Galileo: không đời nào không có thời gian

Trung tâm kỹ thuật ESTEC của ESA ở Hà Lan đang liên tục theo dõi ‘Thời gian Hệ thống Galileo’ tại trung tâm của hệ thống định vị vệ tinh của Châu Âu – trên cơ sở độc lập với chính hệ thống Galileo đang hoạt động.

Để làm được điều này, cơ sở lưu trữ trong Phòng thí nghiệm UTC của mình một ‘tập hợp’ các đồng hồ nguyên tử hiệu suất cao được giữ trong điều kiện phòng sạch ổn định nhiệt. Bộ sưu tập đồng hồ nguyên tử có kích thước bằng chiếc tủ lạnh này, cùng với các phương tiện để đo và so sánh chúng, cung cấp thời gian ổn định, chính xác, thường chính xác đến một phần tỷ giây, tốt hơn gần mười lần so với Giờ Hệ thống Galileo.

Giúp thiết lập thời gian toàn cầu

Pierre Waller, giám sát Phòng thí nghiệm, giải thích: “Phòng thí nghiệm UTC của chúng tôi được đặt tên như vậy bởi vì nó – cùng với các đồng hồ tương tự của Văn phòng Hỗ trợ Điều hướng được vận hành tại ESOC ở Đức – được sử dụng để đặt một thang thời gian chung gọi là UTC(ESA), do đó một trong những dữ liệu đầu vào để cài đặt Giờ phối hợp quốc tế, UTC – thang thời gian tham chiếu của thế giới – được duy trì bởi Văn phòng International des Poids et Mesures có trụ sở tại Paris, BIPM.”

Nhóm đồng hồ nguyên tử của ESTEC đã hoạt động liên tục trong hơn một thập kỷ nay, chịu đựng đại dịch COVID-19 và thay đổi vị trí – khi các đồng hồ được vận chuyển dần dần và đồng bộ lại từ vị trí ban đầu của chúng đến một vị trí xa hơn trong hành lang. Sự đóng góp bổ sung của các đồng hồ đặt tại ESOC kể từ tháng 11 năm 2021 đã thúc đẩy hơn nữa sự mạnh mẽ của UTC(ESA).

Kỹ sư vi sóng của ESA, Cedric Plantard, nhận xét: “Để đo chính xác bất cứ thứ gì, cần phải có một thước đo phù hợp. Vì vậy, UTC(ESA) có thể được sử dụng để thực hiện kiểm tra độc lập về hiệu suất định thời gian của Galileo, cũng như đánh giá hiệu suất của các đồng hồ nguyên tử ứng cử viên cho các vệ tinh thế hệ thứ hai của Galileo sắp tới hoặc bất kỳ thử nghiệm nào khác yêu cầu siêu ổn định và tham chiếu thời gian chính xác”.

“Hãy coi những chiếc đồng hồ ở đây hoạt động cùng nhau trong môi trường được bảo trì cẩn thận này giống như một dàn nhạc, góp phần tạo ra giá trị thời gian trung bình có trọng số. Nếu một đồng hồ vượt ra ngoài phạm vi của phần còn lại thì báo thức sẽ tự động được kích hoạt.”

Đếm nano giây để đo khoảng cách

Tại sao định vị chính xác yêu cầu hiển thị thời gian chính xác? Vì cách thức hoạt động của Galileo, biến thời gian thành khoảng cách. Nguyên tắc giống như cách trẻ em được dạy để ước tính khoảng cách của một cơn giông: nhìn thấy một tia chớp, sau đó đếm số giây cho đến khi một tiếng sấm sét đánh tới chúng. Ngoại trừ trong trường hợp này, thời gian liên quan đến một phần tỷ giây, nhân với tốc độ ánh sáng.

Các vệ tinh Galileo quay quanh quỹ đạo 23 222 km phía trên Trái đất, truyền tín hiệu xuống phía dưới có gắn dấu thời gian. Một máy thu satnav trên mặt đất thu bốn tín hiệu Galileo trở lên để cố định vị trí của nó trên mặt đất. Vào thời điểm các tín hiệu đến được nó, chúng đã mất khoảng một phần mười hai giây từ quỹ đạo – như được tiết lộ bởi sự khác biệt giữa dấu thời gian của tín hiệu và thời gian của máy thu.

