Utvecklingsprojekt GNSS

GNSS och framförallt GPS används allt flitigare inom en rad olika applikationer och beroende på noggrannhetskrav så varierar utrustning och metod. Vår forskning är främst inriktad på att utveckla nya metoder för mer noggranna mätningar, men vi genomför även riktade studier och systemutveckling med redan beprövad teknik.
Tid och frekvens

För att kunna positionera sig med hjälp av en GNSS-mottagare måste i princip mottagaren observera minst fyra satelliter. Tre används för att beräkna en tredimensionell position och en satellit används för att beräkna tidsskillnaden mellan klockan i mottagaren och klockorna i satelliterna.

Tidsskillnaden måste alltid beräknas eftersom en positionsbestämning med GNSS i grunden är en tidintervallmätning. Mottagaren mäter tidintervallet det tar för signalen att gå mellan satelliten och mottagaren, vilket innebär att de båda klockorna måste vara synkroniserade.

Genom att multiplicera tidintervallet med ljusets hastighet fås avståndet till satelliten vilket används för att beräkna positionen. Eftersom tiden i satelliterna är uppmätt relativt UTC, kan också klockan i mottagaren synkroniseras till UTC vilket utnyttjas för att studera andra klockor eller oscillatorer.

Mätning av tid och frekvens med hjälp av kod-mottagare

De flesta mottagare som är avsedda för tid- och frekvensapplikationer har en utgång med sekundpulser som är spårbara till UTC enligt ovan. Dessa pulser kan användas för att karakterisera och kalibrera egna klockor eller oscillatorer.

En direkt mätning enligt denna metod ger en noggrannhet på bättre än 300 ns relativt UTC. Noggrannheten vid en frekvensjämförelse blir ungefär 1E-12 om man mäter under flera timmar. Noggrannheten begränsas av bland annat osäkerheter i satellitens positionsangivelse och klockor samt signalfördröjningar i atmosfären.

Ibland är denna noggrannhet inte tillräcklig och man kan dessutom vara i behov av att jämföra sin klockor och oscillatorer direkt mot en speciell nationell referens. Man kan i båda dessa fall utnyttja en teknik som kallas "Common-View" (CV). CV-mätningar innebär att minst två laboratorier observerar samma satellit vid samma tidpunkt.

Det är i detta fallet mycket viktigt att man antingen observerar en satellit i taget eller att man i efterhand kan beräkna tidsskillnaden mellan sin egen klocka och klockan i varje satellit. Efter en sammanställning (differentiering) av mätningarna erhålles ett mått på tidsskillnaden mellan klockorna i de olika laboratorierna. Eftersom mätningarna differentieras försvinner det mesta av osäkerheten i satellitens position och signalfördröjningar i atmosfären, till en grad som beror på avståndet mellan laboratorierna.

All osäkerhet hos satelliternas klockor försvinner eftersom denna är exakt lika för båda laboratorierna. En mätning enligt denna metod kan ge en noggrannhet på bättre än 5 ns relativt ingående laboratorieklockor. Noggrannheten vid en frekvensjämförelse blir ungefär 5E-14
om man mäter under flera timmar.

Common-View tekniken är av stort intresse för oss eftersom metoden används för att mäta upp våra klockor och vår tidsskala UTC(SP) i förhållande till UTC och TAI. Metoden har under senare år utvecklats genom användandet av flerkanalsmottagare och GLONASS-mottagare, och häri ligger det största delen av vår FoU med kod-mottagare. Vi har till exempel utvecklat ett system för att automatiskt och kontinuerligt mäta upp klockor och oscillatorer relativt UTC(SP) utan att
utrustningen behöver skickas till SP.

Mätning av tid och frekvens med hjälp av fas-mottagare

För de mest noggranna klockorna och oscillatorerna räcker idag inte kod-tekniken till. För att förbättra noggrannheten vid tidsjämförelser med hjälp av GNSS måste man utnyttja mer sofistikerade mottagare som har möjlighet att mäta på fasen på bärvågen från satelliterna.

Metoden kan ge en noggrannhet på några tiotals picosekunder och en frekvensnoggrannhet på 1E-16 om man mäter under ett dygn. Denna noggrannhet kräver avancerade beräkningar av satelliternas position och klockor samt av signalens fördröjningar i atmosfären, och i de flesta fall en efterbearbetning av insamlade mätningar.

De största felkällorna härrör framförallt från temperaturvariationer i omgivningen som påverkar signalfördröjningen i utrustningen samt problemet med att att bestämma den konstanta tidsfördröjningen i mottagaren. Den sistnämnda felkällan påverkar endast en absolut tidmätning varför metoden i huvudsak hittills använts för frekvensmätningar. En stor del av vår forskning kring tid och frekvensmätning med hjälp av fas-mottagare för GPS och GLONASS rör dessa felkällor. Vi utvecklar också metoder för beräkningar i realtid.

Relaterad information

Forskning

Mätteknik inom energi och miljö

Verksamhetsområden

RISE Säkerhet och transport

Kontaktpersoner

Kenneth Jaldehag

Tel: 010-516 54 08

RISE Research Institutes of Sweden, Tel 010-516 50 00, E-post info@ri.se

SP, Innventia och Swedish ICT har gått samman i RISE för att bli en starkare forsknings- och innovationspartner för näringsliv och samhälle.
Under 2017 kommer sp.se att vara en av flera webbplatser inom RISE. Besök gärna ri.se för mer information om RISE.