Hoe laat is het? ESA helpt de tijd nauwkeurig te bepalen

Zonder dat we het misschien beseffen speelt deze gecoördineerde wereldtijd, ook bekend als Coordinated Universal Time of UTC, een belangrijke rol in ons dagelijks leven. Hij wordt gebruikt bij onder meer het internet, bankieren, de luchtvaart en internationale tijdsschalen, beheerd door het Bureau International de Poids et Mesures (BIPM) in Parijs.

De UTC is vrijwel gelijk aan de Greenwich Mean Time (GMT). Maar de GMT is een zuiver astronomische tijd, terwijl de UTC gebaseerd is op atoomklokken en gecoördineerd is met de rotatie van de aarde. Om het uiterst minieme verschil tussen de twee te compenseren moet er af en toe een schrikkelseconde worden ingelast.

Meetinstituten en waarnemingsstations verzamelen wereldwijd gegevens van atoomklokken om de huidige UTC te bepalen. Ze sluizen deze gegevens door naar het BIPM om een gecombineerde globale waarde ervan te kunnen bepalen. Dit is een bijzonder ingewikkeld proces: het duurt zowat zes weken om tot een definitieve bepaling te komen.

ESTEC-directeur Franco Ongaro heeft nu een overeenkomst ondertekend met het BIPM. Die houdt de internationale erkenning in van de ESA-tijdsschaal en het gebruik van de gegevens van de ESA-atoomklokken bij de UTC-berekeningen. ESTEC is het European Space Research and Technology Centre. Het bevindt zich in Noordwijk in Nederland en is de grootste vestiging en het technische hart van ESA, zeg maar de kraamkamer van de Europese ruimtevaartactiviteiten.

"Het Navigation Laboratory van ESA is in ESTEC ondergebracht en ontwikkelde deze onafhankelijke capaciteit om de tijd te bepalen. Die is eigenlijk bedoeld is om het Galileo-systeem mee te helpen valideren, te beginnen met de experimentele GIOVE-satellieten", verklaart Pierre Waller van de afdeling RF Payload Systems van ESA.

"Maar we kunnen deze capaciteit ook in een breder kader toepassen. De erkenning van het BIPM weerspiegelt dan ook de kwaliteit van onze gegevens. Onze UTC-bepaling, die we formeel UTC (ESTEC) noemen, is verder ook nog bruikbaar voor andere projecten binnen ESA. Zo zijn er naast navigatie nog veel andere mogelijke toepassingen, zoals technologische precisie-experimenten of de synchronisatie van telecommunicatie en deep space grondstations.

"Overigens is het belangrijk te vermelden dat onze bijdrage aan de UTC niet de bestaande input vervangt van metrologische instituten zoals het VSL in Delft in Nederland of de Koninklijke Sterrenwacht van België in Brussel. In tegendeel, we leveren extra gegevens voor een nog nauwkeurigere bepaling van de tijd."

Galileo of hoe tijd afstand wordt

Waarom is tijdbepaling nu zo belangrijk voor een satellietnavigatiesysteem als Galileo? Zoals alle andere gelijkaardige systemen is Galileo gebaseerd op de uiterst nauwkeurige bepaling van de tijd. Een ontvanger op de grond kan zijn positie bepalen door te berekenen hoe lang signalen van satellieten in een baan om de aarde erover doen om hem te bereiken.

Door de tijd die een signaal er tussen ontvanger en satelliet over doet te vermenigvuldigen met de snelheid van het licht berekent men de afstand tussen de gebruiker en de satelliet. Een ontvanger kan bepalen op welke breedte- en lengtegraad hij zich bevindt en de tijd bepalen wanneer hij in contact is met minstens vier satellieten. Atoomklokken aan boord van elke satelliet houden de tijd bij met een nauwkeurigheid in de orde van nanoseconden. Een nanoseconde is een miljardste van een seconde. De klokken worden gesynchroniseerd door een wereldwijd netwerk op de grond.

Galileo loopt op de Galileo System Time (GST), die berekend wordt met twee zogenaamde Galileo Precise Timing Facilities – uitgerust met actieve waterstofmasers en cesium-atoomklokken - in de twee controlecentra van het systeem: Fucino in Italië en Oberpfaffenhofen in Duitsland.

"De UTC is de basis voor de wettelijke tijd", voegt Galileo’s Alexander Mudrak eraan toe. “De GST wordt onafhankelijk van de UTC berekend, maar wijkt er weinig van af. Het verschil tussen de GST en de UTC zal ook in de navigatiesignalen van Galileo worden opgenomen. De grote gelijkenis tussen de GST en de UTC zorgt er eveneens voor dat Galileo en het Global Positioning System (GPS) compatibel zijn."

"Galileo zal bovendien niet alleen een navigatiesysteem zijn, maar op zichzelf een belangrijke bron van nauwkeurige tijdsmeting, op dezelfde manier als het huidige GPS."

De huidige vier Galileo-satellieten zenden tijdens de testfase van de satellieten voorlopig dummy navigatiesignalen uit zonder tijdsgegevens.

Maar later dit jaar komt daar verandering in. Dan zijn de vier satellieten operationeel en krijgen gebruikers toegang tot de GST. Vanaf dat ogenblik zal ESA's Navigation Lab een belangrijke rol spelen bij het onafhankelijk valideren van de tijdsfunctie van Galileo.

Het Navigation Lab van ESTEC is uitgerust met cesium-atoomklokken en actieve waterstofmasers. Die zijn vele malen nauwkeuriger dan de passieve waterstofmasers aan boord van de Galileo-satellieten, die zelf amper één seconde per drie miljoen jaar verkeerd lopen.

Om ervoor te zorgen dat ze stabiel lopen bevinden de klokken zich in een nauwgezet gecontroleerde omgeving met onder meer een back-up generator voor energievoorziening.