Use case: Tijdsynchronisatie via een glasvezelverbinding

08-01-2021

UTC is de internationale referentie voor tijd: veel toepassingen, zoals navigatieapparatuur, bepalen op basis daarvan hun tijdmeting. Normaal gesproken via satellietverbindingen, maar inmiddels ook via glasvezelverbindingen. Die zijn betrouwbaarder en nauwkeuriger. In samenwerking met SURF, is er onlangs zo’n glasvezelverbinding gerealiseerd tussen VSL en ESA ESTEC.

IJkpunt voor tijd: UTC
Voor allerlei toepassingen is het belangrijk dat er een wereldwijd ijkpunt is voor de exacte tijd. Satellietnavigatie is natuurlijk een bekende en belangrijke toepassing, maar de exacte tijd speelt ook een grote rol in onder andere industriële processen, beurshandel, telecommunicatie, astronomie, en medisch onderzoek. Het wereldwijde ijkpunt voor tijdmetingen is UTC: de coordinated universal timescale. UTC wordt gegenereerd op basis van atoomklokmetingen van 80 tijdcentra wereldwijd, die met elkaar verbonden zijn.

Tijdstandaard realiseren
Erik Dierikx is onderzoeker Time & Frequency bij VSL, het Nederlandse metrologie-instituut. “Bij VSL onderhouden we alle relevante nationale meetstandaarden, onder andere op het gebied van tijd, massa en lengte. Dat is een taak die wij voor de overheid uitvoeren. Als het gaat om tijd: met 4 atoomklokken realiseren wij de nationale tijdstandaard van Nederland. En zoals VSL zijn er in totaal zo’n 90 tijdcentra wereldwijd die een tijdstandaard realiseren. Onderling vergelijken we onze metingen, en daaruit ontstaat de UTC. Dat is dus een soort “gewogen gemiddelde” van de tijdmetingen van die tijdcentra."

Pierre Waller werkt als engineer bij ESTEC (European Space Research and Technology Centre), het technische centrum van de ESA in Noordwijk. Hier worden de meeste ESA-projecten ontwikkeld. “ESTEC is ook een van de tijdcentra die Erik noemt. Wij hebben ook atoomklokken waarmee we heel precieze tijdmetingen kunnen doen. Die hebben we onder andere nodig voor het monitoren van GALILEO, het civiele satellietnavigatiesysteem dat ESA ontwikkeld heeft. Maar ESTEC is ook het technisch centrum van de ESA als het gaat om tijdmeting. We moeten daar hands-on expertise in hebben.” 

Van radioverbinding naar glasvezelverbinding
Tijdvergelijkingen tussen de tijdcentra voor de realisatie van UTC gebeuren meestal via radiosignalen van communicatiesatellieten (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT) en navigatiesatellieten (Global Navigation Satellite System, GNSS). Deze systemen van tijdmeting hebben hun waarde bewezen, maar blijken ook gevoelig voor kleine storingen, omdat de signalen van satellieten relatief zwak zijn. Daarom wordt sinds een aantal jaar ook geëxperimenteerd met alternatieve technieken die minder gevoelig zijn voor verstoringen.

Een van die alternatieve technieken is tijdsynchronisatie via glasvezelverbindingen. Met die techniek voeren VSL en ESTEC een proof of concept uit. SURF heeft een glasvezelverbinding aangelegd tussen VSL in Delft en ESTEC in Noordwijk, die dedicated gebruikt wordt om de atoomklokken van VSL en ESTEC met elkaar te vergelijken, en om bij te dragen aan de bepaling van UTC.

Accuraat en betrouwbaar
Dierikx: “Er zijn in Europa al 3 optische verbindingen tussen tijdcentra operationeel, voor tijd- en frequentieoverdracht, met goede resultaten. Wij zijn wel de eerste die gebruikmaken van de White Rabbit-technologie. Dit is een protocol voor tijd- en frequentieoverdracht dat gebaseerd is op standaard protocollen. Dat houdt dus in dat je de metingen via een bestaand netwerk kunt uitvoeren. Dat biedt veel perspectief. Het betekent overigens niet dat dat je White Rabbit zomaar aan kunt zetten. SURF heeft, om de verbinding tussen VSL en ESTEC mogelijk te maken, aanpassingen gemaakt in de optische laag van het nationale onderwijs- en onderzoeksnetwerk. Daarmee zien we dat de prestaties heel goed zijn: de metingen zijn zeer accuraat en het systeem is heel betrouwbaar. Er is veel minder kans op interferentie van buitenaf dan bij satellietverbindingen. Misschien door een graafmachine die een kabel doorbreekt, maar die kans is wel erg klein. Waller vult aan: “Daarbij komt nog dat de bandbreedte van de verbinding vele malen groter is dan bij technieken die gebruikmaken van satellieten. Ook dat maakt dat de prestaties zo goed zijn.”

Hoe verder?
Waller: “Vorig jaar hebben VSL en ESTEC een project afgesloten met een soortgelijke verbinding tussen de Belgische metrologiedienst SMD in Brussel en ESTEC in Noordwijk. Daar hebben we uitstekende resultaten mee behaald. Dus met deze nieuwe verbinding tussen VSL en Noorwijk willen we uiteindelijk toe naar een continu operationele verbinding. Samen dragen VSL en ESTEC dan op een nog accuratere en betrouwbaardere wijze bij aan de bepaling van UTC.”


Bovenstaand artikel is eerder verschenen op de website van SURF, de ICT-coöperatie van onderwijs en onderzoek in Nederland.