Atoomklokken

Het juist functioneren van het radionavigatie-systemen vereist hyperfijne tijdmetingen (tot op enkele miljardsten van een seconde).

Deze precieze tijdmeting is noodzakelijk omdat een elektromagne­tische golf zich verplaatst met een snelheid van zo'n 30 centimeter per één-miljardste deel van een seconde (snelheid van het licht). Dus, elke fout van één-miljardste seconde geeft een navigatiefout van tenminste 30 centimeter.

Aan boord van de satellieten van de radionavigatie-systemen zijn een of meer atoomklokken inzetbaar voor precieze tijdsmetingen. Deze atoomklokken kennen afzonderlijk een hele hoge beschikbaarheid en gegeven de redudantie van meerdere inzetbare atoomklokken is de kans verwaarloosbaar klein dat zelfs aan het einde van een langdurige missie van zelfs meer dan 7 jaar er geen atoomklok meer beschikbaar zou zijn. Zonder ook hier weer te diep op de materie in te willen gaan, en mogelijk af te dwalen, kan ik toch niet nalaten het navolgende te beschrijven.

De exacte tijdmeting is letterlijk van deze tijd.

Gedurende de afgelopen 800 jaar is de exactheid van tijdmeting verbeterd met tenminste een factor 1000. Van de kaarsen- en waterklokken (onnauwkeurigheid +/- 60 minuten per dag) tot de hedendaagse waterstof-atoomklokken die een onnauwkeurigheid kunnen hebben van één seconde op ongeveer zeven miljoen jaar. Bijvoorbeeld: De NAVSTAR-satellieten hebben vier atoomklokken aan boord om te allen tijden (woordspelingen lijken hier onvermijdelijk te zijn) verzekerd te van hun elementaire functie.

In de conceptfase van het NAVSTAR GPS stonden de atoomklokken trouwens nog stevig met hun functie op de grond. De best verkrijgbare atoomklokken waren zo groot als diepvrieskisten, stroomverslindend, en zeer onderhoudsgevoelig. De rubidium-atoomklokken zijn nu zo groot als een voertuigaccu en wegen ongeveer zeven kilo. De iets nauwkeuriger cesium-atoomklok is iets groter en weegt het dubbele.

De 50-100 keer meer stabiele (en nu ook compacte) waterstof-atoomklokken zijn intensief bestudeert voor gebruik aan boord van toekomstige GPS-satellieten. Deze klokken laten de satellieten meer autonoom functioneren (minder afhankelijk van frequente 'updates' vanaf de aarde). Echter een duidelijk goedkoper alternatief, de zogeheten 'crosslink ranging', biedt vergelijkbare resultaten. Over deze toekomstige 'crosslink ranging', gebaseerd op de onderlinge-communicatie tussen de satellieten, later iets meer.

De definitie van de eenheid van tijd, de seconde, in het Système International-eenhedenstelsel luidt sedert oktober 1967: 'de seconde is de tijdsduur van 9.192.631.770 perioden van de straling overeenkomend met de overgang tussen de twee hyperfijnniveaus van de grondtoe­stand van het atoom cesium 133'. De atoomklokken aan boord van de satellieten zijn gecorrigeerd naar een lagere frequentie (cesiumklok 4,4.10-10) als gevolg van vermin­derde zwaartekracht (nog maar ongeveer zes procent) en de snelheid van de satelliet (iets meer dan 4000 meter per seconde). Als deze correctie niet zou hebben plaatsgevonden zou een kilometers grote navigatiefout het gevolg zijn. Tevens dient er rekening te worden gehouden met het gegeven dat tijdens de twaalf uur durende elliptische (eivormige) omtrekking van de aarde het verschil in 'tik'frequentie maximaal 46 nanoseconden bedraagt. De zogeheten 'perigee' (positie in omgang dichtst bij aarde) ligt namelijk ongeveer 530 kilometer dichter bij het centrum van onze aarde dan de 'apogee' (positie in omgang verst van de aarde).

In de allereerste GPS-satellieten ontstonden al na ongeveer vijf maanden klokproblemen. In de, tweede generatie, NAVSTAR-satellieten (Block-II) zijn vier verbazend accurate atoomklokken (twee cesium- en twee rubidium-atoomklokken) geïnstalleerd. Deze klokken zijn zo stabiel en nauwkeurig dat ze er iedere 160.000 jaar maximaal één seconde naast kunnen zitten. Om de nauwkeurigheid te garanderen wordt er minstens eenmaal per 24 uur nieuwe klok-correctie data naar de satellieten verstuurd.

Galileo-klokken

De Galileo-satellieten hebben twee soorten klokken aan boord: passieve waterstofmasers en rubidium atoomklokken. Elke satelliet krijgt twee waterstofmasers. De één doet dienst als primaire referentie voor het genereren van de navigatiesignalen. De ander als koude (niet-operationele) reserve.

Verder wordt elke satelliet voorzien van twee rubidium atoomklokken. Eén daarvan draait op de achtergrond als backup voor de operationele waterstofmaser. Bij een storing springt deze klok direct in, zodat de signalen ononderbroken worden doorgegeven. De andere rubidiumklok fungeert als koude reserve.  
 
De eind 2005 gelanceerde GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element) telt twee rubidiumklokken, de één operationeel en de ander als koude reserve. GIOVE-B, die later dit jaar in werking wordt gesteld, heeft één waterstofmaser en twee rubidiumklokken, een warme en een koude reserve. De GIOVE-A2 satelliet, die in de tweede helft van 2007 klaar is voor lancering, heeft dezelfde klokken als GIOVE-A maar zendt andere navigatiesignalen uit.

De passieve waterstofmasers van Galileo zijn nauwkeurig tot op ongeveer een nanoseconde (één miljardste seconde) in 24 uur - wat overeenkomt met een seconde in 2,7 miljoen jaar. De rubidium klokken zijn nauwkeurig tot tien nanoseconden per dag. Ter vergelijking: een gewoon polshorloge heeft een nauwkeurigheid van ongeveer één seconde per dag. De passieve waterstofmasers van Galileo zijn dus ongeveer een miljard keer zo nauwkeurig als een digitaal polshorloge.

De behoefte aan precisie

Wie met behulp van Galileo zijn plaats bepaalt, doet dat in feite door te meten hoe lang het duurt voordat de door Galileo-satellieten uitgezonden radiogolven hem bereiken. De snelheid van radiogolven is ongeveer 300 miljoen meter per seconde. In één nanoseconde leggen ze dus ongeveer 0,3 meter af. Om navigatie tot ongeveer een meter nauwkeurig te maken, moet Galileo de tijd dus meten in de orde van een nanoseconde.

Als bijproduct van de behoefte aan nauwkeurige tijdregistratie kan Galileo ook dienst doen om de exacte tijd door te geven voor andere doeleinden, bijvoorbeeld de tijdstempels van financiële transacties.