Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Zeit- und Frequenzvergleich, GPS Phasen-Messung, Internationaler GPS Service
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Time and frequency transfer, global positioning system GPS, GPS phase measurements, international GPS service.
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die moderne Zeit- und Frequenzmetrologie ist nicht nur auf hochgenaue Zeitnormale sondern auch auf Transfermethoden angewiesen, die den Vergleich zweier weit voneinander entfernter Normale erlauben. Zeit- und Frequenztransfers bilden die Basis bei der Realisierung der internationalen Zeitskalen.
Die zur Zeit am häufigtsen verwendete Zeit- und Frequenzmethode ist die sogenannte GPS Common View (CV) Methode, bei der die teilnehmenden Labors nach einem fetsgelegten Zeitplan die Signale derselben GPS-Satelliten empfangen und die Differenz zwischen den lokalen Uhren und der GPS-Zeit bilden, die durch die GPS-Satelliten verbreitet wird.
Mit der Entwicklung der Laserkühlung wurden grosse Fortschritte auf dem Gebiet der Frequenznormale erzielt. Um die verbesserte Genauigkeit optimal nutzen zu können, sind auch verbesserte Vergleichsmethoden notwendig. METAS entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Astronomischen Institut der Universität Bern eine neue Methode, bei der neben der Code-Information der GPS-Satelliten auch die Phaseninformation des Signals verwendet wird.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The modern time and frequency metrology relies not only on state-of -the-art standards but also on transfer methods which allow comparisons between devices often hundred of kilometers apart. Time and frequency transfer measurements provide the basic input for the establishement of the international time scales.
Today, the most widely used technique for time and frequency transfer is the so-called GPS common-view technique, where, according to a fixed schedule, participating laboratories receive the signals from the same GPS satellites and compute the differences between their local clock and the GPS time broadcast by the satellites. With the advent of laser cooling, important progress has recently been made in the field of frequency standards. In order to make full use of the improved accuracy, new improved time and frequency methods are also needed. METAS, in collaboration with the Astronomical Institute of the University of Berne is developing a method, where - besides the usual code information- the GPS carrier phase is taken into account.
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Projektziele
(Deutsch)
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Das Ziel des Forschungsprojekts ist ein Messsystem für den Zeit- und Frequenzvergleich mit einer Genauigkeit unterhalb einer Nanosekunde auf der Basis von geodätischern Satellitenempfängern.
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Projektziele
(Englisch)
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The goal of the project is the realization of a measuring system for the time and frequency transfer, based on geodetic satellite receivers, between remote clocks with an accuracy below 1 nanosecond.
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Abstract
(Deutsch)
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METAS hat in Zusammenarbeit mit dem Astronomischen Institut der Universität Bern (AIUB) eine neue Zeit- und Frequenztransfermethode über GPS-Satelliten entwickelt, die nebst der üblichen Decodierung der GPS-Signale auch die Phasenlage des Trägersignals nutzt.
Das Projekt umfasste die Entwicklung der notwendigen Hardware - hauptsächlich durch das METAS ausgeführt -, der Post-Processing Software - vom AIUB realisiert, sowie die Durchführung mehrerer Messkampagnen.
Die Hardware - auch GeTT-Terminal genannt - besteht aus einem geodätischen GPS-Empfänger, dessen Temperatur stabilisiert wird, einem Kontroll-Computer und einer unterbrechungsfreien Spannungsversorgung. Der Empfänger zeichnet alle 30 s die Signale aller sichtbaren Satelliten auf. Die Daten werden täglich zum Processing Center (AIUB) weitergeleitet.
Die Software ist eine Weiterentwicklung der vom AIUB für Geodäten geschriebenen Applikation BERNESE. Die SW wertet die Beobachtungen der Trägerphase der GPS-Signale aus und erreicht damit eine viel höhere Auflösung als dies mit der Auswertung des GBS-Code allein möglich wäre. Wird aber nur die Phase aufgezeichnet, ist die absolute Distanz zwischen dem Satelliten und der Empfangsantenne nicht bestimmbar, da die Zahl der Wellenlängen zwischen diesen beiden Punkten unbekannt ist. BERNESE löst diese Mehrdeutigkeit und liefert Positionen im mm-Bereich oder Auflösungen im ps-Bereich für den Frequenztransfer.
Für eine GeTT-Messkampagne werden die Terminals in verschiedenen Zeitlaboratorien aufgestellt und mit den Signalen der zu vergleichenden Uhren versorgt. Im Processing Center laufen die Files der verschiedenen GeTT-Stationen, sowie andere zur Verarbeitung notwendigen Daten zusammen und werden in Tagesbatchs ausgewertet. Die GeTT-Stationen sind für das Processing in ein weltumspannendes Netz von geodätischen Empfänger, dem IGS-Netz, eingebettet. Als Resultat steht dann jeweils am Tag nach den Beobachtungen ein File mit allen Unterschieden der Uhrenstände für jede Beobachtungsepoche, d. h. alle 30 s, zur Verfügung.
