CGS TFD. Raoul Grimoldi. Distribuzione Tempo/Frequenza. Antares Research Dept. CGS Compagnia Generale per lo Spazio, an OHB Technology Company

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1 CGS TFD Distribuzione Tempo/Frequenza Raoul Grimoldi

2 CGS Rami di attività della CGS, già Carlo Gavazzi Space S.p.A. Satelliti: sistemi chiavi-in-mano per missioni scientifiche e applicative, in particolare piccoli satelliti per l Agenzia Spaziale Italiana ASI, l Agenzia Spaziale Europea ESA, e per il mercato commerciale. Payloads Scientifici: CGS sviluppa carichi utili scientifici per diverse missioni internazionali, in particolare è primo contraente per il sensore di onde gravitazionali LISA di ESA/NASA e per strumenti di analisi e osservazione. Osservazione della Terra: prodotti e servizi per il monitoraggio ambientale con l utilizzo di dati da telerilevamento, per progetti ESA, ASI e commerciali. Applicazioni e Navigazione: soluzioni e servizi per la sicurezza, il fleet management e il controllo del territorio, Software Radio per telecomunicazione e navigazione, algoritmi di processamento e di compressione dati, sono inoltre in corso studi e sviluppi per il GSA per applicazioni Galileo, di cui è responsabile all interno del gruppo OHB. Ground Segment: CGS è responsabile per lo sviluppo e la realizzazione di sistemi di servizio per la rampa di lancio del vettore europeo VEGA e del vettore russo Soyuz Ricerca: significativi sono gli investimenti in ricerca per applicazioni spaziali, effettuati in collaborazione con le principali Università ed Istituti di Ricerca italiani.

3 CGS ANTARES S.c.a.r.l La Società Consortile Antares, con sede in San Giorgio del Sannio (BN) fu costituita nel gennaio del Il Consorzio è stato creato allo scopo di promuovere l innovazione e lo sviluppo delle PMI nel settore spaziale ed è formato da un gruppo significativo di imprese campane con esperienze complementari ed omogenee, con CGS come società di riferimento. Il consorzio è attivo dal punto di vista industriale e partecipa ad importanti attività come le missioni MIOSAT e PRISMA dell ASI ed ESEO dell ESA.

4 CGS EUROLAB S.r.l. Da oltre 20 anni nel settore telecomunicazioni, Eurolab si occupa di produrre e commercializzare sistemi ed apparati pensati per soddisfare un'ampia fascia di mercato, diversificando e concentrando l attenzione in settori come: Ponti radio analogici e digitali. Sistemi in fibra ottica dedicati alla gestione di contenuti multimediali (Audio,Video e Dati). Timing. Broadcasting televisivo. Progettazione e realizzazione sistemi di interconnessione personalizzati.

5 La storia Il coinvolgimento di CGS nello studio della distribuzione Tempo Frequenza si è sviluppato con una serie di attività per l Agenzia Spaziale Europea 1999 Prototipo dello On-board Clock Module 2000 Studio di sistema per distribuzione tempo frequenza 2003 Campagna di test sul campo 2004 Studio di applicazione per sincronizzazione di sonde in spazio profondo 5

6 Distribuzione Tempo/Frequenza con Brevetto ESA 407 Creazione di un riferimento di tempo e di frequenza su di un satellite geostazionario - Un orologio atomico molto accurato posto a terra viene usato come riferimento temporale (Master Control Station, MCS). - Un clock meno accurato viene imbarcato come payload a bordo di un satellite geostazionario dotato di un terminale di comunicazione RF/IF standard. Il clock del satellite viene sincronizzato con quello della MCS usando tecniche di compensazione a due vie dell effetto Doppler, allo scopo di agganciare la frequenza corretta. -Una volta sincronizzato con la master station, il clock del satellite diventa il nuovo riferimento temporale per le stazioni a terra a due vie che possono essere suddivise in Clock e Timing Stations. CGS ha effettuato per ESA lo studio di sistema al quale ha fatto seguito una dimostrazione sul campo 6

