ITUB20154134A1

ITUB20154134A1 - SYNCHRONIZATION SYSTEM AND METHOD

Info

Publication number: ITUB20154134A1
Application number: ITUB2015A004134A
Authority: IT
Inventors: Piero Tognolatti; Ilaria Lucresi; Carlofelice Alessandro Di; Marco Faccio
Original assignee: Univ Degli Studi Dellaquila
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2017-04-01

Description

SISTEMA E METODO DI SINCRONIZZAZIONE SYNCHRONIZATION SYSTEM AND METHOD

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Campo di applicazione Field of application

La presente invenzione afferisce al settore dei sistemi di distribuzione tempofrequenza, in particolare si riferisce ad un sistema e ad un metodo per la sincronizzazione di stazioni di reti appartenenti a sistemi di terra. The present invention relates to the sector of time-frequency distribution systems, in particular it refers to a system and method for the synchronization of network stations belonging to ground systems.

Background Background

Tipicamente, un gran numero di sistemi di terra quali reti telefoniche, reti di distribuzione dell’energia elettrica, reti per il broadcasting radio televisivo, reti scientifiche, reti sismografiche, sistemi per le transazioni finanziarie, ecc. richiedono, per il loro corretto funzionamento, dei segnali di sincronismo tempo-frequenza. Typically, a large number of ground systems such as telephone networks, electricity distribution networks, networks for radio and television broadcasting, scientific networks, seismographic networks, systems for financial transactions, etc. they require time-frequency synchronism signals for their correct functioning.

Questo genere di segnali è normalmente fornito da sistemi GNSS (ad esempio GPS, Glonass, Galileo). This kind of signals is normally provided by GNSS systems (eg GPS, Glonass, Galileo).

In generale, i sistemi GNSS attualmente disponibili utilizzano bande di frequenze per le quali si ha un elevato rischio di interferenze, inoltre la necessità di utilizzare antenne a bassa direttività negli apparati riceventi li rende soggetti a disturbi intenzionali quali ad esempio spoofing o jamming. In general, the GNSS systems currently available use frequency bands for which there is a high risk of interference, moreover the need to use low directivity antennas in the receiving equipment makes them subject to intentional disturbances such as spoofing or jamming.

In particolare, tra i sistemi noti, il più utilizzato è il GPS. Quest’ultimo, essendo di proprietà del ministero della difesa americano e non fornendo un servizio dietro abbonamento, può distribuire segnali intenzionalmente degradati, la cui accuratezza non risulta essere sufficiente per alcuni servizi, o può essere oscurato a causa di necessità militari. In particular, among the known systems, the most used is GPS. The latter, being owned by the US Department of Defense and not providing a subscription service, may intentionally distribute degraded signals, the accuracy of which is not sufficient for some services, or may be obscured due to military needs.

Pertanto, risulta sempre più sentita la necessità di avvalersi di sistemi alternativi, da utilizzare autonomamente o come backup , in grado di fornire riferimenti temporali accurati ai servizi che ne necessitano. Therefore, the need is increasingly felt to make use of alternative systems, to be used independently or as a backup, capable of providing accurate time references to the services that need them.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

Il problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione è pertanto quello di fornire un metodo e un sistema per sincronizzare un insieme di stazioni di reti dislocate sul territorio, ciascuna delle quali è dotata di un proprio oscillatore disciplinabile, ad un riferimento di tempo comune secondo una determinata forma di distribuzione tempofrequenza, che consenta di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota. The technical problem posed and solved by the present invention is therefore that of providing a method and a system for synchronizing a set of network stations located throughout the territory, each of which is equipped with its own controllable oscillator, to a common time reference according to a determined form of time-frequency distribution, which allows to overcome the drawbacks mentioned above with reference to the known art.

Tale problema viene risolto da un metodo secondo la rivendicazione 1 e da un sistema secondo la rivendicazione 7. This problem is solved by a method according to claim 1 and by a system according to claim 7.

Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle corrispondenti rivendicazioni dipendenti. Preferred features of the present invention are the subject of the corresponding dependent claims.

La presente invenzione, superando i problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi. The present invention, overcoming the problems of the known art, entails numerous and evident advantages.

II vantaggio principale consiste nel fatto che il sistema secondo la presente invenzione non si avvale di una banda di trasmissione dedicata, e si avvale, invece, di tecniche spread spectrum. In particolare, il processo di sincronizzazione avviene mediante link satellitare su banda eventualmente già occupata da altro tipo di segnale (e.g. DVB-S o DVB-S2), definito “segnale pagante". In particolare, è definito “segnale pagante" il segnale al quale è dedicata la banda satellitare utilizzata e che provvede al pagamento del servizio. The main advantage consists in the fact that the system according to the present invention does not make use of a dedicated transmission band, and instead makes use of spread spectrum techniques. In particular, the synchronization process takes place via satellite link on a band possibly already occupied by another type of signal (e.g. DVB-S or DVB-S2), defined as "paying signal". In particular, "paying signal" is defined as the signal to which is the dedicated satellite band used and which pays for the service.

Ciò è possibile perché la tecnica di trasmissione proposta impiega vantaggiosamente segnali pseudo-noise con un livello di potenza tale da non disturbare, in maniera apprezzabile, i segnali paganti. I segnali pseudo-noise sono costituiti da una sequenza binaria deterministica, che presenta caratteristiche e proprietà simili a quelle di un rumore randomico. This is possible because the proposed transmission technique advantageously uses pseudo-noise signals with a power level such as not to appreciably disturb the paying signals. Pseudo-noise signals consist of a deterministic binary sequence, which has characteristics and properties similar to those of a random noise.

