Kalibracje odbiorników GLONASSna potrzeby TAI

Anna Foks

Seminarium Zakładu Geodezji Planetarnej CBK

Warszawa, 3 grudnia 2004 r.

Historia zegara• ~ - 3500 zegary słoneczne, gwiazdowe, wodne, piaskowe, ogniowe;

• ~ 724 zegary mechaniczne (Lingzan, Gerbert z Aurillac)

– stabilność 1 h na dobę;

• ok.1500 zegary sprężynowe – stabilność 15 min na dobę;

• 1657 zegary wahadłowe (Galileusz, Huygens)

– stabilność 10 s na dobę (1 min. tygodniowo), dziś – 0,01 s na dobę;

• 1675 zegary z balansem (Hooke, Huygens, Kochański)

– stabilność 1 min. na dobę;

• 1721 zegary wahadłowe z wychwytem kotwicowym (Hooke, Graham)

– stabilność kilka sekund na tydzień;

• 1928 oscylator kwarcowy (Marrison) – 0,002 s na dobę;

• 1950 zegar atomowy (Lyons) – dzisiejsza stabilność 10 -14;

• dziś – fontanny cezowe, masery wodorowe – stabilność 10 -16;

• przyszłość – zegary optyczne, rtęciowe, wapniowe – stabilność 10 -18?

Międzynarodowy czas atomowy (TAI)

SEKUNDA

to czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między 2 poziomami (F = 4 i F = 3) struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S1/2 atomu cezu 133Cs.

MIĘDZYNARODOWY CZAS ATOMOWY

jest ustalany przez Sekcję Czasu Międzynarodowego Biura Miar i Wag w Sèvres jako średnia ważona z pomiarów ok. 240 zegarów atomowych (głównie wzorców cezowych i maserów wodorowych) umieszczonych w ok. 50 laboratoriach w ponad 30 krajach.

Międzynarodowy czas atomowy (TAI)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

MSL INPL NPLI NMC

LT OMH LDS DTAG

APL CAO KRIS IEN

BEV NAO CH AUS

IFAG TCC CNM SCL

ORB SG NIM SU

ROA NRC NPL IGMA

NTSC SP PL TP

VSL NMIJ PTB NIST

TL NICT F USNO

Procentowy wkład poszczególnych laboratoriów w TAI we wrześniu 2004 r.

TA(PL)

Ośrodki tworzące TA(PL) we wrześniu 2004:

Obserwatorium Astrogeodynamiczne CBK PAN, Borowiec;

Centrum Badawczo-Rozwojowe TP SA, Warszawa;

Centralny Ośrodek Metrologii Wojskowej, Zielonka;

Główny Urząd Miar, Warszawa;

Instytut Łączności, Warszawa;

1 Specjalistyczny Ośrodek Metrologii Sił Powietrznych, Warszawa;

Instytut Fizyki Półprzewodników, Wilno, Litwa.

Współczesne metody transferu czasuna duże odległości

S

A B

S

B

Dwukierunkowy satelitarny transfer czasu i częstotliwości.(TWSTFT – Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer).

Metoda obserwacji

synchronicznych „common-view”.

Międzynarodowy czas atomowy (TAI)

Organizacja międzynarodowych porównań skal czasu na potrzeby TAI.

Dlaczego GLONASS ?

• Niewystarczająca dokładność transferu czasu na potrzeby TAI za pomocą systemu GPS;

• Potencjalna większa dokładność systemu GLONASS;

• Dostępność kodu P GLONASS;

• Kod P transmitowany na obu częstotliwościach nośnych (poprawki jonosferyczne);

• Dostępność efemeryd precyzyjnych (od 1998 r.) .

Dlaczego GLONASS ?

9050

9100

9150

9200

9250

9300

51234,0 51234,5 51235,0 51235,5 51236,0 51236,5 51237,0

MJD

t [n

s]

GPS

GLONASS C/A

GLONASS P

Obserwacje synchroniczne za pomocą kodu C/A GPS i GLONASSoraz kodu P GLONASS między AOS i VSL w lutym 1999 r.

Porównanie systemów GLONASS i GPS

GLONASS GPS

Nominalna liczba satelitów 24 24

Liczba płaszczyzn orbit 3 6

Nachylenie orbit 64,8° 55°

Wysokość satelitów 19 130 km 20 180 km

Okres obiegu 11 h 15 min 40 s 11 h 58 min 00 s

Efemerydy9 parametrów (pozycja, prędkość,

przyspieszenie) w układzieprostokątnym geocentrycznym

keplerowskie elementy orbiti współczynniki interpolacyjne

Układ odniesienia PZ-90 WGS-84

Skala czasu UTC (SU) UTC(USNO)

Długość depeszy nawigacyjnej

2,5 min 12,5 min

Częstotliwość nośna

L1 1602,00 – 1614,94 MHz 1575,42 MHz

L2 1246,00 – 1256,06 MHz 1227,60 MHz

L2/L1 7/9 60/77

Długość kodu (chip)

C/A 511 1023

P 5,11·106 2,35·1014

Zmiana koduzegara

C/A 0,511 MHz 1,023 MHz

P 5,11 MHz 10,23 MHz

Skale czasu

s 13)GPS(czasUTC

s 19TAI)GPS(czas

s 32TAIUTC

Różnice między skalami czasu UTC, GLONASS, GPS i TAI.