Máy thu nhân sự khác biệt này với tốc độ ánh sáng – khoảng 30 cm mỗi nano giây, một phần tỷ giây – để xác định khoảng cách chính xác của nó với mỗi vệ tinh trên quỹ đạo, sau đó kết hợp các phép đo này theo phương pháp tam giác để tính toán vị trí tổng thể của nó. Nếu đồng hồ sai số hơn ba nano giây thì giá trị định vị này đã vượt quá phạm vi một mét. Lỗi một giây có nghĩa là người nhận cũng có thể ở trên Mặt trăng.

Đồng hồ nguyên tử ‘maser hydro thụ động’ đôi là đồng hồ chính trên mỗi vệ tinh, đo thời gian với độ chính xác một giây trong ba tỷ năm. Hai đồng hồ rubidi nhỏ hơn cung cấp một nguồn thời gian độc lập và thay thế, chính xác đến ba giây trong một tỷ năm.

Nhưng trên thực tế, các đồng hồ tích hợp này có xu hướng bị lệch một chút theo thời gian. Vì vậy, một mạng lưới các trạm mặt đất Galileo trên toàn thế giới giữ một tab liên tục trên các tín hiệu của vệ tinh, để xác định bất kỳ độ lệch đồng hồ nào so với ‘Thời gian hệ thống Galileo’ (cũng như bất kỳ độ lệch quỹ đạo nhỏ nào). Mọi lỗi sau đó sẽ được sửa trong một thông báo điều hướng được cập nhật, được biên dịch và tải lên vệ tinh để phát lại trong các tín hiệu điều hướng Galileo cứ sau 100 phút hoặc ít hơn.

Thời gian tốt nhất cho thời gian

Tính khả dụng chung của Galileo và các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu khác, mỗi hệ thống có thời gian hệ thống riêng (và độ lệch riêng so với UTC), đang góp phần tăng cường độ chính xác về thời gian trên toàn thế giới – ví dụ như được sử dụng để đồng bộ hóa thông tin liên lạc, tài chính và mạng lưới điện. Nhưng cuối cùng, cách chắc chắn duy nhất để kiểm tra hoạt động của đồng hồ là sử dụng một đồng hồ khác – do đó cần có UTC(ESA) và các thang thời gian tham chiếu có thể so sánh được.

Pierre cho biết thêm: “UTC(ESA) là một công cụ kỹ thuật có thể được sử dụng cho mọi mục đích.

“Vì vậy, chẳng hạn, chúng tôi hiện đang xem xét hiệu suất chuyển thời gian qua cáp quang với người Hà Lan Viện Đo lường Quốc gia VSLnhư một phương tiện xuất thời gian chính xác đến bất cứ nơi nào cần thiết, cùng với việc đánh giá hiệu suất của Galileo, ứng cử viên cho phần cứng và dịch vụ trong tương lai.”

Giới thiệu về Galileo

Galileo là hệ thống định vị vệ tinh chính xác nhất thế giới, hiện đang phục vụ hơn bốn tỷ người dùng trên toàn cầu. Tất cả các điện thoại thông minh được bán tại Thị trường chung châu Âu hiện được đảm bảo hỗ trợ Galileo. Ngoài ra, Galileo đang tạo ra sự khác biệt trong các lĩnh vực vận tải đường sắt và hàng hải, nông nghiệp, dịch vụ thời gian tài chính và hoạt động cứu hộ.

Galileo là một chương trình hàng đầu của Chương trình Vũ trụ EU, được quản lý và tài trợ bởi Liên minh Châu Âu. Kể từ khi thành lập, ESA đã dẫn đầu trong việc thiết kế và phát triển các hệ thống không gian và mặt đất, cũng như mua sắm các vụ phóng. EUSPA (Cơ quan EU về Chương trình Vũ trụ) đóng vai trò là nhà cung cấp dịch vụ của Galileo, giám sát thị trường và nhu cầu ứng dụng, đồng thời đóng vòng kết nối với người dùng.

Để biết thêm thông tin về Galileo: https://www.usegalileo.eu