Cinque stazioni di controllo a terra (il cosiddetto Control Segment), distribuite in longitudine sul globo terrestre, controllano continuamente lo stato di funzionamento dei satelliti, registrando le loro anomalie orbitali e le derive temporali di ognuno degli orologi atomici in orbita. La principale stazione di controllo (Master Control Station), situata a Colorado Springs, raccoglie i dati forniti dalle varie stazioni e, utilizzando sofisticati modelli software (ossia realizzati con programmi al calcolatore) predice le future correzioni che ogni satellite trasmetterà nel suo messaggio di navigazione. Tali parametri consentono agli utenti di rimuovere in tempo reale tutte le cause di errore e di mantenere quindi l’orologio del proprio sistema strettamente sincronizzato con l’UTC.
Infine il ricevitore GPS (il cosiddetto User Segment, ossia il segmento dell’utente) segue, tramite un solo o entrambi i codici (o anche tramite le fasi elettriche dei segnali portanti, nella sequenza necessaria per ottenere la maggiore precisione), tutti i satelliti visibili contemporaneamente. Per tale ragione l’antenna del ricevitore deve possedere un’ottima sensibilità omni-direzionale, in modo da garantire una risposta uniforme relativamente all’intera volta celeste.
Fondamentalmente, il ricevitore a terra misura il ritardo tra il tempo t1 in cui un segnale è trasmesso da un satellite e il tempo t2 in cui è rilevato dall’antenna ricevente. L’hardware (ossia l’insieme dei circuiti elettronici) del ricevitore genera una copia locale del codice trasmesso dal satellite, quindi lo trasla temporalmente finché le due sequenze digitali non si sovrappongono esattamente (il software cerca il ritardo temporale che massimizza la funzione di correlazione incrociata dei due codici). L’intervallo di tempo (t2 – t1) moltiplicato per la velocità di propagazione delle onde radio nell’atmosfera, che è prossima alla velocità della luce c, fornisce la distanza tra ogni satellite e l’antenna del ricevitore a terra. Questa valutazione è corretta solo nel caso in cui l’orologio dell’utente sia sincronizzato con il tempo del GPS. Per ottenere tale risultato l’utente non necessita di un orologio atomico.
L’errore di sincronizzazione del suo orologio può, infatti, essere semplicemente incluso come un’ulteriore quantità incognita nella soluzione della navigazione. Se, per esempio, l’utente volesse ottenere una soluzione tridimensionale (quindi latitudine, longitudine e altitudine), dovrebbe misurare i ritardi da almeno quattro satelliti.
Quando il ricevitore GPS è riuscito a seguire un numero sufficiente di satelliti per fornire la soluzione tridimensionale, l’orologio dell’utente è automaticamente sincronizzato con il tempo del GPS. Esistono speciali ricevitori dedicati a tale scopo che possono implementare questa funzione con estrema accuratezza, prendendo in considerazione anche ritardi interni, ecc.
L’accuratezza di localizzazione da parte del GPS può variare da alcuni centimetri fino a decine di metri in relazione a diversi fattori. I più importanti sono: il tipo di codici utilizzati, la reale distribuzione geometrica dei satelliti nel cielo al momento della misura, le incertezze nelle orbite reali, le eccessive variazioni dei ritardi dovute a effetti della ionosfera e della troposfera, la qualità del sistema di ricezione e il livello di raffinatezza dell’analisi dei dati.

B.2 – Il GPS e le misure di tempo

L’utilizzo del GPS permette, al giorno d’oggi, a basso costo, ciò che era semplicemente impensabile fino a pochi anni fa: avere accesso, dal proprio laboratorio, alla stabilità di un insieme di orologi atomici. In effetti, attraverso un’opportuna scelta del ricevitore GPS, chiunque, in ogni luogo, può non solo ottenere, in tempo reale, la conoscenza delle proprie coordinate geografiche, come latitudine e longitudine, ma anche ricevere un particolare segnale ogni secondo, il cosiddetto one peak per second (1PPS). Se l’antenna ricevente è mantenuta in una posizione fissa, come in un laboratorio, il segnale 1PPS può essere utilizzato come sistema di riferimento per il tempo. I moderni ricevitori destinati ad applicazioni per la misura del tempo possono prendere in considerazione quasi tutte le cause di ritardo del sistema, in maniera tale che il segnale 1PPS sia sincronizzato entro 100 ns (nanosecondi), o additrittura meno, con il tempo UTC1, e reso disponibile localmente.
Il risultato finale è che tutti gli eventi locali, correttamente riferiti a quell’impulso GPS in ogni sito, possono essere strettamente riferiti al tempo UTC. La scala di tempo locale che può essere derivata da un moderno ricevitore GPS fornisce un’accuratezza in precedenza irraggiungibile. Il segnale 1PPS, fornito dai ricevitori GPS, è in assoluto il migliore standard disponibile per lunghi tempi d’integrazione.
Il livello di accuratezza trasferibile all’orologio interno di un PC (personal computer) dipende principalmente dai limiti del suo sistema operativo; per esempio Windows non può rispondere in meno di alcuni millisecondi; utilizzando Linux (e modificando il Kernel standard) si può invece ottenere una migliore connessione all’UTC, con un livello di accuratezza inferiore anche al microsecondo.