Die neue Methode wurde in verschiedenen Messkampagnen über Distanzen bis 6000 km systematisch evaluiert. Die Resultate der Stabilitätsmessungen, ausgeführt über mehrere Monate, zeigen, dass weit entfernte Uhren erstmals in weniger als einem Tag auf dem Niveau 1.E-14 verglichen werden können.
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Abstract
(Englisch)
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METAS has developed a new time and frequency transfer method based on GPS satellites in collaboration with the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB). In addition to the usual decoding of the GPS signal, the method makes use of the carrier phase information.
The project included the development of the hardware - mainly carried out at METAS - the software development - realised by AIUB, and finally, several measurement campaigns carried out to validate the method.
The hardware, also called GeTT-terminal, consists of a geodetic-type GPS-receiver kept in a temperature stabilised box, a control computer and an un-interruptable power supply. The receiver collects the signals from all satellites in view every 30 s. These data are daily sent to the processing centre (located at AIUB).
The software is a further development of the BERNESE-package, a well-know tool written by AIUB for geodesists. The principle of BERNESE relies on the fact that carrier phase observations lead to a much higher resolution than the analysis of GPS code only. However, recording solely the phase information, the number of integer wavelengths between the satellite and the receiver antenna remains unknown. The processing of the data with BERENESE rises this ambiguity, yielding positions in the mm-range and resolution of a few ps for frequency transfer.
For a typical GeTT-campaign, the terminals are deployed to different time laboratories and fed with signals from the clocks to be compared. Data from the different terminals are collected by the processing centre where the calculations are carried out in daily batches. For the processing, the GeTT-terminals are embedded in the world-wide network of IGS-stations. As result, the differences of the clock readings are available on the day following the data collection at all observation epochs.
An extensive evaluation of the new method was carried out in different measurement campaigns over distances up to 6000 km. The results of the stability measurements show that remote clocks can for the first time be compared at the level of 1.E-14 in less than a day.
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die in diesem Projekt entwickelte und validierte Methode für den Zeit- und Frequentransfer erlaubt es, die Frequenz zweier entfernter Uhren mit einer Mittelungszeit von weniger als einem Tag mit einer Auflösung von 1.E-14 zu vergleichen. Die Methode eignet sich damit bestens für den Vergleich der neuen Primärnormale für die Realisierung der SI-Sekunde, die zur Zeit in verschiedenen Instituten entwickelt werden. Mit dem GeTT-Projekt wurde das Interesse an der GPS-Trägerphasentechnik als Alternative zur Satelliten-Zweiwegmethode für Zeit- und Frequenztransfer stark gefördert.
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Umsetzung und Anwendungen
(Englisch)
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The time and frequency transfer method developed during this project allows the comparison of two remote frequency standards at the level of 1.E-14 using averaging times of less than a day. The method is, thus, particularly well suited for the comparison of the new primary standards for the realisation of the second currently under development in various laboratories. The GeTT project has fostered the interest for the GPS carrier phase technique as an alternative for the time and frequency transfer by the two-way satellite method.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Artikel in Fachzeitschriften und Konferenzbeiträge:
- G. Petit, Z. Jiang, P. Moussay, J. White, E. Powers, G. Dudle, P. Uhrich; Progress in the calibration of "geodetic like" GPS receivers for accurate time comparisons; Proc. 15th European Time and Frequency Forum, pp. 164-166, 2001.
- G. Dudle, F. Overney, L. Prost, T. Springer, R. Dach, Th. Schildknecht; A long term time and frequency transfer by GPS CP over a very long baseline; Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Sydney, Australia; Conf. Digest; 2000.
- T. Schildknecht, Gregor Dudle; Time and frequency transfer: high precision using GPS phase measurements; GPS World; 2/2000; 48-52; 2000.
- G. Dudle, F. Overney, Th. Schildknecht, T. Springer, L. Prost; Transatlantic time and frequency transfer by GPS carrier phase; 13th European Time and Frequency Forum, Besancon; Proc.; 1999.
- G. Dudle, F. Overney, L. Prost, Th. Schildknecht, T. Springer, P. Hetzel, E. Powers; First results on a transatlantic time and frequency transfer by GPS carrier phase; 30th PTTI, Reston Virginia; Proc.; 1998.
