YEREDURAĞAN YÖRÜNGE HABERLEŞME UYDULARI ÜZERİNDEN ATOMİK SAAT BİLGİSİ DAĞITIMI

IV. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI 12-14 Eylül 2012, Hava Harp Okulu, İstanbul YEREDURAĞAN YÖRÜNGE HABERLEŞME UYDULARI ÜZERİNDEN ATOMİK SAAT BİLGİSİ DAĞITIMI Şenol Gülgönül *, Mesut Gökten, Nedim Sözbir Türksat A.Ş., Ankara Erdem Demircioğlu Ankara Üniversitesi, Ankara ÖZET Hassas atomik saat bilgisinin yeredurağan yörüngedeki TÜRKSAT-3A haberleşme uydusu üzerinden dağıtımı gerçekleştiren bir sistem geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem ile uydunun kapsama alanının tamamına IRIG-B formatında zaman bilgisi dağıtılmış, dağıtılan zaman bilgisinin Türkiye sınırları içerisinde ortalama 1ms hassasiyetinde alınabileceği ölçüm ve analizlerle gösterilmiştir. Zaman bilgisi kodunun çözülebilmesi için son kullanıcı tarafında özel bir cihaza gerek duyulmadan parabolik bir çanak anten ve DVB-S uydu alıcısı kullanılabilmektedir. GİRİŞ Elektrik dağıtımı, bilgisayar ağları, füze sistemleri, finans sistemleri, bilimsel araştırmalar ve haberleşme şebekeleri gibi pek çok uygulama ve alanda yüksek hassasiyetli gerçek saat bilgisine ihtiyaç vardır. Atomların tınlaşım frekanslarının sayılması ile zaman ölçümü yapılabilen atomik saat sistemleri hassas zaman bilgisinin kaynağını oluşturmaktadırlar. Atomik saatlerin boyutları ve yüksek maliyetli olması özellikle son kullanıcılar tarafından yaygın olarak kullanılmalarına engel teşkil etmektedir, bu nedenle atomik saatlerden alınan hassas zaman bilgisin yine hassas olarak dağıtılması yaygın olarak tercih edilen bir yöntemdir. Hassas zaman bilgisinin kullanıcılara ulaştırılması için iletişim hatları, radyo yayınları ve uydu sistemleri kullanılmaktadır. Zaman bilgisinin kablosuz olarak iletimi 1923 de ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından işletilen WWV radyo istasyonu ile başlamıştır. Fort Collins, CO da bulunan WWV radyo istasyonu 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz ve 20 MHz taşıyıcı frekanslarında halen yayınına devam etmekte ve zaman bilgisinin ABD genelinde 10 ms den daha iyi hassasiyet ile dağıtılmasını sağlamaktadır [1]. Yeredurağan haberleşme uyduları üzerinden zaman ve frekans bilgisinin geniş kapsama alanlarına dağıtımı ise uydu ve uzay teknolojilerindeki gelişim sürecine paralel olarak uygulanmaya başlanmıştır. Uydular üzerinden işletilen bu ilk sistemlerde dünyanın farklı bölgelerinde kurulmuş araştırma laboratuarları arasında zaman ve frekans bilgisinin çift yönlü olarak iletilebilmesi sağlanmıştır [2,3]. Yere durağan yörüngedeki haberleşme uyduları üzerinden atomik saat dağıtımı, NBS (National Bureau of Standarts) nin GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites) programı ile 1977 de başlatılmıştır. C-bant frekans bölgesinde çalışan GOES zaman kodu dağıtım sistemi, düzeltilmemiş ve düzeltilmiş olmak üzere iki farklı modda çalışmaktadır. Düzeltilmemiş modda, uydu koordinatları alıcılar tarafından bilinmemektedir, bu sebeple uydudan yayınlanan zaman kodu sinyalinin ABD nin herhangi bir yerinden ancak ±16 milisaniye hassasiyet ile alınabilmesi sağlanabilmiştir. Düzeltilmiş modda ise uydu alıcısına yerleştirilen bir işlemci sayesinde uydu koordinatları ve uydu alıcısının konum bilgileri kullanılarak mesafeye bağlı * Direktör, Araştırma Geliştirme ve Uydu Tasarım Dir., E-posta: sgulgonul@turksat.com.tr Kıdemli Uzman, Araştırma Geliştirme ve Uydu Tasarım Dir., E-posta: mgokten@turksat.com.tr Danışman, Araştırma Geliştirme ve Uydu Tasarım Dir., E-posta: nsozbir@turksat.com.tr Doktora Öğrencisi, Elektronik Mühendisliği Bölümü, E-posta: edemircioğlu@ankara.edu.tr

