GNSS-Satellitenuhren: Performance

Bereits vor dem Start von GIOVE-B war klar, dass die Leistungsfähigkeit des Passive Hydrogen Maser (PHM) an die Grenzen der damaligen geodätischen Zeitübertragungstechnik stoßen würde. Die begrenzte Anzahl an Bodenstationen und die Instabilität von Hardwareverzögerungen führten zu einer geodätischen Zeitübertragungsleistung von 0,5 ns (rms) und 0,3 ns (1σ) für die GIOVE-Mission. Dieser Wert ist doppelt so schlecht wie die erwarteten 1E-12 τ⁻¹/² für das PHM und entspricht dem Niveau der besten Rubidium Atomic Frequency Standards (RAFS) in den GIOVE-Satelliten. Die begrenzte Präzision resultierte aus den technischen Limitationen des Bodensegments und der Anzahl der Messstationen. Die hohe Präzision der Atomuhren im Satelliten wurde durch die Limitationen des Bodensegments begrenzt. Die Messung und Validierung der Uhrleistung im Orbit stellten eine Herausforderung dar, die neue Methoden erforderte. Die gesamte Genauigkeit der Zeitübertragung wurde durch die Technik der Bodenstationen eingeschränkt. Die GIOVE-Mission hatte das primäre Ziel, die von der internationalen Telekommunikationsbehörde vergebenen Frequenzen zu sichern und die für Galileo vorgesehene Nutzlastausrüstung zu validieren, wobei die Validierung der europäischen Atomuhr im Weltraum ein zentrales Anliegen darstellte.

Eine unerwartete Beobachtung war das Auftreten einer harmonischen Komponente mit einer Amplitude von 0,5 ns in der geschätzten ionosphärenfreien Uhr des PHM. Während harmonische Komponenten in GPS-Uhren bekannt sind, fehlte eine detaillierte Analyse zu deren Ursprung. Die vorliegende Arbeit untersucht diesen Ursprung und zeigt einen klaren Zusammenhang zwischen der Amplitude der harmonischen Komponente und dem Winkel der Sonne zur Bahnebene des Satelliten. Diese Korrelation deutet stark auf eine Temperaturabhängigkeit hin. Eine entwickelte Methode leitet die erwartete harmonische Welle aus der Temperaturempfindlichkeit der physischen Uhr ab. Die gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und beobachteten Werten belegt, dass die harmonischen Komponenten in den scheinbaren Uhren von GNSS-Satelliten primär durch die thermische Empfindlichkeit der Uhren verursacht werden. Die detaillierte Analyse konnte den Ursprung der vorher unerklärten harmonischen Schwingungen im PHM aufzeigen. Die thermische Beeinflussung der Uhr ist als Hauptursache für die beobachteten harmonischen Effekte identifiziert worden.

Die entwickelte Methode zur Charakterisierung der GNSS-Uhren wurde durch Vergleich mit verschiedenen Softwarepaketen, Datennetzen und unabhängigen Techniken wie dem Satellite Laser Ranging (SLR) und dem Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) validiert. Die Kombination der neuen Methode mit den POD-Ergebnissen ermöglichte erstmalig eine vollständige Charakterisierung der GNSS-Uhren. Die Kurzzeitstabilität der RAFS und des PHM stimmte gut mit den Bodenmessungen überein; sogar die aktivierten RAFS-Einheiten konnten identifiziert werden. Diese Übereinstimmung validierte nicht nur die neue Methodik, sondern ermöglichte auch die erfolgreiche Erreichung des zweiten Ziels der GIOVE-Mission: die vollständige Charakterisierung der GNSS-Uhren. Die neue Methode wurde erfolgreich angewendet und von anderen Gruppen wie CNES und DLR bestätigt. Die Validierung der Methode erfolgte durch Vergleich und Kreuzprüfung mit bereits etablierten Verfahren. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen den neuen Messmethoden und den etablierten Verfahren. Die Methode erlaubt eine präzise Charakterisierung der Uhrenleistung im Weltraum.