Oltre a consentire un notevole abbattimento dei costi, la possibilità di utilizzare banda già occupata permette di applicare il metodo rivendicato appoggiandosi, di volta in volta, a satelliti diversi. Infatti, il sistema proposto può impiegare qualsiasi satellite geostazionario, con il vantaggio di poter utilizzare satelliti diversi in base all’area geografica da coprire o alle necessità dei singoli servizi. In addition to allowing a considerable reduction in costs, the possibility of using already occupied band allows to apply the claimed method by relying, from time to time, on different satellites. In fact, the proposed system can use any geostationary satellite, with the advantage of being able to use different satellites based on the geographical area to be covered or the needs of individual services.

Grazie a tale modalità di funzionamento, la presente invenzione può essere impiegata come alternativa o con funzione di backup rispetto ai tradizionali segnali distribuiti dai sistemi GNSS. Ad esempio, può rivelarsi notevolmente vantaggiosa la possibilità di supplire al ripristino di servizi gestiti da reti di terra in condizioni di emergenza o in mancanza di disponibilità o degradazione del segnale GPS. Thanks to this operating mode, the present invention can be used as an alternative or with a backup function with respect to traditional signals distributed by GNSS systems. For example, the possibility of making up for the restoration of services managed by ground networks in emergency conditions or in the absence of availability or degradation of the GPS signal can be considerably advantageous.

Inoltre, il sistema oggetto di questa descrizione può utilizzare anche frequenze diverse rispetto a quelle impiegate tradizionalmente, ciò risultando in un segnale più robusto rispetto a quelli impiegati nella tecnica nota. In particolare, la frequenza da utilizzare viene scelta in funzione dei trasponder disponibili sul satellite prescelto con minimi requisiti richiesti alle stazioni di terra (hardware che fornisca la possibilità di utilizzare diverse bande in trasmissione e ricezione). Ciò permette di far viaggiare il segnale su tutte le frequenze comunemente utilizzate per altri servizi (ad esempio le trasmissioni televisive via satellite) tra cui bande C, X, Ku, K, Ka. Ciò non esclude la possibilità di avvalersi delle bande comunemente utilizzate dai sistemi GNSS (banda L). Tuttavia, se il segnale viene trasmesso su altre frequenze, questo rende il sistema immune ad attacchi specifici mirati, ad esempio, al sistema GPS (che opera appunto in banda L). In aggiunta, un altro vantaggio risiede nel fatto che possono essere impiegate tecnologie low-cost per la realizzazione degli apparati riceventi e trasmittenti compresi nel sistema proposto. Furthermore, the system object of this description can also use different frequencies with respect to those traditionally used, this resulting in a more robust signal than those used in the known art. In particular, the frequency to be used is chosen according to the transponders available on the selected satellite with minimum requirements for the ground stations (hardware that provides the possibility of using different bands in transmission and reception). This allows the signal to travel on all frequencies commonly used for other services (for example satellite television broadcasts) including C, X, Ku, K, Ka bands. This does not exclude the possibility of using the bands commonly used by GNSS systems (L band). However, if the signal is transmitted on other frequencies, this makes the system immune to specific attacks targeting, for example, the GPS system (which operates in the L band). In addition, another advantage lies in the fact that low-cost technologies can be used for the realization of the receiving and transmitting apparatuses included in the proposed system.

In conclusione, l’invenzione rivendicata rappresenta un’alternativa più economica e più flessibile rispetto ai tradizionali sistemi GNSS. In conclusion, the claimed invention represents a cheaper and more flexible alternative to traditional GNSS systems.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Other advantages, characteristics and methods of use of the present invention will become evident from the following detailed description of some embodiments, presented by way of non-limiting example.

Descrizione breve delle figure Brief description of the figures

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: Reference will be made to the figures of the attached drawings, in which:

• la figura 1 mostra una vista schematica di una forma di realizzazione preferita di un sistema di sincronizzazione secondo la presente invenzione; Figure 1 shows a schematic view of a preferred embodiment of a synchronization system according to the present invention;

· la figura 2 mostra un diagramma di flusso relativo a una forma di realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione; e Figure 2 shows a flow chart relating to a preferred embodiment of the method according to the present invention; And

• la figura 3 mostra una forma di realizzazione esemplificativa di una sequenza di dati trasmessa. Figure 3 shows an exemplary embodiment of a transmitted data sequence.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite Detailed description of preferred embodiments

La presente invenzione sarà di seguito descritta facendo riferimento alle figure suindicate. The present invention will be described below with reference to the figures indicated above.

Facendo riferimento innanzitutto alla figura 1, questa illustra una forma di realizzazione di un sistema di sincronizzazione secondo la seguente invenzione, denotato complessivamente con 1. Referring first to Figure 1, this illustrates an embodiment of a synchronization system according to the following invention, denoted as a whole with 1.

In generale, il sistema 1 permette di sincronizzare/disciplinare ad un riferimento di tempo comune due o più orologi OUk, ciascuno dei quali compreso in una stazione utente SUkdi terra. In general, the system 1 allows two or more clocks OUk to be synchronized / disciplined to a common time reference, each of which is included in a ground user station SUk.

Tipicamente, ogni orologio OUkcomprende un oscillatore controllato in tensione e un divisore di frequenza che, a partire dal segnale dell’oscillatore locale, fornisce un segnale di tempo impulsivo che è oggetto della sincronizzazione. Typically, each OUk clock includes a voltage controlled oscillator and a frequency divider which, starting from the local oscillator signal, provides an impulsive time signal that is the object of synchronization.

Nella presente trattazione con i termini disciplinare/sincronizzare si intende: In this discussion, the disciplinary / synchronize terms mean:

• effettuare un allineamento in frequenza degli orologi OUkal riferimento di tempo comune; ed • perform a frequency alignment of the OUk clocks with the common time reference; and

• effettuare un allineamento temporale dei segnali di tempo prodotti dagli orologi OUkpresenti in ciascuna stazione. • perform a time alignment of the time signals produced by the OUk clocks present in each station.