gecikme hesaplanabilmektedir. Bu uygulamada ise hassasiyet ±100 mikrosaniyeye kadar geliştirilebilmektedir [4]. Yaygın olarak havaalanlarında ve elektrik dağıtım sistemlerinde kullanılan GOES sistemi üzerinden saat dağıtım hizmeti, GPS in yaygınlaşması ve daha iyi hassasiyete sahip olması sebebiyle 2005 yılında sonlandırılmıştır. Ortadoğu coğrafyası içerisinde NIST danışmanlığında Mısır ın Nilesat 101 uydusu üzerinden değiştirilmiş IRIG-B formatında, analog frekans modülasyonu ile zaman kodu gönderilmesi test edilmiştir. Bu uygulamada yaklaşık 794 ms sinyal gecikmesi ölçülmüş ve bu gecikmenin düzeltilmesi üzerinde çalışmaların devam edildiği bildirilmiştir. [5, 6]. Çin tarafından geliştirilen, yeredurağan Beidou uydularının oluşturduğu sistemde, saat bilgisi tek veya iki yönlü gönderilebilmektedir. İki yönlü sistemde alıcı ile merkez arasındaki sinyal gecikmesi ölçülerek 10 nanosaniye hassasiyete ulaşılabilmektedir. Tek yönlü gönderimde ise, uydu pozisyonunun saat bilgisi içinde gönderilmesi ile 100 nanosaniye hassasiyet sağlanabilmektedir [7, 8]. ÜLKEMİZDEKİ MEVCUT DURUM Ülkemizde ulusal zaman ve frekans standardı sistemi ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) bünyesinde zaman ve frekans laboratuvarı kurulmuştur. Bu laboratuvarda bulunan 3 adet sezyum atomik saati kullanılarak ülkemizin atomik saat ihtiyacı yedekli olarak karşılanmaktadır. Ayrıca 2 adet GPS uydu alıcısı vasıtasıyla atomik saatler ile GPS saati arasındaki farklar sürekli olarak ölçülmekte ve sonuçlar merkezi Paris te bulunan Uluslararası Ölçü ve Ağırlıklar Bürosu (BIPM) na iletilmektedir. UME de bulunan sezyum atomik saatlerden elde edilen doğru zaman bilgisi telefon hatları kullanılarak UME dışı kurum ve kuruluşlara dağıtılmaktadır. Ancak kullanıcı hizmetindeki sınırlı kapasiteye sahip bu dağıtım sisteminin doğruluğu 5 ms' den daha az olmaktadır. İnternet üzerinden dağıtımda da internet hattının yoğunluğuna bağlı olarak kontrol edilebilir bir hassasiyeti sağlamak mümkün olmamaktadır. Ülkemizde yüksek doğruluklu zaman bilgisine ihtiyaç duyan kurumlar, yaygın olarak GPS uyduları ile eşzamanlı kendi atomik saatlerini kullanılmaktadırlar. Kritik askeri ve sivil uygulamalarda GPS e alternatif yerli bir zaman dağıtımı sistemi geliştirilmesi ihtiyacı aşikârdır. ABD dahi, acil bir durumda GPS e yedek olarak radyo frekansları üzerinden saat dağıtımına devam etmektedir. Bu çalışmada, ülkemiz açısından kritik önem taşıyan bir zaman dağıtım sisteminin oluşturmak amacıyla yapılan araştırmalar, test sonuçlarıyla beraber sunulmuştur. Bu çalışmalar, ileride geliştirilmesi planlanan ülkemize ait uydu tabanlı yerel konumlama sisteminin temellerini oluşturmaktadır. ABD dışındaki diğer gelişmiş ülkeler GPS den bağımsız uydu tabanlı bölgesel konumlama sistemleri geliştirme ihtiyacını tespit etmiş ve bu ihtiyacın giderilebilmesi için düşük maliyetli yere durağan yörünge uydularının kullanıldığı bölgesel konumlama sistemleri geliştirilmişlerdir. Çin tarafından Beidou yere durağan yörünge uyduları üzerinden geliştirilen Compass ve Japonya tarafından eğimli yeredurağan yörünge uyduları üzerinde çalışması planlanan QZSS sistemleri buna örnektir [9,10]. GELİŞTİRİLEN SİSTEM Geliştirilen sistemin mevcut Türksat uyduları üzerinden çalışması ve yaygın olarak kullanılan