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

1970 1980 1990 2000 2010

rok

TA

I -

ska

la c

zasu

(i)

[s]

UTC

GLONASS

GPS

TAI GALILEO

Obecnie:

Skąd potrzeba kalibracji?

kHzf

kHzf

MHzf

MHzf

fKff

fKff

K

K

5,437

5,562

1246

1602

2

1

02

01

2022

1011

MHzL

MHzL

60,1227

42,1575

2

1

Częstotliwości nośne

GPS

GLONASS

K fK1 fK2

0 1602,0000 1246,0000

1 1602,5625 1246,4375

2 1603,1250 1246,8750

3 1603,6875 1247,3125

4 1604,2500 1247,7500

5 1604,8125 1248,1875

6 1605,3750 1248,6250

7 1605,9375 1249,0625

8 1606,5000 1249,5000

9 1607,0625 1249,9375

10 1607,6250 1250,3750

11 1608,1875 1250,8125

12 1608,7500 1251,2500

13 1609,3125 1251,6875

Sposób kalibracji

Pf – kalibracyjna poprawka częstotliwości f

0fifif ttP

ti – i-ta obserwacja common-view

f0 – częstotliwość odniesienia

Schemat przeprowadzania kalibracji.

Sposób kalibracji

Zaletą porównywania odbiorników w jednym miejscu jest przede wszystkim

eliminacja błędów:

• zegara,

• efemeryd satelitów,

• współrzędnych anteny,

• jonosfery i troposfery,

• wielodrożności sygnału.

Podróże kalibracyjne 1997 - 1999

Lab.

Nr seryjny i nazwa odbiornika

Okres kalibracji (MJD)

kalibr. odniesienia

BIPM 0017BIPM A

0019ROVER

50702 – 50744(IX – X ’97)

VSL(Delft)

0018VSL 18

0019ROVER

50752 – 50758 (XI '97)

BIPM 0025BIPM D

0017BIPM A

51056 – 51088(IX ’98)

AOS(Borowiec)

0030AOS

0017BIPM A

51189 – 51202(I ’99)

ORB(Bruksela)

0022ORB

0017BIPM A

51211 – 51221(II ’99)

VSL(Delft)

0018VSL 18

0017BIPM A

51224 – 51236(II ’99)

Poprawki kalibracyjne 1997 - 1999

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

AOS (Borowiec), odb. nr 0030, L1

BIPM, odb. nr 0025, L1

BIPM, odb. nr 0017, L1

BIPM, odb. nr 0025, L2

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

Poprawki kalibracyjne ‘99

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

ORB (Bruksela), odb. nr 0022, L1

VSL (Delft), odb. nr 0018, L1

ORB, odb. nr 0022, L2

VSL (Delft), odb. nr 0018, L2

Podróże kalibracyjne 1997 - 1999

Porównania odbiorników VSL 18 (nr ser. 0018) i BIPM A (nr ser. 0017) za pomocą systemów

GPS i GLONASS w Van Swinden Laboratorium (Delft) w lutym 1999 r.

0

10

20

30

40

50

60

70

51228 51229 51230 51231 51232 51233 51234 51235 51236 51237

MJD

t

[n

s]

GPS C/A

GLONASS C/A

GLONASS P L1

GLONASS P L1 kalibr.

Zastosowanie poprawek kalibracyjnych

MJD

GPS C/A

GLONASS C/A

GLONASS

P

GLONASS P kal.

l. obs. RMS l. obs RMS l. obs RMS l. obs RMS

51224

521 4,8 102 4,7 179 4,9 179 5,0

51225

509 5,0 95 6,6 186 5,0 186 4,9

51226

522 3,5 87 5,4 169 3,4 169 2,8

51227

544 4,0 111 5,4 173 4,0 173 3,6

51228

511 4,4 109 5,2 174 4,6 174 4,4

51229

521 3,4 86 5,8 182 3,6 182 3,2

51230

525 3,3 117 5,8 180 3,5 180 3,3

51231

456 3,5 96 6,1 157 4,9 157 4,5

51232

481 3,5 113 5,5 161 3,8 161 3,1

51233

564 3,9 119 5,1 178 3,9 178 3,3

51234

543 3,4 114 5,2 170 4,5 170 3,8

51235

554 3,1 119 5,5 165 4,4 165 3,6

51236

582 2,6 138 5,5 180 3,5 180 2,9

-3,00

-2,00

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

0 5 10 15 20 25

f

Pf [

ns]

Pf(AOS) Pf(VSL18) Pf(AOS)+Pf(VSL18)

Poprawki kalibracyjne odbiorników AOS i VSL18 (L1).

Dobowe odchylenia standardowe porównań czasumetodą common-view między AOS i VSL z użyciemkodu C/A GPS i GLONASS oraz kodu P GLONASSz zastosowaniem poprawek kalibracyjnych.

Zastosowanie poprawek kalibracyjnych

9050

9100

9150

9200

9250

9300

51234,0 51234,5 51235,0 51235,5 51236,0 51236,5 51237,0

MJD

t [n

s]

GPS

GLONASS C/A

GLONASS P

GLONASS P kalibr.

Obserwacje synchroniczne za pomocą kodu C/A GPS i GLONASSoraz kodu P GLONASS między AOS i VSL w lutym 1999 r.

Wnioski i plany na przyszłość

• Zastosowanie poprawek kalibracyjnych odbiorników GLONASS pozwoli na polepszenie dokładności porównań czasu na potrzeby tworzenia TAI;

• Należy powtórnie przeprowadzić „podróże kalibracyjne” w celu wyznaczenia aktualnych poprawek kalibracyjnych odbiorników GLONASS kalibrowanych w latach 1997-1999 i skalibrowania innych odbiorników;

• Dalsza poprawa dokładności transferu z użyciem kodu P GLONASS wiąże się z zastosowaniem poprawek orbitalnych (efemeryd precyzyjnych) i poprawek jonosferycznych.

Dziękuję za uwagę.