L’oscillatore genera un segnale periodico il cui periodo rappresenta l’unità di tempo del sistema. Tale periodo può essere variato, mediante l’azione di un modulo di controllo, all’interno di un range definito dalle caratteristiche fisiche dell’oscillatore stesso. Inoltre, il modulo di controllo è in grado di agire sul segnale impulsivo per traslarlo nel tempo. In particolare, si consideri ad esempio un orologio comprendente un oscillatore a frequenza 10MHz ed un divisore di frequenza per 10 milioni, i segnali emessi dall’orologio sono il 10MHz stesso e un segnale 1PPS (1 pulse-per-second), cioè un segnale impulsivo con frequenza pari a 1Hz, che rappresenta il segnale di tempo da sincronizzare. Il modulo di controllo agisce per allineare nel tempo il segnale 1PPS a quello di riferimento. The oscillator generates a periodic signal whose period represents the unit of time of the system. This period can be varied, through the action of a control module, within a range defined by the physical characteristics of the oscillator itself. Furthermore, the control module is able to act on the impulsive signal to translate it over time. In particular, consider for example a clock comprising a 10MHz frequency oscillator and a frequency divider for 10 million, the signals emitted by the clock are the 10MHz itself and a 1PPS (1 pulse-per-second) signal, i.e. a signal impulsive with a frequency of 1Hz, which represents the time signal to be synchronized. The control module acts to align the 1PPS signal to the reference signal over time.

In particolare, i segnali 1PPS si considerano allineati quando risultano contemporanei in tutte le stazioni, con errori al di sotto di una soglia minima (dipendente dall’applicazione che utilizza il sistema proposto). In particolare l’invenzione proposta è in grado di garantire un’accuratezza inferiore ai 100ns. Tale valore risulta in linea con quanto garantito dal sistema GPS. In particular, the 1PPS signals are considered to be aligned when they are simultaneous in all stations, with errors below a minimum threshold (depending on the application that uses the proposed system). In particular, the proposed invention is able to guarantee an accuracy of less than 100ns. This value is in line with what is guaranteed by the GPS system.

In altre parole, gli orologi OUksi intendono sincronizzati quando gli oscillatori locali, delle diverse stazioni, oscillano alla stessa frequenza e risultano in fase tra loro (allineamento temporale dei segnali 1PPS). In other words, OUksi clocks intend to be synchronized when the local oscillators of the different stations oscillate at the same frequency and are in phase with each other (time alignment of 1PPS signals).

In particolare, ogni stazione utente SUkè localizzata in una posizione nota (xUk, yUk, zUk) rispetto ad un determinato sistema di riferimento, a realizzare, nel complesso, un tipo qualsiasi di rete di terra. In particular, each user station SUk is located in a known position (xUk, yUk, zUk) with respect to a determined reference system, to realize, as a whole, any type of ground network.

Inoltre, ciascuna stazione utente SUkcomprende mezzi configurati per ricevere ed elaborare segnali da un satellite in orbita geostazionaria. In particolare, ogni stazione utente SUkcomprende dispositivi e/o apparecchiature hardware/software configurati e/o programmati per implementare una o più fasi del metodo di sincronizzazione oggetto dell’invenzione tra cui in particolare il suddetto modulo di controllo del proprio orologio OUk. Further, each SUk user station includes means configured to receive and process signals from a satellite in geostationary orbit. In particular, each SUk user station includes devices and / or hardware / software equipment configured and / or programmed to implement one or more phases of the synchronization method object of the invention including in particular the aforementioned control module of its OUk clock.

Un sistema 1 secondo la presente invenzione comprende almeno tre stazioni fiduciarie SFsdi terra in posizioni note (xFisyF3lzFs) rispetto a detto sistema di riferimento, configurate per poter trasmettere/ricevere segnali a/da detto satellite, in altre parole per effettuare uplink/downlink via satellite. Anche ciascuna stazione fiduciaria è dotata di un proprio orologio con oscillatore disciplinabile e di un modulo di controllo del proprio orologio. A system 1 according to the present invention comprises at least three ground SFs trust stations in known positions (xFisyF3lzFs) with respect to said reference system, configured to be able to transmit / receive signals to / from said satellite, in other words to perform uplink / downlink via satellite . Each trust station is also equipped with its own adjustable oscillator clock and its own clock control module.

Tra le stazioni fiduciarie SFj, una è selezionata come stazione fiduciaria master SFM, e il suo orologio viene considerato come l’orologio di riferimento ORMrispetto al quale sincronizzare detti orologi OUkdelle stazioni utente SUk. Anche la stazione master SFMsi trova in una posizione nota (xM, yM, zM) rispetto al suddetto sistema di riferimento. Among the trust stations SFj, one is selected as the master trust station SFM, and its clock is considered as the reference clock ORM with respect to which to synchronize said OUk clocks of the SUk user stations. The master station SFM is also in a known position (xM, yM, zM) with respect to the aforementioned reference system.

Come le stazioni utente SUk, dette stazioni fiduciarie SFscomprendono mezzi hardware e software configurati e/o programmati per implementare il metodo di sincronizzazione secondo la presente invenzione, in particolare ad esempio comprendono un ricevitore a correlazione che si basa su operazioni di moltiplicazione ed integrazione di un segnale. Tali ricevitori sono preferibilmente scelti tra i ricevitori in grado di garantire la massima accuratezza possibile. Like the user stations SUk, said trust stations SF include hardware and software means configured and / or programmed to implement the synchronization method according to the present invention, in particular for example they comprise a correlation receiver which is based on multiplication and integration operations of a signal. These receivers are preferably chosen from among those capable of guaranteeing the highest possible accuracy.