standart uydu alıcıları ve antenleriyle kullanılabilmesi amaçlanmıştır. Türksat uyduları Ku-bant ta hizmet vermekte olup sistemin de bu bantta çalıştırılması düşünülmüştür. Ku-bant ta yaygın olarak kullanılan uydu alıcıları DVB-S uyumlu olup, saat sinyalinin de bu formata uyumlu olması hedeflenmiş ve Şekil 1'de gösterilen TÜRKSAT-3A uydusu Doğu kapsama alanına yayın yapan, 11.746 GHz, dikey polarizasyon, 27500 sembol hızı ve 5/6 FEC oranındaki 3 numaralı Doğu paketi kullanılmıştır. Saat dağıtım sisteminde zaman bilgisinin IRIG-B koduyla dağıtılması öngörülmüştür. IRIG-B zaman kodu, ABD silahlı kuvvetleri ve NASA nın oluşturduğu, test ve ölçüm standartlarını belirleyen, Inter Range Instrumentation Grup (IRIG) tarafından 1960 yılında kabul edilen bir zaman kodudur. IRIG-B zaman kodu DC seviye modülasyonlu 1kHz lik sinüzoidal bir sinyal olup ses kanallarından iletilmeye uygundur [11]. Geliştirilen sistemde, atomik saatten elde edilen yüksek doğruluklu IRIG-B zaman kodu, TÜRKSAT-3A uydusu üzerindeki bir DVB-S taşıyıcısının ses kanalı kullanılarak kapsama alanı içerisindeki son kullanıcılara iletilmiştir. Uydudan ses kanalının alınabilmesi için, TÜRKSAT-3A uydusuna yönlendirilmiş bir uydu antenine bağlı bulunan uydu 2

alıcısı tanımlanan ses kanalının frekansına ayarlanır. Uydu alıcısının ses çıkışından alınan IRIG-B zaman kodu analog bir sinyal olarak son kullanıcı tarafından tekrar elde edilir. IRIG-B sinyali, Meinberg M900 model, GPS ile eşzamanlı çalışan Rubidium atomik saatten alınmıştır. Elde edilen bu IRIG-B sinyali 100 nanosaniyeden daha iyi bir hassasiyete sahiptir. MPEG kodlayıcıya girilen IRIG-B sinyali 256 kbps hızında örneklenip, sıkıştırıldıktan sonra diğer kanalların kodlayıcılarından gelen sinyaller ile birlikte MPEG çoklayıcıda bir araya getirilmiştir. DVB modülatör sonrasında frekans yükseltici ve güçlendirici ile antene yönlendirilen sinyal yere durağan yörüngedeki TÜRKSAT-3A haberleşme uydusuna iletilmiştir. Şekil 2'de IRIG-B zaman kodunun uyduya iletim bloğu gösterilmiştir. Yere durağan yörüngedeki haberleşme uyduları, ekvatordan yaklaşık 35786 km uzaklıkta bulunmaktadır. Yeryüzündeki bir yer istasyonundan uyduya gönderilen sinyal, aynı veya bir başka yer istasyonu ile en az 238ms zaman gecikmesi ile alınabilmektedir. Bu zaman gecikmesi, G, aşağıda verilen formül ile hesaplanabilir. Burada, d, yer istasyonu ile uydu arasındaki mesafeyi gösterirken, c, sinyalin hızını gösteren ışık hızı değeridir. 2d G (1) c Şekil 1: Türksat 3A uydusu doğu kapsama alanı Şekil 2: Zaman kodunun uyduya iletim bloğu 3

Zaman kodu bilgisini içeren sinyalleri gönderen ve alan istasyonların bulundukları enlem ve boylamlara göre uyduya uzaklıkları, dolayısı ile de gecikme süresi değişmektedir. Yere durağan haberleşme uydularının yörüngeleri, yeryüzünün kütle dağılımındaki düzensizlik, ekvator düzlemi ile yeryüzünün güneş etrafında döndüğü yörünge düzlemi arasındaki yaklaşık 23 derecelik açı ve güneş basıncı gibi temel bozucu kuvvetlerden etkilenmektedir. Bu bozucu kuvvetler sebebi ile uydu yeryüzüne göre sabit açısal konumda duramamaktadır. Uydu ile yer istasyonu arasındaki mesafe de bu bozucu etkiler sebebi ile değişmektedir. Uydunun, yeryüzünden bakıldığında 0.1 derecelik bir açısal kare içinde tutulması, yapılan manevralar ile sağlanmaktadır. Sinyal gecikme süresi, uydu ile yer istasyonu arasındaki mesafe yanında, sinyalin oluşturulduğu kaynak ile antenden çıkış arasında işlendiği kodlayıcı, modülatör, frekans