Orologi ad altissima precisione – il cuore pulsante di Galileo

Galileo constellation
10 Maggio 2007

Per la navigazione, i viaggiatori si affidano a orologi di precisione sin dallo sviluppo del cronografo marino, nel XVIII secolo. Galileo, il sistema di navigazione europeo del XXI secolo, si affida anch'esso ad orologi – ma questi ultimi sono milioni di volte più precisi dei cronografi dei secoli scorsi.

I satelliti operativi del sistema Galileo trasporteranno due tipi di orologi – maser a idrogeno passivi e atomici al rubidio (RAFS). Ogni satellite sarà dotato di due maser all'idrogeno, uno dei quali sarà il riferimento principale per la generazione dei segnali di navigazione, mentre l'altro rimarrà in stato di riserva inattiva (cioè non operativo).

Ogni satellite operativo trasporterà anche due orologi al rubidio, uno dei quali rimarrà in stato di riserva attiva (cioè funzionante) del maser a idrogeno operativo. L'orologio in riserva attiva deve essere in grado di sostituire istantaneamente il maser qualora questo dovesse guastarsi per non interrompere la generazione del segnale. Il secondo orologio al rubidio rimarrà anch'esso in stato di riserva inattiva.

GIOVE-A, il satellite di verifica in orbita del sistema Galileo, già entrato in servizio, trasporta due orologi al rubidio – uno operativo e uno in stato di riserva inattiva. GIOVE-B, che dovrebbe entrare in servizio fra qualche mese, trasporterà un maser all'idrogeno e due orologi al rubidio, uno in stato di riserva attiva e uno in riserva inattiva. Il satellite GIOVE-A2, il cui lancio è previsto per il secondo semestre del 2008, trasporterà un carico di orologi simile a quello di GIOVE-A, ma trasmetterà ulteriori segnali di navigazione.

Passive hydrogen maser under test
Passive Hydrogen Maser under test

I maser all'idrogeno passivi di Galileo sono in grado di misurare il tempo con una precisione di circa un nanosecondo (un miliardesimo di secondo) in 24 ore – equivalente a un'imprecisione massima di un secondo ogni 2,7 milioni di anni. Gli orologi al rubidio hanno una precisione di 10 nanosecondi al giorno. Per confronto, basti pensare che un normale orologio da polso digitale ha una precisione di circa un secondo al giorno.

I maser all'idrogeno passivi di Galileo sono quindi più o meno un miliardo di volte più precisi di un orologio da polso digitale.

L'esigenza della precisione

GIOVE-B in orbit (artist's impression)
GIOVE-B in orbit (artist's impression)

Concettualmente, gli utenti di Galileo determineranno la propria posizione misurando il tempo impiegato per essere raggiunti dalle onde radio emesse dalla costellazione Galileo. Le onde radio viaggiano a circa 300.000 kilometri al secondo, quindi coprono una distanza di circa 30 centimetri in un nanosecondo. Per offrire un servizio di navigazione con un'accuratezza di un metro, la misurazione dei tempi di Galileo deve quindi avere una precisione dell'ordine del nanosecondo.

L'estrema precisione nella misura del tempo necessaria alla navigazione satellitare rende possibili ulteriori applicazioni. Galileo potrà offrire servizi di segnale orario di precisione che potranno essere applicati, per esempio, a funzioni di timbro orario per le transazioni finanziarie.

Galileo è un'iniziativa congiunta di ESA e Commissione Europea. Quando la costellazione di satelliti sarà completata, nei primi anni del prossimo decennio, Galileo sarà il primo sistema GPS civile a offrire una copertura globale.

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