Il sistema 1 , come anticipato, si appoggia ad un qualsiasi satellite in orbita geostazionaria per la trasmissione dei segnali elettromagnetici. Il primo passo del metodo di sincronizzazione proposto prevede di stimare la posizione del satellite (xsat,ysat,zsat) nel modo seguente. System 1, as anticipated, relies on any satellite in geostationary orbit for the transmission of electromagnetic signals. The first step of the proposed synchronization method is to estimate the satellite position (xsat, ysat, zsat) in the following way.

Ciascuna stazione fiduciaria SFs(inclusa la stazione master SFM) invia verso il satellite un segnale, in particolare un segnale pseudo-noise che il satellite riceve e ritrasmette nuovamente verso la Terra. Each SFs fiduciary station (including the SFM master station) sends a signal to the satellite, in particular a pseudo-noise signal which the satellite receives and retransmits back to Earth.

Il segnale elettromagnetico inviato dalle stazioni fiduciarie SFj verso il satellite, e da questo ritrasmesso verso la Terra, comprende una sequenza identificati va pseudonoise caratteristica di ciascuna stazione. In particolare, ogni stazione fiduciaria SFjè identificata da una propria sequenza pseudo-noise. The electromagnetic signal sent by the trust stations SFj to the satellite, and from this retransmitted to the Earth, comprises a sequence identified va pseudonoise characteristic of each station. In particular, each SFj trust station is identified by its own pseudo-noise sequence.

Pertanto ogni stazione fiduciaria è in grado di riconoscere il proprio segnale di ritorno e ciascuno dei segnali provenienti dalle altre stazioni fiduciarie oltre che dalla stazione master. Therefore each trust station is able to recognize its own return signal and each of the signals coming from the other trust stations as well as from the master station.

Le stazioni fiduciarie SFj misurano il tempo di andata-ritorno ( Round Trìp Delay -RTD-) di tale segnale, ad esempio mediante detto ricevitore a correlazione, e in base ad esso stimano la propria distanza (o range ) R, dal satellite. The fiduciary stations SFj measure the round trip delay (RTD-) of this signal, for example by means of said correlation receiver, and on the basis of this they estimate their own distance (or range) R, from the satellite.

E’ evidente che tale stima è tanto più accurata quanto più sono precisi e accurati i loro orologi. Pertanto, tutti gli orologi delle stazioni fiduciarie SFj sono preferibilmente scelti in base all’accuratezza richiesta al sistema dalla rete realizzata dalle stazioni utente SUk. It is clear that this estimate is all the more accurate the more precise and accurate their watches are. Therefore, all the clocks of the SFj trust stations are preferably chosen based on the accuracy required of the system by the network created by the SUk user stations.

Si fa notare che tutte le stazioni coinvolte, sia quelle fiduciarie che quelle utente, conoscono la propria posizione rispetto al sistema di riferimento scelto (es. WGS84), preferibilmente con l’accuratezza richiesta dalla qualità del servizio di riferimento che si vuole erogare. It should be noted that all the stations involved, both trust and user, know their position with respect to the reference system chosen (eg. WGS84), preferably with the accuracy required by the quality of the reference service to be provided.

Queste informazioni sulla posizione vengono misurate, in fase di installazione ed ogni qual volta sia necessario, tramite le comuni tecniche geodetiche, ad esempio mediante mezzi di misurazione alloggiati nelle stazioni stesse oppure estranei ad esse. I valori di posizione sono utilizzati per il calcolo del RTD atteso; a tale scopo sono ad esempio raccolti in una tabella accessibile e consultabile dalle stazioni stesse. This position information is measured, during the installation phase and whenever necessary, by means of common geodetic techniques, for example by means of measurement housed in the stations themselves or extraneous to them. The position values are used for the calculation of the expected RTD; for this purpose they are, for example, collected in a table that can be accessed and consulted by the stations themselves.

La generica stazione fiduciaria SFj conosce, inoltre, le posizioni di ciascuna stazione fiduciaria rispetto al sistema di riferimento adottato. The generic trust station SFj also knows the positions of each trust station with respect to the reference system adopted.

Ogni stazione fiduciaria SFjinvia quindi, attraverso il satellite, alla stazione SFMselezionata come master, la stima della distanza (o range ) R, tra il satellite, collocato nel punto (xsat,ysat,zsat) e se stessa, che si trova nella posizione nota (xFj.yFj.zFj), con i = A, B, C, ecc.. Each fiduciary station SFj then sends, through the satellite, to the SFM station selected as master, the estimate of the distance (or range) R, between the satellite, located at the point (xsat, ysat, zsat), and itself, which is in the known position (xFj.yFj.zFj), with i = A, B, C, etc ..

In altre parole, le stazioni fiduciarie SFjcondividono le proprie misure di range Rjattraverso il medesimo satellite tramite flussi di segnali pseudo-noise di basso livello che condividono la stessa banda e che, come già detto, consentono di identificare le stazioni che li hanno emessi. In other words, the fiduciary stations SFj share their measurements of range Rj through the same satellite through low-level pseudo-noise signal streams that share the same band and which, as already mentioned, allow to identify the stations that emitted them.

Il fatto di inviare segnali con una propria sequenza identificati va consente alle altre stazioni, ed in particolare alla stazione master SFM, di identificare la provenienza di ciascun flusso di dati. Grazie a tale caratteristica dei segnali inviati, ogni stazione fiduciaria SFj può vantaggiosamente scambiare il proprio ruolo con la stazione master SFMnel caso in cui, per esempio, quest’ultima sia fuori servizio o malfunzionante; questa ridondanza garantisce una elevata affidabilità del sistema. The fact of sending signals with their own identified sequence allows the other stations, and in particular the master station SFM, to identify the origin of each data flow. Thanks to this characteristic of the signals sent, each trust station SFj can advantageously exchange its role with the master station SFM in the event that, for example, the latter is out of service or malfunctioning; this redundancy guarantees a high reliability of the system.