yükseltici vb elektronik cihazlara da bağlıdır. Keza alış tarafında da çanak antenden alınan sinyalin uydu alıcısında çözülmesi de bir gecikmeye sebep olmaktadır. Bu sebeplerden dolayı, atomik saatten elde edilen ve uyduya gönderilen IRIG-B formatındaki hassas zaman kodu ile uydu alıcısından alınan zaman kodu arasında bir zaman farkı meydan gelecektir. Uydu alıcısında elde edilen zaman kodu, bu zaman farkı kadar geride kalacaktır. Örneğin bu fark 6 saniye ise, uydu alıcısından alınan zaman her zaman 6 saniye geriyi gösterecektir. Zaman farkının sabit olması halinde, atomik saatten elde edilen zaman koduna bu fark eklenerek uyduya gönderildiğinde, uydu alıcısından alınan zaman kodu ile atomik saatten elde edilen zaman kodu senkronize olacaktır. Ancak uydu konumunun ve cihazlardan kaynaklı gecikmelerin sabit olmaması sebebiyle, saat verisindeki gecikme zaman içinde değişkenlik göstermektedir. Uydu konumundan kaynaklı gecikmeler hesaplanabilirken cihazlardan kaynaklı gecikmeler, zaman kodunun iletildiği ses kanalının diğer TV ve radyo yayınları ile bir DVB paketi olarak aynı taşıyıcıda beraber iletilmesi halinde dinamik bir hal alacaktır. Bu durumda gecikmeyi sürekli ölçerek, uyduya gönderilen sinyali bu ölçüm miktarı kadar değiştiren dinamik bir cihaz geliştirilmesi gerekmektedir. Geliştirilen bu zaman gecikmesini düzeltici cihaz, uyduya gönderilen ve uydudan alınan IRIG-B formatındaki zaman kodlarını dinamik olarak çözerek, aralarındaki farkı ölçmekte ve bu uyduya gönderilen zaman koduna bu farkı ekleyerek olası zaman gecikmesini dengelemektedir. Şekil 3'de zaman gecikmesini düzelten sistem bloğu verilmiştir. Şekil 3: Zaman gecikmesini düzelten sistem bloğu 4

ÖLÇÜM SONUÇLARI TÜRKSAT-3A uydusu üzerinden saat yayını başlatılmış ve Ankara Gölbaşı nda bulunan Türksat yerleşkesinde ilk ölçümler yapılmıştır. Zaman gecikmesini düzelten sistem devreye alınmadan yapılan ölçümlerde uyduya gönderilen IRIG-B sinyali ile uydudan geri dönüşü alınan IRIG-B sinyali arasında ortalama 6 saniyelik bir fark ölçülmüştür. Uyduya olan uzaklıktan kaynaklı gecikmenin ortalama 260 ms olabileceği düşünüldüğünde 6 saniyelik farkın daha çok MPEG kodlayıcı ve çoklayıcıdaki işlem süresinden kaynaklandığı açıktır. Gecikme düzeltici sistem devreye alındıktan sonra referans saat ve uydudan geri dönüşü alınan saat sinyali arasında 0-100 mikrosaniye arasında değişen bir hassaslık ölçülmüştür. Zaman farkı ölçülmesi geliştirilen cihaz ile yapılmış ve osiloskop yardımıyla da sinyaller arasındaki gecikme teyit edilmiştir. Şekil 4 te osiloskop ölçümleri gösterilmektedir. Şekil 4: Atomik saat(1. kanal) ile uydudan alınan saat(2. kanal) arasındaki gecikme detayı Ölçüm sonuçları sistemin Ankara Gölbaşı nda bulunan Türksat yerleşkesinde 100 mikrosaniye hassasiyet ile hizmet verdiğini göstermiştir, ancak herhangi bir başka konumda, uyduya olan mesafe farkına bağlı olarak hassasiyet değişecektir. Şekil 5 de gösterildiği üzere Ankara Gölbaşı ndan çıkılan sinyalin TÜRKSAT-3A uydusuna ulaşma süresi Tu, uydudan tekrar Ankara ya ulaşma süresi Tg olsun. Aynı sinyalin Iğdır a ulaşma zamanı Tı, Tg den farklı olacaktır. Dolayısı ile iki noktada alınan saatler arasında Tg-Tı kadar bir fark olacağı açıktır. Bu noktaların koordinatları ile yapılan hesaplamalarda fark yaklaşık 1ms olarak elde edilmiştir. Uydu alıcısı cihazlarının farklılığından kaynaklı işlemsel gecikmelerin eşit olacağı varsayıldığında, sistemin Türkiye sınırları içerisinde en fazla 1.1ms hata ile hizmet verebileceği öngörülmüştür. Şekil 5: Uydu alıcısının konumuna bağlı zaman gecikmesi 5