Die Einbeziehung der harmonischen Koeffizienten in die Uhrvorhersage verbessert die Genauigkeit und liefert ein sinnvolles stochastisches Modell. Die Verbesserung ist besonders bei den Polynomtermen zu beobachten. Im PHM-Modus liegt der Vorhersagefehler auf dem gleichen Niveau wie das Schätzungsrauschen (0,3 ns, 1σ) bei 100 Minuten und auf der Ebene der harmonischen Komponente (0,5 ns) bei einem Tag. Die hohe Frequenzwiederholbarkeit des PHM erlaubte die Messung der erwarteten relativistischen Frequenzänderung (4,718E-10) mit einem Fehler von nur 1,2% (5,58E-12). Ein periodischer Fehler von 0,1 ns, der bei anderen GNSS-Uhren verborgen blieb, wurde mit dem PHM deutlich sichtbar. Dies verdeutlicht, wie der neue PHM den Uhrfehler unterhalb anderer Fehlerquellen gebracht hat. Die Verbesserung der Uhrvorhersage resultierte aus der Integration der ermittelten harmonischen Komponenten in das Modell. Die außergewöhnliche Präzision des PHM ermöglichte die Messung relativistischer Effekte mit bisher unerreichter Genauigkeit. Die Genauigkeit der Uhrvorhersage liegt im Bereich des Schätzungsrauschens. Der PHM ermöglichte erstmals die klare Beobachtung eines periodischen relativistischen Fehlers.

Die Arbeit untersucht die Präzision und Genauigkeit der geodätischen Zeitübertragung im Rahmen der GIOVE-Mission, indem sie die Qualität der Uhrschätzungen für GPS- und Galileo-Satelliten bewertet. Die Methodik und Ergebnisse für GPS werden mit Daten des International GNSS Service (IGS) abgeglichen. Eine schrittweise Analyse betrachtet interne Präzision (aus Anpassungsresiduen und Wiederholbarkeit) und externe Präzision (Vergleich mit unterschiedlichen Softwarepaketen, Datennetzen und Referenzmessungen). Die absolute Genauigkeit wird durch den Vergleich mit unabhängigen Techniken wie dem Satellite Laser Ranging (SLR) für die Orbits und dem Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) für die Signaluhr der Zeitmesslabore bestimmt. Traditionelle Methoden zur Beurteilung der Uhrstabilität zeigen Einschränkungen in der Kurzzeitabdeckung und im Rauschpegel. Die Genauigkeit der Zeitübertragung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, einschließlich der Genauigkeit der verwendeten Modelle und Methoden, sowie der Qualität und Verfügbarkeit der Messdaten. Die Ergebnisse der Analyse zeigen die Notwendigkeit einer genaueren und umfassenderen Bewertung der Uhrgenauigkeit. Die Arbeit unterstreicht die Komplexität der geodätischen Zeitübertragung und die Herausforderungen bei der Erreichung hoher Genauigkeit.

Die beschriebenen traditionellen Methoden zur Bewertung der Uhrstabilität zeigen Limitationen bezüglich der Kurzzeitabdeckung und des Rauschpegels. Um diese Lücken zu schließen, wird eine innovative Methodik vorgeschlagen. Diese neue Methode wird eingesetzt, um die Genauigkeit der Kurzzeitstabilität von GNSS-Uhren zu verbessern. Die Kombination dieser neuen Methode mit den Ergebnissen der Precise Point Positioning (PPP) ermöglichte erstmalig eine vollständige Charakterisierung der GNSS-Uhren. Die Anwendung dieser Methode auf die GIOVE-Uhren zeigte eine gute Übereinstimmung der kurzfristigen Stabilität von RAFS und PHM mit den Bodenmessungen. Es war sogar möglich, die aktiven RAFS-Einheiten aus den Messungen zu identifizieren. Diese gute Übereinstimmung validierte die neue Methode und trug zur erfolgreichen Erreichung des zweiten Ziels der GIOVE-Mission bei. Die verbesserte Methodik wurde von anderen Forschungsgruppen (CNES und DLR) bestätigt und angewendet. Die hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der neuen Methode eröffnen neue Möglichkeiten für die präzise Analyse von GNSS-Uhren.