Si fa notare che un ulteriore vantaggio risiede nel fatto che non è necessario collegare tra loro le stazioni fiduciarie SFj mediante reti terrestri di comunicazione, perché esse possono scambiare tutte le informazioni di cui necessitano tramite il link satellitare utilizzato per la sincronizzazione. It should be noted that a further advantage lies in the fact that it is not necessary to connect the trust stations SFj together by means of terrestrial communication networks, because they can exchange all the information they need through the satellite link used for synchronization.

Come le atre stazioni fiduciarie SFj, anche la stazione master SFMstima una distanza o range RMtra se stessa e il satellite. Like the other SFj trust stations, the master station SFM also estimates a distance or range RM between itself and the satellite.

La stazione master SFMpuò comprendere mezzi hardware/software configurati e/o programmati per calcolare la posizione del satellite rispetto al suddetto sistema di riferimento, in particolare attraverso una tecnica di multilaterazione, sulla base di algoritmi che combinano tali distanze R,, RM. The master station SFM can comprise hardware / software means configured and / or programmed to calculate the position of the satellite with respect to the aforementioned reference system, in particular through a multilateration technique, on the basis of algorithms that combine such distances R ,, RM.

Note tali distanze, è possibile costruire un sistema di equazioni non lineari del tipo seguente, nel quale le uniche incognite sono xsai)ysat, ζΜ(: Given these distances, it is possible to construct a system of non-linear equations of the following type, in which the only unknowns are xsai) ysat, ζΜ (:

<R>A = -J (3⁄4„ - *<F>A Y (3⁄4„ - A )‘ (3⁄4„, -<:F>A )‘ <R> A = -J (3⁄4 "- * <F> A Y (3⁄4" - A) '(3⁄4 ", - <: F> A)'

3⁄4=<■>/(3⁄4, - *F. Y iy,. - Λ f (3⁄4, - -<p>, y 3⁄4 = <■> / (3⁄4, - * F. Y iy ,. - Λ f (3⁄4, - - <p>, y

Rc= J{x,i, -xFcY (y«, -yFcf (-„ - :FCγ Rc = J {x, i, -xFcY (y «, -yFcf (-„ -: FCγ

RI (x,„ - xF, Y (y^ - yF, )* (3⁄4 - =P, )‘ RI (x, „- xF, Y (y ^ - yF,) * (3⁄4 - = P,) '

Mediante l’impiego di una tecnica di calcolo volta a minimizzare gli errori, per esempio quella dei minimi quadrati, si calcola la migliore stima della posizione del satellite (XiatiViat^sat)· By using a calculation technique aimed at minimizing errors, for example that of least squares, the best estimate of the satellite position is calculated (XiatiViat ^ sat) ·

In un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, è possibile ricorrere, in aggiunta, a tecniche di filtraggio dinamico dei dati, implementate ad esempio mediante un filtro di Kalman. In a further embodiment of the invention, it is possible to resort, in addition, to dynamic data filtering techniques, implemented for example by means of a Kalman filter.

Tali operazioni di calcolo e di filtraggio dinamico, basate sui dati trasmessi dalle stazioni fiduciarie SFflsono preferibilmente eseguite dalla stazione master SFM. Such dynamic calculation and filtering operations, based on the data transmitted by the trust stations SFfl, are preferably performed by the master station SFM.

La fase successiva del metodo di sincronizzazione prevede che la stazione master SFMprovveda a trasmettere via satellite, ad esempio mediante tecniche del tipo spread spectrum, un segnale comprendente dati relativi a: The next phase of the synchronization method foresees that the master station SFM provides to transmit via satellite, for example by means of spread spectrum techniques, a signal comprising data relating to:

• la posizione (xsat,ysat,zsat) del satellite nel suddetto sistema di riferimento, ad esempio calcolata secondo la metodologia sopra descritta; e • the position (xsat, ysat, zsat) of the satellite in the aforementioned reference system, calculated for example according to the methodology described above; And

• la propria misura di range RM(distanza stazione master-satellite); • your measurement of the RM range (distance from master-satellite station);

che modulano una sequenza pseudo-noise (si supponga di M simboli) identificati va della stazione master (questa sequenza è nota a tutte le stazioni per consentire alle stazioni utente di sapere quale è la stazione che detiene il ruolo di stazione master). Tutte le stazioni fiduciarie SFi e le stazioni utente SUkricevono dal satellite e decodificano detto segnale. that modulate a pseudo-noise sequence (suppose M symbols) identified by the master station (this sequence is known to all stations to allow user stations to know which station holds the role of master station). All SFI trust stations and SUk user stations receive from the satellite and decode this signal.

Tale segnale trasmesso in broadcast alle varie stazioni è ad esempio un segnale di tipo BPSK comprendente, come anticipato, una sequenza identificativa della stazione modulata tramite una trama di dati. La struttura della trama di dati inviata è mostrata a titolo esemplificativo in Fig. 3 e, come visibile, contiene un header costituito da una sequenza pseudo-noise predeterminata (si supponga di N simboli) e nota a tutti, seguita dalla sequenza di dati vera e propria. This signal transmitted in broadcast to the various stations is for example a signal of the BPSK type comprising, as anticipated, an identification sequence of the station modulated by means of a data frame. The structure of the data frame sent is shown as an example in Fig. 3 and, as visible, it contains a header consisting of a predetermined pseudo-noise sequence (suppose N symbols) and known to all, followed by the true data sequence and own.