7 TFD : Dimostrazione sul campo del concetto Il dimostratore è composto da tre moduli che riproducono le tre diverse stazioni (Master Clock Station, MCS, simulatore del payload P/L, e stazione ausiliaria, AUX). Il satellite è usato in maniera trasparente per introdurre ritardo e Doppler analoghi a quelli che ci saranno nel sistema target Scopo del test è dimostrare che il clock del Payload Simulator si aggancia al clock della MCS replicandone le caratteristiche in termini di accuratezza 7

8 Master Control Station (MCS) L MCS è dal punto di vista funzionale costituita da: Un orologio di riferimento: clock di riferimento dell intero sistema di sincronizzazione. Oscillatore al rubidio ad alta precisione (RAFS) capace di produrre un segnale stabile a 10 MHz. Modem TDMA: costituito a sua volta da: trasmettitore: accetta in ingresso un segnale di sincronizzazione compatibile con l uscita del clock di riferimento. ricevitore: fornisce un segnale di clock derivato direttamente dal segnale TDMA ricostruito e una flag che segnala la ricezione dell UW. Contatore: misura il tempo d arrivo e di trasmissione del frame TDMA e le frequenze di up/downlink. Unità di controllo La stazione AUX ha la medesima struttura ad eccezione del fatto che il clock è asservito al segnale in arrivo 8

9 Simulatore di payload (P/L) Il modulo OBCK è costituito dai seguenti blocchi funzionali: Interfaccia di controllo della catena TLC: incaricato di configurare il modulo di Clock all avvio, interfacciarsi con la sezione RF, ricevere, decodificare e processare le informazioni trasmesse dall MCS e dalla AUX, gestire i dati ricevuti e codificarli all interno del canale di downlink, acquisire i dati dall Interfaccia TDMA, implementare una macchina a stati per lo scambio delle informazioni, controllare il Module Clock, Clock Module Core: sincronizza il clock locale con quello di riferimento usando il segnale in uscita dal demodulatore. VXCO: modulo implementato con l ausilio di una orologio atomico al rubidio (LPFRS) o con un oscillatore controllato in temperatura (MO). Modem TDMA: stesse caratteristiche del modem MCS. 9

10 Experimental Controller L Experimental Controller (EC) è un modulo software implementato per controllare e monitorare (anche da remoto) le varie funzionalità del sistema durante la fase di test. L Experimental Controller permette di visualizzare graficamente i risultati delle varie simulazioni e scaricarsi i dati più significativi sul computer locale. Tale software presenta due diverse modalità operative: modalità test e modalità normale. La prima è usata durante la campagna di test la seconda, invece, costituisce la modalità operativa standard del sistema di misura. 10

11 Sistema di misura Il sistema di misura è costituito da due dispositivi (Picotime) connessi ad un PC, che misurano la differenza di fase o di frequenza fra riferimento e clock agganciato attraverso il link RF. 11

12 TDMA Term. Digital Board (CGS) TDMA Term. Analog Board (CGS) TDMA Terminal Station Controller TFD Field Trial Setup in ASTRA RAFS TM (clock di riferimento) LPFRS TM (clock utente) 12

13 Algoritmo di Sincronizzazione del Payload Simulator La stazione master invia burst al simulatore di satellite che lo ritrasmette nuovamente alla MCS. La MCS calcola il ritardo di propagazione fra MCS e PS e di conseguenza lo sfasamento subito dal segnale di riferimento una volta giunto sul Payload Simulator. Il Payload simulator si aggancia al segnale ricevuto corretto per la propagazione Punti chiave del sistema: - Misura del ritardo di arrivo del segnale - Algoritmo di stima del ritardo di propagazione 13

