La sincronización utilizando satélites de navegación

Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS, por sus siglas en inglés), y en particular el GPS, son ampliamente utilizados en la actualidad como método principal para posicionamiento de todo tipo de usuarios. Sin embargo, el uso del GNSS para la sincronización y sellado de tiempo de eventos no es tan conocida para el gran público, pese a ser una herramienta fundamental en infraestructuras críticas como redes de telecomunicaciones móviles, redes de transmisión eléctrica, y centros de transacciones financieras. La gran ventaja del GNSS para estas aplicaciones es su excelente precisión, que es varios órdenes de magnitud superior a otros métodos igualmente accesibles como por ejemplo la sincronización por internet. El popular protocolo de internet NTP usado en la mayor parte de nuestros ordenadores alcanza un error típico de varios milisegundos, suficientes para datar cookies, certificados, etc., pero insuficiente para aplicaciones más avanzadas.

Pero, ¿cómo funciona la sincronización por satélite? Al igual que en posicionamiento, la medida básica de GNSS es el tiempo transcurrido entre la salida de la señal de radio desde el satélite hasta su llegada al receptor de usuario. El tiempo de salida va marcado por el reloj del satélite, y el tiempo de llegada va marcado por el reloj del usuario. Los satélites llevan a bordo relojes atómicos muy estables y están todos sincronizados entre sí por medio de una escala común de tiempos. En el sistema americano GPS, esta escala de sistema se llama “GPS Time”, y en el sistema europeo Galileo se llama “Galileo System Time” o “GST”.

Sin embargo, el reloj de usuario es en la mayoría de los casos un oscilador de cuarzo barato muy impreciso que por sí mismo no está alineado a la escala de tiempos GNSS. Es por ello que en la triangulación clásica de posicionamiento por satélite es necesario usar cuatro satélites en lugar de tres para poder estimar la desviación del reloj del receptor con respecto a la escala GNSS, además de las tres coordenadas geográficas del usuario. Recordemos que, al propagarse las señales de radio a la velocidad de la luz, un pequeño error de reloj (tiempo) se convierte rápidamente en un gran error de distancia.

En posicionamiento estándar, la estimación del reloj de usuario es un producto intermedio que solamente sirve como medida auxiliar para el cálculo de coordenadas: la estimación de reloj es transparente para el usuario y normalmente se desecha una vez calculada la posición. Sin embargo, en aplicaciones de sincronización es precisamente esta magnitud la que nos interesa. De hecho la posición del receptor se suele conocer de antemano al estar normalmente instalado en un sitio fijo y estable, en cuyo caso es suficiente un único satélite en vista para calcular la estimación del reloj de usuario.

Más en detalle, la estimación del reloj de usuario es la diferencia entre el reloj de usuario y la escala de tiempo GNSS. Si lo que queremos es sincronizar eventos entre dos usuarios, es suficiente comparar sus respectivas estimaciones de reloj frente al tiempo GNSS: la escala GNSS se cancela y nos queda la diferencia entre los dos relojes de usuario. Dada la cobertura global de GNSS, los dos usuarios pueden estar situados en cualquier punto del planeta y separados por grandes distancias, por ejemplo cada uno en un continente distinto. Eso sí, es necesario que la antena GNSS del usuario esté situada en un lugar razonablemente abierto o por lo menos cerca de una ventana, pues como sabemos la señal GNSS se pierde en sitios profundos tales como sótanos y túneles.

Como vemos, en aplicaciones de sincronización, y más en general en posicionamiento, la escala de tiempo de sistema GNSS puede ser en principio arbitraria, pues se cancela al hacer la diferencia entre relojes de usuario. Sin embargo, todos los sistemas GNSS, incluyendo GPS, Galileo, y también otros como el ruso Glonass y el chino Beidou, intentan mantener sus escalas de tiempo de sistema muy cercanas al tiempo universal coordinado o UTC, que es el sistema oficial de tiempo internacionalmente adoptado. El UTC se obtiene a partir de una media ponderada de las señales de un conjunto de relojes atómicos, localizados en cerca de 70 laboratorios nacionales de todo el mundo. La alineación de tiempo de sistema GNSS a UTC permite no solamente sincronizar entre sí eventos distantes, sino además datar cada evento individual con respecto al tiempo internacional UTC. Para mayor precisión, cada constelación GNSS transmite la diferencia entre su tiempo de sistema y UTC; esta diferencia es normalmente muy pequeña del orden de unos pocos nanosegundos.

El acceso a UTC de forma precisa y global es otra de las grandes ventajas del GNSS. Téngase en cuenta que, aunque en origen las escalas UTC de los laboratorios nacionales de tiempo son altamente precisas, al nivel de pocos nanosegundos, su distribución no es cosa fácil, incluso dentro del propio país, dado que las técnicas de diseminación usuales como internet, radio, etc., se degradan rápidamente con la distancia. GNSS permite distribuir UTC con errores en general por debajo del microsegundo. Si se requiere una precisión extrema es necesario calibrar los retrasos eléctricos introducidos por el propio equipo de usuario, en cuyo caso es posible acceder a UTC (y en general sincronizar) con errores de unos pocos nanosegundos.

Autor: Ricardo Píriz