Si fa notare che la corretta interpretazione dei dati ricevuti è garantita dal fatto che tutte le stazioni trasmittenti e riceventi utilizzano come riferimento per l’inizio dei processi il segnale 1PPS ottenuto per divisione dal proprio oscillatore locale. In particolare, gli istanti di inizio trasmissione e ricezione possono essere fissati a priori ad una certa distanza temporale daN'arrivo dell’impulso 1PPS. Ciò , in pratica, equivale a conoscere l’istante di tempo T0in cui il segnale inizia ad essere trasmesso dalla stazione master. It should be noted that the correct interpretation of the data received is guaranteed by the fact that all the transmitting and receiving stations use the 1PPS signal obtained by division from their local oscillator as a reference for starting the processes. In particular, the transmission and reception start instants can be set a priori at a certain time distance from the arrival of the 1PPS pulse. This, in practice, is equivalent to knowing the instant of time T0 in which the signal begins to be transmitted from the master station.

La misura di distanza (o nange) viene effettuata sfruttando sia la sezione di testa ( headei ) della trama di dati (che fornisce lo start of trame) sia la sequenza pseudonoise identificati va modulata dalla trama dati. The distance measurement (or nange) is carried out by exploiting both the head section (headei) of the data frame (which provides the start of frames) and the pseudonoise sequence identified to be modulated by the data frame.

Lo start of trame è ad esempio ricavato tramite una operazione di correlazione tra la sequenza pseudo-noise predeterminata ricevuta dalla stazione ed una sua replica locale (essendo una sequenza nota a tutte le stazioni). Il picco di correlazione fornisce appunto l’informazione relativa allo start of trame, che contraddistingue l’inizio del messaggio trasmesso. The start of frames is for example obtained through a correlation operation between the predetermined pseudo-noise sequence received by the station and a local replica thereof (being a sequence known to all stations). The correlation peak precisely provides the information relating to the start of plots, which marks the beginning of the transmitted message.

Tale informazione fornisce una misura grossolana della distanza dal satellite con accuratezza pari alla lunghezza occupata nello spazio da una sequenza pseudo-noise modulata. Infatti, lo start of trame è in grado di fornire solo misure pari a multipli interi della lunghezza della sequenza modulata. This information provides a rough measure of the distance from the satellite with an accuracy equal to the length occupied in space by a modulated pseudo-noise sequence. In fact, the start of plots is able to provide only measures equal to integer multiples of the length of the modulated sequence.

Ad esempio se la sequenza pseudo-noise predeterminata fosse lunga N=1023 simboli e la distanza da misurare fosse equivalente a 2500 simboli, lo start of trame fornirebbe una misura di una sequenza pari a 2046 simboli (pari a 2<*>1023). For example, if the predetermined pseudo-noise sequence were N = 1023 symbols long and the distance to be measured was equivalent to 2500 symbols, the start of plots would provide a measurement of a sequence equal to 2046 symbols (equal to 2 <*> 1023).

La misura fine della distanza del satellite viene invece eseguita sfruttando la sequenza pseudo-noise identificati va, ad esempio tramite operazione di correlazione con una replica locale ed eventualmente operazioni di postprocessing. The fine measurement of the satellite distance is instead performed by exploiting the identified pseudo-noise sequence, for example through a correlation operation with a local replica and possibly postprocessing operations.

In conclusione, le stazioni utente SUkricevono detto segnale e sincronizzano (disciplinano) il proprio oscillatore locale sulla base della propria posizione, di quella del satellite e del range R, misurato dalla stazione master. In conclusion, the SUk user stations receive this signal and synchronize (regulate) their local oscillator on the basis of their own position, that of the satellite and the range R, measured by the master station.

In particolare, il modulo di controllo delle stazioni utente SUkcalcola la differenza tra l'istante di tempo in cui si riceve lo start offrame, misurato con il proprio orologio OUk, e quello atteso sulla base dei dati disponibili. In altre parole, calcola il ritardo atteso di propagazione (delay^eso) del segnale stazione master-satellite-stazione utente e lo confronta con quello misurato attraverso il proprio oscillatore. In particular, the control module of the user stations SUk calculates the difference between the instant of time in which the start offered is received, measured with its OUk clock, and the one expected on the basis of the available data. In other words, it calculates the expected propagation delay (delay ^ eso) of the master-satellite-user station signal and compares it with that measured through its own oscillator.

A titolo di esempio, il ritardo di propagazione atteso può essere calcolato mediante una relazione matematica del tipo: As an example, the expected propagation delay can be calculated using a mathematical relationship such as:

= - r Vta - 3⁄4 )<2>+ iyial- yMf kn, - 3⁄4 Y - r V(·^ -<xF><f<~>y<F><f (3⁄4=/ -<∑F>if = - r Vta - 3⁄4) <2> + iyial- yMf kn, - 3⁄4 Y - r V (^ - <xF> <f <~> y <F> <f (3⁄4 = / - <∑F> if

in cui per “delayadd” si intende un valore di correzione addizionale costituito da due termini principali: un ritardo predeterminato e dipendente da fattori legati all’hardware utilizzato, compensabile tramite operazione di calibrazione, e un contributo variabile, legato a fattori atmosferici, che può essere considerato trascurabile o compensabile nella maggior parte delle applicazioni alle quali il presente sistema si rivolge. where "delayadd" means an additional correction value consisting of two main terms: a predetermined delay dependent on factors related to the hardware used, which can be compensated by means of a calibration operation, and a variable contribution, linked to atmospheric factors, which can be considered negligible or compensable in most of the applications to which this system is addressed.

