Empfängeruhrmodellierung in GNSS: Auswirkungen und Realisierbarkeit

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1 Empfängeruhrmodellierung in GNSS: Auswirkungen und Realisierbarkeit i it Ulrich Weinbach, ib Steffen Schön Institut für Erdmessung

2 Motivation GNSS sind Einweg-Messverfahren. Problem der Zeitsynchronisation von Sender und Empfänger (= Bestimmung von Uhr-Offsets) 3 Lösungsmöglichkeiten: g a) Epochenweise Schätzung -> Korrelationen mit anderen Parametern b) Eliminierung durch Differenzbildung -> Informationsverlust, da keine Line-of-Sight-Modellierung, Korrelationsproblem wie bei a) c) Modellierung als Polynom oder stochastischer Prozess-> für GNSS Phasenauswertung bislang kaum genutzt (H-Maser o.ä. benötigt) Seite 2

3 Motivation Troposphäre SIGNAL Stationshöhe Uhrfehler Partielle Ableitungen: k φi H i = cos z i k k φ 1 i = ZWD cos z i i k φ k i CLK i = 1 Problem: im Auswertemodell treten math. Korrelationen auf -> physikalische Einflussgrößen nicht genau trennbar. Kann der Einsatz hochpräziser Uhren die Situation verbessern? Seite 3

4 Eigenschaften präziser Frequenznormale Anforderungen an ein Frequenznormal: Für eine sinnvolle Modellierung sollte die Zeitangabe mit einer Genauigkeit < ± s (10 ps) prädizierbar sein (entspricht Distanz von < 3 mm Rauschen der Phasenmessung) Kann dies von derzeitigen oder zukünftigen Frequenznormalen erfüllt werden? Welche Modellierungszeiträume sind möglich? Entscheidend für die Modellierbarkeit ist die Frequenzstabilität der Uhr. Charakterisierung der Frequenzstabilität erfolgt i. d. R. durch die Allan Varianz Seite 4

5 Modellierbarkeit von Mikrowellen- und optischen Uhren Modellierbarkeit ist abhängig von Frequenzstabilität der Uhr Charakterisierung durch Allan Varianz * * * Rosenband et al., Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place, Science, Volume 319, Issue 5871, pp. 1808,2008 Seite 5

6 Fazit: Frequenznormale 1) Aktive Wasserstoff-Maser können bis zu einer Stunden modelliert werden, ohne dass die Zeitabweichung das Rauschen der Phasenmessung übersteigt. 2) Die Stabilität opt. Uhren reicht iht theoretisch ti h für die Modellierung über einen Tag (oder länger) aus. Problem: Zusätzliche Hardware Effekte (Kabel + Empfänger) i. A. unklar. Seite 6

7 Verarbeitung des Frequenzsignals im Empfänger Kann mit gewöhnlicher GNSS-Empfängerhardware die Stabilität der opt. Uhren überhaupt genutzt werden? Temperatureffekte (Antenne, Kabel und Empfänger)? Störungen durch Signalprozessierung im Empfänger? Problem: Wie trenne ich Uhrverhalten und Empfängereffekte? Lösungsmöglichkeit: Zwei Empfänger mit gemeinsamem Frequenznormal (Common-Clock Konfiguration). Seite 7

8 Mehrwege- und Temperatureffekte JPS Null-Basislinie JPS kurze Basislinie 200ps (~6 cm) Kurze Basislinie unsymm. Kabel Seite 8

9 Fazit: GNSS-Empfänger 1) GNSS Empfänger können ihren internen Oszillator grundsätzlich mit hoher Präzision auf die externe Frequenz locken 2) Im Gegensatz zu Zeitvergleichen ist eine konstante Drift zwischen externer und Empfängeruhr für die Uhrmodellierung unkritisch. 3) Temperatur mit Abstand größter Effekt, aber lösbar (Kabel, Klimatisierung). Seite 9

10 Positionierung mit Empfängeruhrmodellierung Ohne Schätzung eines Uhrfehlers könnte die Höhe besser bestimmt werden als die Lage. Bei statischer Auswertung praktisch kein Unterschied zwischen epochenweiser Uhrschätzung und Uhrmodellierung. Bei kinematischer Positionierung und Uhrmodellierung verbessert sich die Höhenkomponente um bis zu 70 %! Seite 10

11 Pseudo-kin. PPP Positionsresiduen für simulierte Daten Simulation mit GPSSIM: Troposphäre = 0 Uhrfehler = 0 Koordinaten = statisch Gewichtung = sin e Auswertung mit eigener Software: Troposphäre = 1h pw-linear mit GMF Uhrfehler = epochenweise / 2h pw-linear Koordinaten = kinematisch Gewichtung = sin e RMS mit RMS mit Uhrmodel [cm] Uhrmodel [cm] Verbesserung [%] Nord Ost Höhe Seite 11

12 Pseudo-kin. PPP Positionsresiduen für reale IGS Daten Datengrundlage: IGS Station WAB2 (CH) Empfänger = Ashtech Z-XII3T Kabel = Andrew FSJ1-50A Frequenzquelle = H-Maser Auswertung mit eigener Software: Troposphäre = 1h stückweise-linear (GMF) Uhrfehler = epochenweise / 2h stückw.-linear Koordinaten = kinematisch Gewichtung = sin e Seite 12

13 Pseudo-kin. PPP Positionsresiduen für reale IGS Daten Datengrundlage: IGS Station WAB2 Empfänger = Ashtech Z-XII3T Kabel = Andrew FSJ1-50A Frequenzquelle = H-Maser Auswertung mit eigener Software: Troposphäre = 1h pw-linear mit GMF Uhrfehler = epochenweise / 900s pw-linear Koordinaten = kinematisch Gewichtung = sin e Weinbach: Uhren in GNSS Geodätische Woche, Messe Köln, Seite 13

14 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Die Arbeiten wurden gefördert durch das Exzellenzcluster Quantum Engineering and Space-Time research (QUEST) der Leibniz i Universität ität Hannover. Seite 14

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