Die Analyse konzentriert sich auf die Bedeutung von Gruppenlaufzeiten und dem Intersystem Bias (ISB) bei der genauen Bestimmung der Zeit. In aktuellen Ansätzen werden Gruppenlaufzeiten in die ionosphärenfreie Uhr einbezogen und als konstant für jeden Tag angenommen. Diese Annahme wird kritisch hinterfragt, da sie die Genauigkeit der geschätzten Uhren beeinflusst. Die Arbeit identifiziert die Gruppenlaufzeit als Hauptfehlerquelle in der ionosphärenfreien Kombination. Es wird eine Methode vorgestellt, um Gruppenlaufzeiten zusammen mit Ionosphären-Schätzungen zu bestimmen. Ein praktisches Beispiel der Schätzung von Gruppenlaufzeiten und ISB wird mit GIOVE-Satelliten unter Verwendung von Standard- und neuartigen Methoden präsentiert. Die Berücksichtigung von Gruppenlaufzeiten und ISB ist entscheidend für eine höhere Genauigkeit der Zeitübertragung. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht eine detailliertere Analyse der Fehlerquellen und somit eine Verbesserung der Genauigkeit der Zeitbestimmung. Die Ergebnisse demonstrieren die Bedeutung der Berücksichtigung von systematischen Fehlern für eine genaue Zeitübertragung.

Die Analyse konzentriert sich auf periodische Schwankungen (harmonische Komponenten) in den GNSS-Uhren, insbesondere im GIOVE-B PHM. Diese harmonischen Komponenten, mit Amplituden von bis zu 0,5 ns im GIOVE-B PHM und bis zu 1 ns im GIOVE-A RAFS, stellen eine Abweichung von der erwarteten idealen Uhrgenauigkeit dar. Während harmonische Komponenten in GPS-Uhren bereits bekannt sind (Referenz [158]), wird in der vorliegenden Arbeit deren Ursprung genauer untersucht. Eine kürzlich veröffentlichte Studie [150] deutet kurz auf die Temperatur als mögliche Ursache hin, liefert jedoch keine umfassende Analyse. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, den Ursprung und die Charakteristika dieser harmonischen Schwankungen zu klären und zu verstehen. Dabei ist die Unterscheidung zwischen einem physikalischen Phänomen in der Signaluhr und Restfehlern in der scheinbaren Uhr durch die Parameterbestimmung (POD) von zentraler Bedeutung. Die Analyse der harmonischen Komponenten zielt auf eine genauere Beschreibung der Uhrgenauigkeit und deren Beeinflussung durch externe Faktoren ab.

Die Untersuchung zeigt eine Korrelation zwischen der Amplitude der harmonischen Komponente und dem Winkel der Sonne zur Bahnebene des Satelliten. Diese Korrelation deutet auf eine Abhängigkeit von der Temperatur hin, da sich die Sonneneinstrahlung stark auf die Temperatur der Satellitenkomponenten auswirkt. Die Arbeit schlägt eine Methode vor, um die erwartete harmonische Welle aus der Temperaturempfindlichkeit der physikalischen Uhren abzuleiten. Die gute Übereinstimmung zwischen den erwarteten und den tatsächlich beobachteten Werten bestätigt die Hypothese, dass die thermische Empfindlichkeit der Uhren die Hauptursache für die beobachteten harmonischen Komponenten ist. Die Korrelation zwischen Sonnenwinkel und Amplitudenstärke der harmonischen Komponente erlaubt Rückschlüsse auf die thermische Beeinflussung des Uhrwerks. Dieser Zusammenhang wird durch die Übereinstimmung von modellierter und gemessener harmonischer Welle gestützt. Die Temperatur als Hauptursache für die harmonischen Effekte wird durch die Analyse der Daten belegt. Die thermische Steuerung von GNSS-Uhren stellt eine entscheidende Herausforderung dar.

Um die Ergebnisse zu validieren, wurden unabhängige Schätzungen aus verschiedenen Softwarepaketen (GGSP, GIOVE-M, ODTS, NAPEOS) verglichen. Für GIOVE RAFS zeigte sich eine hohe Übereinstimmung in Phase und Amplitude der harmonischen Komponente (1 ns). Bei GPS RAFS war die Übereinstimmung ebenfalls gut, jedoch zeigte ODTS (OSPE) eine etwas höhere Amplitude. Im Gegensatz dazu zeigten sich bei den PHM-Daten keine einheitlichen Ergebnisse zwischen den verschiedenen Analyse-Centern. Eine Analyse an einer Bodenstation mit H-Maser (GUSN) zeigte, dass der Effekt ausschließlich auf Satellitenuhren beschränkt ist. Die Analyse der Temperaturempfindlichkeit der Atomfrequenzstandards (AFS) verdeutlicht die Herausforderung der Temperaturregelung im Weltraum, mit großen Temperaturschwankungen zwischen Sonnenbestrahlung und Schatten. Die unterschiedlichen Ergebnisse verschiedener Software-Schätzungen unterstreichen den Einfluss der verwendeten Modelle und Parameter. Die beobachtete Korrelation zwischen Sonnenwinkel und Amplitudenstärke bestätigt den Einfluss der Temperatur auf die Genauigkeit der Uhren.