Sapendo che il segnale si propaga a velocità nota v, il ritardo atteso viene calcolato come rapporto tra la distanza attesa e tale velocità. La distanza attesa è nota perché sono note le coordinate del satellite e le posizioni delle stazioni. Knowing that the signal propagates at a known speed v, the expected delay is calculated as the ratio between the expected distance and this speed. The expected distance is known because the coordinates of the satellite and the positions of the stations are known.

Sempre detto modulo di controllo modifica quindi la tensione dell'oscillatore per minimizzare l’errore tra ritardo atteso e ritardo misurato(ad esempio mediante l'impiego di un controllore PID). Also said control module then modifies the oscillator voltage to minimize the error between the expected delay and the measured delay (for example by using a PID controller).

In tal modo, l’oscillatore locale delle stazioni utente SUkè disciplinato rispetto a quello di riferimento della master. In this way, the local oscillator of the SUk user stations is regulated with respect to the reference one of the master.

In particolare, il procedimento di sincronizzazione secondo il metodo seguente viene ripetuto più volte, in tempo reale e con continuità per mantenere nel tempo il risultato della sincronizzazione. In particular, the synchronization process according to the following method is repeated several times, in real time and continuously to maintain the synchronization result over time.

Lo stesso metodo finora descritto può essere adottato anche per la sincronizzazione delle stazioni fiduciarie SFjcon la stazione master SFM, eventualmente in alternativa al metodo descritto nel seguito della trattazione, se le SFj dispongono di un orologio di elevata qualità. The same method described up to now can also be adopted for the synchronization of the trust stations SFj with the master station SFM, possibly as an alternative to the method described in the following, if the SFj have a high quality clock.

Affinché la posizione del satellite sia calcolata in maniera accurata secondo le specifiche richieste dalle reti costituite dalle stazioni utente, e affinché le stazioni fiduciarie possano scambiare tra loro il ruolo di stazione master, è preferibile che le stazioni fiduciarie siano sincronizzate tra loro. In order for the satellite position to be calculated accurately according to the specifications required by the networks constituted by the user stations, and for the trust stations to exchange the role of master station with each other, it is preferable that the trust stations are synchronized with each other.

Queste stazioni dispongono vantaggiosamente di un orologio di qualità elevata e con ottime caratteristiche di stabilità (ad esempio oscillatori al rubidio). Di conseguenza, inizialmente sarà possibile conoscere una stima accurata della posizione del satellite, seppur affetta da un errore legato al mancato sincronismo tra le stazioni fiduciarie. Infatti, l’orologio di ciascuna stazione oscillerà comunque ad una frequenza non identica (anche se molto vicina) a quella delle altre stazioni (la differenza è legata alle caratteristiche di stabilità degli oscillatori) e non sarà agganciato in fase con gli altri. These stations advantageously have a high quality clock with excellent stability characteristics (for example rubidium oscillators). Consequently, initially it will be possible to know an accurate estimate of the satellite position, even if affected by an error linked to the lack of synchronism between the trust stations. In fact, the clock of each station will still oscillate at a frequency that is not identical (although very close) to that of the other stations (the difference is related to the stability characteristics of the oscillators) and will not be locked in phase with the others.

La differenza di fase è facilmente recuperabile con il meccanismo descritto in precedenza ed eventualmente valido anche per le stazioni utente. La differenza di frequenza si ripercuote invece sulla misura di distanza/tempo effettuata da ciascuna stazione, perché le unità di tempo delle stazioni sono leggermente diverse (periodo dell’oscillatore locale). Ad esempio, se si misura una stessa distanza d in due stazioni fiduciarie (SF-!ed SF2) aventi orologi diversi ,si ottengono rispettivamente due distanze ài e d2espresse di seguito: The phase difference is easily recoverable with the mechanism described above and possibly also valid for the user stations. The difference in frequency, on the other hand, affects the distance / time measurement carried out by each station, because the time units of the stations are slightly different (local oscillator period). For example, if we measure the same distance d in two fiduciary stations (SF-! And SF2) having different clocks, we obtain respectively two distances ài and d2 expressed below:

ài = kyfi d2= kvf2ài = kyfi d2 = kvf2

dove k è una costante di proporzionalità, v la velocità di propagazione del segnale trasmesso, ed fjla frequenza della stazione considerata. Se la SF-, svolgesse il ruolo di stazione master, la SF2compirebbe un errore di misura pari alla differenza df-d2. Ad esempio, utilizzando oscillatori al rubidio, questo errore sarà inferiore al centimetro. La sincronizzazione degli oscillatori delle stazioni fiduciarie può avvenire, ad esempio, come descritto di seguito: where k is a constant of proportionality, v the propagation speed of the transmitted signal, and fj the frequency of the considered station. If the SF-, played the role of master station, the SF2 would make a measurement error equal to the difference df-d2. For example, using rubidium oscillators, this error will be less than one centimeter. The synchronization of the oscillators of the trust stations can take place, for example, as described below:

· la stazione fiduciaria misura la propria distanza dal satellite R,. secondo modalità di tipo noto, affetta da un errore dovuto al proprio oscillatore locale non ancora sincronizzato con quello della stazione master; · The fiduciary station measures its distance from the satellite R ,. according to known methods, affected by an error due to its own local oscillator not yet synchronized with that of the master station;

• la stazione fiduciaria riceve dalla stazione master il segnale di sincronizzazione descritto in precedenza, contenente tra l’altro la misura di range RM, cioè la distanza stazione master-satellite, misurata dalla master con il proprio orologio, che è quello di riferimento; • the fiduciary station receives the synchronization signal described above from the master station, containing, among other things, the RM range measurement, ie the master-satellite station distance, measured by the master with its own clock, which is the reference one;