B.3 – L’uso del GPS per la sincronizzazione remota di eventi EEE registrati su PC

In molte applicazioni moderne è importante una buona sincronizzazione degli orologi interni di calcolatori molto distanti l’uno dall’altro.
Ad esempio, mentre un utente della rete Internet può essere interessato a sapere l’esatto tempo di invio dei messaggi (e-mail) che riceve da varie parti del mondo o l’esattezza dell’orologio interno del proprio PC, al giorno d’oggi molti controlli di processo (si pensi alla distribuzione dell’energia elettrica) devono seguire sequenze temporali molto precise che avvengono in siti molto remoti. L’accuratezza richiesta nella procedura di sincronizzazione può variare dai secondi, per applicazioni umane, fino ai microsecondi o anche meno, per dispositivi, macchinari o per acquisizioni di dati specifiche nel campo della ricerca scientifica.
È in questo ultimo contesto che si colloca l’esperimento EEE, che consiste nel rivelare eventi di raggi cosmici, di energia estremamente elevata, tramite dei telescopi costituiti da rivelatori MRPC, posti in località diverse. I dati dei telescopi, una volta raccolti e digitizzati, verranno inviati a dei semplici PC per la registrazione.
È di grande importanza poter analizzare i dati di telescopi distanti tra loro centinaia di metri o chilometri per rivelare eventuali coincidenze temporali tra raggi cosmici che apparterrebbero a un unico sciame. Più la coincidenza in tempo è stringente, minore è il numero di coincidenze accidentali e di conseguenza più forte l’evidenza di aver rivelato uno sciame di grande estensione e perciò di grande energia (si veda a tale proposito l’Appendice C).
Poichè per ogni telescopio la registrazione dei dati avviene su un PC diverso e poiché i vari PC sono distanti e comunicano solo attraverso la rete, la sincronizzazione degli orologi interni dei PC potrebbe essere fatta attraverso la rete stessa. Tuttavia non risulterebbe sufficientemente accurata.
Per questa ragione l’esperimento EEE prevede l’uso di una stazione GPS locale per ogni telescopio che assicurerà due vantaggi fondamentali:

1. l’accuratezza temporale necessaria per il successo dell’esperimento EEE;
2. l’accuratezza spaziale nel posizionamento relativo dei diversi telescopi uno rispetto all’altro e dunque la possibilità di ricostruire con precisione la direzione di provenienza dei raggi cosmici in un sistema di coordinate omogeneo.

Inoltre l’esperimento EEE risulterà così dotato dello stesso strumento usato anche in altri esperimenti di Astrofisica e Fisica Cosmica e di conseguenza, grazie alle sue prestazioni in precisione temporale e spaziale, gli eventi di sciami cosmici che sarà in grado di rivelare potranno essere messi in correlazione con quelli di altri Osservatori sparsi per il mondo, ad esempio in Italia nei laboratori sotterranei del Gran Sasso.

B.4 – Referenze Bibliografiche

Ci sono molti libri di testo e pubblicazioni scientifiche che trattano della tecnica del GPS. Gli insegnanti possono essere interessati ai due siti web indicati nel seguito. Essi sono ricchi di immagini adatti anche per fare presentazioni orali agli studenti:
1) http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
2) http://extnasa.usu.edu/on_target/gps_tutorial/gps_one_webpage.html
La pubblicazione che segue contiene un’analisi critica delle diverse sorgenti di errore nelle misure fatte con GPS:

• THE GPS ERROR BUSINESS
R.B. Langley
GPS World, March 1997, p.51-56.

Le tre pubblicazioni che seguono riportano l’esperienza maturata dagli autori nell’uso del GPS per misure di tempo in laboratori didattici universitari:

• GPS AND TIMING: DIDACTIC APPLICATIONS ON HOW TO CHOOSE THE BEST CLOCK
M. Caporaloni and R. Ambrosini
European Journal of Physics, 20, pp. 243-252 (1999).

• TIME SYNCHRONIZATION MEASUREMENTS WITH A COMBINATION OF A GPS RECEIVER AND THE INTERNET
M. Caporaloni and R. Ambrosini
The European Journal of Physics, 22, pp. 351-359 (2001).

• HOW CLOSELY CAN A PERSONAL COMPUTER CLOCK TRACK THE UTC TIMESCALE VIA THE INTERNET?”,
M. Caporaloni and R. Ambrosini
The European Journal of Physics, 23, pp. L17-L21 (2002) (also available at stacks.iop.org/EJP/23/L17).

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