Der Abschnitt beleuchtet die Stabilität von Atomuhren in GNSS-Satelliten und die damit verbundenen Herausforderungen. Im Gegensatz zu terrestrischen Kristalloszillatoren, die in vielen Empfängern verwendet werden, sind Satelliten-Atomuhren (Atomic Frequency Standards - AFS) wie Passive Hydrogen Maser (PHM) und Rubidium Atomic Frequency Standards (RAFS) zwar deutlich präziser, aber auch schwerer, energieintensiver und teurer. Die Auswahl der Technologie hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die gewünschte Langzeitstabilität, der Energieverbrauch, die Masse und die Kosten. Während Kristalloszillatoren eine gute Kurzzeitstabilität bieten, sind AFS für die langfristige Genauigkeit der GNSS-Zeitmessung unverzichtbar. Das Galileo-System nutzt beispielsweise sowohl PHM als auch RAFS parallel, um Redundanz und Flugerfahrung mit neuen Technologien zu gewährleisten. Der Vergleich mit anderen GNSS-Systemen wie GPS und GLONASS zeigt die unterschiedlichen Ansätze zur Zeitmessung und die fortschreitende Entwicklung der Technologien. Die verschiedenen Atomuhrtechnologien (Cesium, Rubidium, Wasserstoffmaser) bieten unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Stabilität, Grösse und Energieverbrauch.

Die Genauigkeit der Uhrvorhersage ist entscheidend für die Zuverlässigkeit von GNSS-Systemen. Die Einbeziehung von harmonischen Koeffizienten in die Uhrvorhersage erhöht die Genauigkeit und ermöglicht ein sinnvolles stochastisches Modell. Im PHM-Modus liegt der Vorhersagefehler bei 100 Minuten auf dem Niveau des Schätzungsrauschens (0,3 ns, 1σ) und bei einem Tag auf der Ebene der harmonischen Komponente (0,5 ns). Die verbesserte Vorhersagegenauigkeit erlaubt es, auf die Übermittlung der harmonischen Koeffizienten an den Benutzer zu verzichten. Die Arbeit zeigt, dass die Vorhersagegenauigkeit von der Aktualisierungsrate abhängt. Die Analyse der Uhrgenauigkeit für verschiedene Technologien und die Entwicklung einer gemeinsamen Methode zur Genauigkeitsschätzung für die Vorhersage sind zentrale Aspekte dieses Abschnitts. Für die Uhrvorhersage werden verschiedene Strategien untersucht und verglichen, wobei die Aktualisierungsrate einen wesentlichen Einfluss hat.

Der Abschnitt befasst sich mit der Analyse von Frequenzsprüngen in Rubidium-Uhren von GPS und Galileo. Galileo-Rubidiumuhren weisen im Vergleich zu GPS-Uhren längere Integrationszeiten, größere Amplituden und eine geringere Häufigkeit von Frequenzsprüngen auf. Die Auswirkungen auf den User Equivalent Range Error (UERE) werden quantifiziert, wobei für GPS ein maximaler Einfluss von bis zu 6,5 Metern und für Galileo 1,2 Meter am Ende des Gültigkeitsintervalls der Navigationsnachricht angegeben werden. Die Analyse von Wartungsereignissen an GPS-Satelliten zeigt, dass nicht alle Änderungen von Frequenzstandards oder Wartungsarbeiten protokolliert werden. Es werden praktische Beispiele für Uhrenwechsel und deren Auswirkungen auf die Systemverfügbarkeit und die Uhrstabilität diskutiert. Die Redundanz von Uhren, wie sie in Galileo mit einem PHM und mehreren RAFS umgesetzt wird, erhöht die Systemzuverlässigkeit. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich unter anderem auf verbesserte Uhrvorhersage-Strategien und robustere Zeitmesssysteme.