• la stazione fiduciaria, conoscendo l’istante di tempo iniziale T0di inizio trasmissione messaggio, misura la distanza Dtotf(stazione master-satellitestazione fiduciaria), anch’essa affetta da un errore dovuto al proprio oscillatore locale non ancora sincronizzato con la quello della master; • the trust station, knowing the initial time T0 of the message transmission start, measures the distance Dtotf (master station-fiduciary satellite station), which is also affected by an error due to its local oscillator not yet synchronized with that of the master;

• la stazione fiduciaria calcola la differenza Dtotf- Ri ottenendo il valore della distanza stazione master-satellite Dsaf_masfe/> riferito al proprio oscillatore; · la stazione fiduciaria calcola l’errore Dsat_masterf- RM; • the fiduciary station calculates the difference Dtotf-Ri obtaining the value of the distance from the master station to the satellite Dsaf_masfe /> referred to its own oscillator; · The trust station calculates the Dsat_masterf-RM error;

• la stazione fiduciaria corregge il proprio oscillatore locale per minimizzare questo errore ed ottenere il sincronismo. • the trust station corrects its local oscillator to minimize this error and obtain synchronism.

I campi di applicazione del sistema e del metodo secondo la presente invenzione sono molteplici, spaziano dalle reti sismografiche a quelle di telefonia mobile e fissa, alle reti di distribuzione dell’energia elettrica. Inoltre, segnali di riferimento tempo frequenza accurati sono necessari nei protocolli di sicurezza bancaria e nelle reti per il broadcasting radio-televisivo SFN. The fields of application of the system and method according to the present invention are many, ranging from seismographic networks to mobile and fixed telephony networks, to electricity distribution networks. Furthermore, accurate time-frequency reference signals are required in banking security protocols and SFN radio-television broadcasting networks.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite. È da intendersi che ciascuna delle soluzioni tecniche implementate nelle forme di realizzazione preferite qui descritte a titolo esemplificativo, potranno vantaggiosamente essere combinate diversamente tra loro, per dar forma ad altre forme di realizzazione, che afferiscono al medesimo nucleo inventivo e tutte comunque rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described up to now with reference to its preferred embodiments. It is to be understood that each of the technical solutions implemented in the preferred embodiments described here by way of example, can advantageously be combined differently with each other, to give shape to other embodiments, which pertain to the same inventive core and all in any case fall within the scope protection of the claims set out below.

Claims

CLAIMS 1. Method of synchronizing two or more user clocks (OUk) included in ground user stations (SU) in known positions (xUk, yU, zUk) with respect to a reference system, configured to receive signals from a satellite in geostationary orbit , comprising the following steps: • provide at least three ground trust stations (SR) synchronized with each other, in known positions (xFj, yFj, zFj, xM, yM, zM) with respect to said reference system, configured to be able to receive / transmit signals from / to said satellite ; • selecting a master trust station (SFM) among said at least three trust stations (SFj), comprising a reference clock (ORM) with respect to which to synchronize said user clocks (OUk); • estimating a first distance (R,) of each of said trust stations (SR) from the satellite and a second distance (RM) of said master trust station (SFM) from the satellite; Calculate the spatial position (xsat, ysat, zsat) of the satellite with respect to said reference system on the basis of said distances (R ,. RM) and of said known positions (xF ,. yR, zR, XM, yw, ZM) ; • send to said user stations (SUk) by said master trust station (SFm) a synchronization signal comprising data relating to: said spatial position (xsat, ysat, zsat) of the satellite, the distance (RM) of said trust station master (SFM) from the satellite and an identified sequence of said master trust station (SFM); Calculating, for each user station, a synchronization error as a function of said data transmitted by the synchronization signal; And • modify the frequency and / or phase of said user clocks (OUk) to minimize said error.

Method according to claim 1, wherein said step of calculating a synchronization error comprises: Calculating an expected propagation delay of the signal at said user stations (SUk) on the basis of the data contained in said synchronization signal and their position; And Calculating, for each user station, a synchronization error equal to the difference between said expected propagation delay and the corresponding propagation delay measured with said clocks (OUk).

Method according to claim 1 or 2, wherein said estimate of a first distance (R,) of each of said trust stations (SR) from the satellite and a second distance (RM) of said master trust station (SFM) from satellite is carried out by measuring the propagation delay of a signal that said stations (SR, SFm) send to said satellite and that said satellite retransmits towards the Earth.

4. Method according to one of the preceding claims, in which said calculation of the spatial position (xsat, ysat, zsat) of the satellite is carried out through the use of a multilateration technique.

Method according to one of the preceding claims, wherein said expected propagation delay of the signal is calculated by means of a mathematical relationship of the type: "Liver" = - vτ / (<Λ> ** ~ <x> toY <+> fo * - 3⁄4) <2> + r) <2> + Ow - Λ) <2> + {3⁄4 * - 3⁄4 Y <fi> fe / a U ^ ·

Method according to one of the preceding claims, further comprising a dynamic data filtering step for calculating the spatial position (xsat, ysat, zsat) of said satellite with respect to said reference system.

7. Synchronization system (1) of two or more clocks (OUk) included in ground user stations (SUk) in known positions (xUk, yUk, zUk) with respect to a reference system, configured to receive signals from a satellite in geostationary orbit, comprising at least three earth trust stations (SFj) in known positions (xFj, yFj, zFj, XM, ywi, zM) with respect to said reference system, configured to be able to receive / transmit signals from / to said satellite, such as one selected as master trust station (SFM) comprising a reference clock (ORM) with respect to which to synchronize said user clocks (OUk), in which said user stations (SUk) and said trust stations (SFj) comprise configured hardware and software means and / or programmed to implement a method according to one of the preceding claims.

System according to the preceding claim, wherein said hardware and software means comprise a control module and a correlation receiver.