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Quando un secondo dura un’eternità

Computer, smartphone e display da cucina riportano tutti la stessa ora. Ma cosa significa effettivamente “stessa”? Una piccola differenza può passare inosservata nella vita quotidiana, ma può equivalere a un’eternità per sistemi di sensori complessi. Per assicurare la sincronizzazione più precisa possibile e più affidabile rispetto ai metodi comuni, armasuisse Scienza e tecnologia sta testando un nuovo metodo: White Rabbit.

Christof Schüpbach, Comunicazione e protezione elettromagnetica, armasuisse Scienza e tecnologia

Tre polsi con lo stesso orologio digitale, ma che indicano orari leggermente diversi
La sincronizzazione temporale avviene spesso in background, senza essere percepita. A seconda del metodo di misurazione, le indicazioni temporali assicurano diversi gradi di precisione e quindi non sono ugualmente adatte a tutte le applicazioni.

«Sincronizziamo gli orologi!» Nei vecchi film di spionaggio è una scena che si presenta spesso: gli agenti confrontano i loro orologi prima di un’operazione importante per assicurarsi che la bomba esploda all’ora prevista. Anche se in modo meno spettacolare, molte persone sincronizzano i loro orologi anche nella vita quotidiana. Se prima impostavamo l’ora esatta in base all’orologio della stazione o al segnale orario della radio, oggi non dobbiamo quasi più preoccuparcene. I nostri orologi e altri dispositivi sono tutti collegati in rete e si regolano automaticamente grazie alla connessione a Internet. Ma come vengono sincronizzati esattamente i nostri orologi e a cos’altro serve l’ora esatta?

Sincronizzazione temporale precisa al milionesimo e al miliardesimo

La nostra comprensione intuitiva del tempo è piuttosto limitata e nel linguaggio quotidiano la “frazione di secondo” costituisce l’unità più piccola per la maggior parte delle persone. Di solito, il grado di precisione della già citata sincronizzazione temporale dei nostri dispositivi elettronici, come smartphone e computer, è al massimo nell’ordine di qualche millesimo di secondo. Un valore che da molto tempo è sufficiente per la nostra vita quotidiana. Le applicazioni professionali richiedono tuttavia prestazioni superiori. Nel settore finanziario, ad esempio, l’obiettivo è cronometrare gli acquisti e le vendite di titoli in milionesimi di secondo per ottimizzare i profitti.

I sistemi di sensori militari devono essere sincronizzati in modo ancora più preciso, ovvero al miliardesimo di secondo, per localizzare l’origine dei segnali radio. Come si raggiunge un tale grado di precisione?

Misurazione del tempo con il Global Positioning System (GPS)

Nella maggior parte dei casi, vengono utilizzati sistemi di navigazione satellitare come il Global Positioning System (GPS), dove l’ora viene determinata insieme alla posizione. Pertanto un ricevitore GPS dispone sempre di un’indicazione oraria precisa nell’ordine di pochi miliardesimi di secondo e può trasmetterla agli altri sistemi. Questa forma di sincronizzazione temporale è fondamentalmente una soluzione molto interessante, perché indipendente dalla posizione e utilizzabile anche in movimento. Sfortunatamente ha anche alcuni svantaggi critici. Il problema maggiore è l’elevata esposizione alle interferenze radio. Anche i più semplici dispositivi di disturbo possono oscurare un segnale GPS, rendendolo inutile per il ricevitore. Un altro problema dei sistemi satellitari è la dipendenza dai rispettivi operatori. Inoltre, la più recente tecnologia di disturbo può persino trarre in inganno: è infatti possibile simulare qualsiasi posizione e ora per confondere deliberatamente i sistemi di sensori. Per le applicazioni militari è quindi estremamente importante disporre di un’alternativa più affidabile.

Il problema maggiore (con la sincronizzazione temporale basata sul GPS) è l’elevata esposizione alle interferenze radio. Anche i più semplici dispositivi di disturbo possono oscurare un segnale GPS, rendendolo inutile per il ricevitore.

 

White Rabbit come alternativa per una misurazione del tempo più precisa

Anche l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare CERN di Ginevra aveva requisiti rigorosi in termini di precisione della misurazione del tempo in diverse località quando ha rinnovato i suoi acceleratori di particelle. Tutte le tecnologie che esistevano all’inizio di questo progetto richiedevano un’infrastruttura speciale, che doveva essere collegata con cavi speciali. L’intera infrastruttura era comunque interconnessa tramite reti di dati convenzionali. Gli scienziati si sono pertanto posti l’obiettivo di raggiungere la sincronizzazione con una tolleranza inferiore a un miliardesimo di secondo su questa rete e quindi di conseguire sulle reti di dati convenzionali una precisione che altrimenti sarebbe raggiungibile solo con un grande impegno. Questa tecnologia di nuova concezione ha raggiunto l’obiettivo e può effettivamente, in condizioni favorevoli, raggiungere precisioni di alcuni picosecondi, ovvero di trilionesimi di secondo. Il progetto è stato chiamato White Rabbit in onore del coniglio bianco di Alice nel paese delle meraviglie.

Oggi il metodo White Rabbit è già attuato in alcuni apparecchi di rete disponibili in commercio. Tuttavia, poiché questo metodo non è ancora impiegato diffusamente, mancano dati sulle eventuali limitazioni che possano presentarsi in determinate circostanze. Tali limitazioni potrebbero essere causate ad esempio dall’uso in una rete di componenti specifici, come ripetitori o router. Soprattutto non sappiamo se i componenti più datati sono compatibili con White Rabbit o se peggiorano la sincronizzazione temporale, Sono proprio questi aspetti ad essere oggetto di investigazione da parte dei collaboratori di armasuisse Scienza e tecnologia (S+T), che intendono scoprire se, o con quali limitazioni o adattamenti, si possa impiegare la nuova tecnologia White Rabbit nelle attuali reti dell’esercito.

Primi test White Rabbit con partner di ricerca civili

armasuisse S+T sta compiendo i primi test con la Scuola di Ingegneria e Architettura di Friburgo. In una configurazione di laboratorio, una topologia di rete è impostata come avverrebbe in un tipico impiego a livello nazionale con più nodi. È così possibile sostituire i componenti singolarmente e testarne gli effetti sulla precisione. Le conoscenze acquisite saranno infine utilizzate per implementare White Rabbit nella rete di condotta Svizzera, affinché in futuro i sistemi di sensori dell’esercito non dipendano più da sistemi di navigazione satellitare meno affidabili.

Come funziona la localizzazione dei segnali radio?

I segnali radio vengono localizzati misurando con sensori il loro tempo di arrivo in luoghi diversi. Poiché un segnale radio si propaga alla velocità della luce, è possibile calcolare il suo punto di origine sulla base delle differenze di tempo misurate. Un esempio: la luce percorre 30 centimetri in un miliardesimo di secondo. Per determinare quindi l’origine del segnale entro pochi metri, occorre misurare anche il tempo di arrivo al sensore con una precisione nell'ordine di pochi miliardesimi di secondo.