- F. Overney, Th. Schildknecht, G. Beutler, L. Prost, J.A. Davis, J.M. Furlong, P. Hetzel; GPS time transfer using geodetic receivers (GeTT): Results on European baselines; 12th European Time and Frequency Forum, Warszawa (1998); Proc.; 94-99; 1998.
- F. Overney, L. Prost, Th. Schildknecht, G. Beutler, J.A. Davis and J.M. Furlong; Results of geodetic time transfer on an European baseline; Helv. Phys. Acta; 71; 1998.
- F. Overney, Th. Schildknecht, G. Beutler, L. Prost and U. Feller; GPS time transfer using geodetic receivers: Middle term stability and temperature dependence of the signal delays; 11th European Time and Frequency Forum; ; 504-508; 1997.
- P. Baeriswyl; Time and frequency transfer using GPS code and phase observables; Bericht Nr. 27, Druckerei der Universität Bern; 1997.
- P. Baeriswyl, Th. Schildknecht, T. Springer, G. Beutler; Time transfer with geodetic GPS receivers: using code and phase observation; 10th European Time and Frequency Forum; Proc.; 430-435; 1996.
- P. Baeriswyl, Th. Schildknecht, J. Utzinger, G. Beutler; Frequency and time transfer with geodetic GPS receivers: First results; 9th European Time and Frequency Forum; Proc.; 46-51; 1995.
- P. Baeriswyl, Th. Schildknecht, W. Gurtner, G. Beutler,; Frequency and time transfer with geodetic GPS receivers; 7th European Time and Frequency Forum; Proc.; 119-124; 1993.
- Th. Schildknecht, G. Beutler, W. Gurtner, M. Rothacher; Towards sub-nanosecond GPS time transfer using geodetic processing techniques; 4th European Time and Frequency Forum; Proc.; 335-346; 1990.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Publications in scientific journals and conference contributions:
- G. Petit, Z. Jiang, P. Moussay, J. White, E. Powers, G. Dudle, P. Uhrich; Progress in the calibration of "geodetic like" GPS receivers for accurate time comparisons; Proc. 15th European Time and Frequency Forum, pp. 164-166, 2001.
- G. Dudle, F. Overney, L. Prost, T. Springer, R. Dach, Th. Schildknecht; A long term time and frequency transfer by GPS CP over a very long baseline; Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Sydney, Australia; Conf. Digest; 2000.
- T. Schildknecht, Gregor Dudle; Time and frequency transfer: high precision using GPS phase measurements; GPS World; 2/2000; 48-52; 2000.
- G. Dudle, F. Overney, Th. Schildknecht, T. Springer, L. Prost; Transatlantic time and frequency transfer by GPS carrier phase; 13th European Time and Frequency Forum, Besancon; Proc.; 1999.
- G. Dudle, F. Overney, L. Prost, Th. Schildknecht, T. Springer, P. Hetzel, E. Powers; First results on a transatlantic time and frequency transfer by GPS carrier phase; 30th PTTI, Reston Virginia; Proc.; 1998.
- F. Overney, Th. Schildknecht, G. Beutler, L. Prost, J.A. Davis, J.M. Furlong, P. Hetzel; GPS time transfer using geodetic receivers (GeTT): Results on European baselines; 12th European Time and Frequency Forum, Warszawa (1998); Proc.; 94-99; 1998.
- F. Overney, L. Prost, Th. Schildknecht, G. Beutler, J.A. Davis and J.M. Furlong; Results of geodetic time transfer on an European baseline; Helv. Phys. Acta; 71; 1998.
- F. Overney, Th. Schildknecht, G. Beutler, L. Prost and U. Feller; GPS time transfer using geodetic receivers: Middle term stability and temperature dependence of the signal delays; 11th European Time and Frequency Forum; ; 504-508; 1997.
- P. Baeriswyl; Time and frequency transfer using GPS code and phase observables; Bericht Nr. 27, Druckerei der Universität Bern; 1997.
- P. Baeriswyl, Th. Schildknecht, T. Springer, G. Beutler; Time transfer with geodetic GPS receivers: using code and phase observation; 10th European Time and Frequency Forum; Proc.; 430-435; 1996.
- P. Baeriswyl, Th. Schildknecht, J. Utzinger, G. Beutler; Frequency and time transfer with geodetic GPS receivers: First results; 9th European Time and Frequency Forum; Proc.; 46-51; 1995.
- P. Baeriswyl, Th. Schildknecht, W. Gurtner, G. Beutler,; Frequency and time transfer with geodetic GPS receivers; 7th European Time and Frequency Forum; Proc.; 119-124; 1993.
- Th. Schildknecht, G. Beutler, W. Gurtner, M. Rothacher; Towards sub-nanosecond GPS time transfer using geodetic processing techniques; 4th European Time and Frequency Forum; Proc.; 335-346; 1990.
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