İnsan gözü 30 milisaniyeden daha küçük zamanı algılayamamakla beraber, hassas saat bilgisinin saat, dakika ve saniye olarak da bir TV kanalı üzerinden verilmektedir. Bu proje kapsamında oluşturulan Türksat Saat TV kanalı üzerinden hem görsel olarak saat bilgisi son kullanıcılara sunulurken, aynı kanalın ses çıkışından IRIG-B formatında hassas saat bilgisi profesyonel kullanıma uygun olarak sağlanmaktadır. Şekil 7: Hassas saat bilgisinin TV kanalında gösterimi SONUÇ VE DEĞERLENDİRMELER Bu çalışmada açıklanan sistem ile Türksat uyduları üzerinden atomik saat kodunun yayınlanması ilk defa gerçekleştirilmiştir. Ankara Gölbaşı nda bulunan Türksat yerleşkesinde yapılan ölçümlerde 100 mikroniye hassasiyetinde saat kodu elde edilebilmiştir. Aynı saat kodu, enlem boylam düzeltmesi yapılmaz ise Türkiye çapında ortalama 1 milisaniye hassasiyet ile alınabilmektedir. Uydu alıcısının bulunduğu enlem ve boylam bilindiği takdirde, 42 o derece doğu lokasyonunda bulunan TÜRKSAT-3A uydusuna ile arasındaki uzaklık ile Ankara dan uyduya olan uzaklık farkı hesaplanarak 1ms den daha iyi hassasiyete ulaşılabilecektir. Geliştirilen sistemin en büyük avantajı, saat kodunun çözülebilmesi için son kullanıcı tarafında özel bir cihaza gerek duyulmamasıdır. Türkiye de 10 milyonun üzerinde bulunan mevcut uydu alıcıları ile atomik saat kodu 1 milisaniye hassasiyet ile alınabilmektedir. Kaynaklar [1] Beehler, R. ve Lombardi M. A., NIST Time And Frequency Services, National Institute of Standards Special Publication, Cilt 142, 1991. [2] Gupta S. A., Hanjura A. K. ve Mathur B. S., Satellite Broadcasting of Time and Frequency Signals, Proceedings of the IEEE, Cilt 79, No 7, 973-982, 1991. [3] Takahashi F., Imamura K., Kawai E., Lee C. B., Lee D. D., Chung N. S., Kunimori H., Yoshino T., Otsubo T., Otsuko A., ve Gotoh T., Two-Way Time Experiments Using an INTELSAT Satellite in a Inclined Geostationary Orbit, IEEE Transactions on Instumentation and Measurement, Cilt 42, No 2, 498-504, 1993. [4] Hanson, D.W. ve Lombardi, M.A., The GOES Time Code Service, 1974 2004: A Retrospective, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, Cilt 110, No 2, 79 96, 2005. [5] Lowe J., Heidecker J., Swidan M. A., Hisham A., ve Samuel S., Standard Time And Frequency Dissemination Via Egyptian Satellite, 39th Annual Precise Time and Time Interval Meeting, 2007. [6] Lowe J., Hanson W., Swidan M. A., Samuel S. ve Hisham A., Time And Frequency Broadcasting For The Middle East Region By Satellite, NCSL International Workshop & Symposium, 2001. [7] Han C., Yang Y., ve Cai Z., BeiDou Navigation Satellite System and Its Time Scales, Metrologia, Cilt 48, 213 218, 2011. [8] Sun H. ve Li Y., Analysis of Two Way Satellite Time and Frequency Transfer System, 9th International Conference on Electronic Measurement & Instruments, Cilt 1, 991-994, 2009. [9] Ai G., Shi H., Wu H., Yan Y., Bian Y., Hu Y., Li Z., Gua J. ve Cai X., A Positioning System Based Satellite Communicaiton and Chinese Area Positioning System (CAPS), Chinese Journal of Astronomy 6

and Astrophysics, Cilt 8, No 6, 611-635, 2008. [10] Li B. ve Dempster A. G., CAPS - China's Regional Navigation Satellite System, Inside GNSS Magazine, Mart/Nisan 2011. [11] Range Commanders Council, Telecommunications and Timing Group, IRIG Serial Time Code Formats, IRIG Standard 200-04. 7