14 Risultati del test del prototipo - Sincronizzazione MCS-P/S Il test è stato suddiviso in due fasi: misura delle differenze di fase e frequenza durante il transitorio e a regime, ovvero una volta che i due clock risultano perfettamente agganciati. Inizialmente PS e MCS non sono sincroni, quando l operatore inizializza il sistema, il clock del PS comincia ad inseguire quello della stazione master. Differenza di fase tra MCS e PS: transitorio. Durante la prima fase, la differenza di frequenza si riduce progressivamente fino a diventare quasi nulla. Una volta che MCS e PS risultano agganciati la differenza di fase picco-picco tra MCS e PS risulta di circa 100 ps. Differenza di fase tra MCS e PS: regime. 14

15 Analisi dei risultati Prestazioni attese (simulazioni) Misure effettuate durante la fase di test Stabilità temporale (PL) Deviazione standard = 100 ps Deviazione standard = 49 ps Stabilità temporale (utente) Deviazione standard = 250 ps Deviazione standard = 71 ps Stabilità in frequenza per un giorno (PL) Stabilità in frequenza per un giorno (utente) Deviazione di Allan = Deviazione di Allan = Deviazione di Allan = Deviazione di Allan = Compensazione Doppler: non c è alcun offset in frequenza legato all effetto Doppler quando i clock risultano sincroni. L effetto Doppler, allora, può considerarsi perfettamente compensato dal sistema. Rumore elettronico e di canale: rumore bianco di fase dominante. Errore nella sincronizzazione: costante pari a circa 50 ps RMS. Massimo picco d errore: pari a 250 ps per il PS 15

16 Applicazione Sincronizzazione Rete SFN 16

17 Metodo proposto Riutilizzo del metodo sperimentato nel Field Trial con link satellitare trasparente 3 stazioni RF ridondate opportunamente distribuite sul territorio misurano la posizione del satellite GEO utilizzato per la distribuzione tempo frequenza Lo stesso HW ed algoritmo utilizzato per il field trial consentono la misura del range del satellite e mediante triangolazione della posizione dello stesso Le stazioni receive only dislocate dove si necessita del segnale di riferimento ricevono il burst trasmesso dalla MCS e calcolano il suo ritardo conoscendo la propria posizione Il ritardo di propagazione del link satellitare viene compensato con lo stesso metodo utilizzato oggi sul payload simulator L errore risultante è limitato dalla capacità di stimare la propagazione del segnale RF, dalla bontà di calibrazione dei ritardi delle apparecchiature di telecomunicazione utilizzate e dalle loro derive Il sistema di riferimento realizzato può essere legato al GPS sincronizzando la stazione di riferimento al GPS stesso in maniera da garantire un passaggio trasparente da una fonte di sincronizzazione all altra 17

18 Elementi distintivi del sistema TFD Misura del ritardo del segnale con risoluzione di una decina di nanosecondi grazie al progetto di un apposito demodulatore e trasmettitore Capacità di stimare l effetto del moto del satellite e di correggerlo al fine di fornire al clock da agganciare un riferimento a frequenza e fase costante Prestazioni elevate dimostrate per un utente 2 vie dove era richiesta una sincronizzazione a livello di nanosecondo 18

19 Dall esperimento al sistema operativo Individuazione col contributo degli utenti e del mondo accademico/istituzionale dei requisiti di sistema necessari per sincronizzare le reti SFN Ingegnerizzazione del modem al fine di ottimizzarlo per le prestazioni richieste e per adattare le interfacce a quanto necessario in questo campo Ingegnerizzazione del terminale ad una via col fine di ridurne il costo ricorrente in collaborazione con Eurolab S.r.l. Fase sperimentale al fine di verificare le performance nella misura della posizione del satellite con 3 stazioni a due vie Verifica delle prestazioni della sincronizzazione di una stazione a singola via Verifica delle prestazioni con stazioni dislocate sul territorio nazionale 19

20 CGS TFD Distribuzione Tempo/Frequenza Grazie per l attenzione