Frequency comparison for primary standard by GeTT

• Research unit: METAS
• Project number: 119.03.FP.017

Key words (German)

Frequenzvergleich
Geodätischer Time Transfer
GeTT

Key words (English)

Frequency transfer
Geodetic Time Transfer
GeTT

Short description (German)

Damit Resultate eines Frequenz-Primärnormals in die Realisierung der Basiseinheit Sekunde einfliessen können, sind Messvergleiche mit ähnlichen Apparaturen in anderen Metrologieinstituten notwendig. In der Frequenzmetrologie müssen Vergleiche über grosse Distanzen durchgeführt werden. International kommen hierzu im Wesentlichen zwei Methoden zum Einsatz: Einerseits ein Zweiweg-Satellitenverfahren und andererseits Frequenzvergleiche mittels GPS-Trägerphase. Keine der beiden Methoden steht zur Zeit am METAS betriebsbereit zur Verfügung. Mit dem vorliegenden Projekt soll am METAS eine permanente Infrastruktur aufgebaut und getestet werden, welche Frequenzvergleiche über GPS-Trägerphase mit entfernten Labors ermöglicht.

Frequenzvergleiche mittels GPS-Trägerphase wurden am METAS in Zusammenarbeit mit dem Astronomischen Institut der Universität Bern (AIUB) bereits in einem Vorgängerprojekt untersucht. METAS baute in diesem Rahmen die Geodetic Time Transfer (GeTT)-Stationen, welche in verschiedenen Messkampagnen eingesetzt wurden. Das AIUB seinerseits entwickelte die nötige Software und betreute die Datenauswertung.

Kurzbeschreibung der IGS-Datenauswertung
Der International GPS Service (IGS) ist eine Organisation, die verschiedene geodätische Daten zur Verfügung stellt. Über 140 IGS-Empfangsstationen werden zu diesem Zweck weltweit betrieben. Alle Stationen stellen täglich ihre gesammelten Daten den IGS-Analysis-Centers zur Verfügung. Die Analysis-Center ihrerseits wählen aus allen IGS-Stationen frei aus, welche sie zur Verarbeitung weiter verwenden wollen. Die Auswahl geschieht heute meist nach geodätischen Kriterien, was Z&F-Labors nicht unbedingt bevorteilt. Die geodätischen Daten stehen anschliessend frei im Internet zur Verfügung. Für einen Zeit- oder Frequenztransfer über GPS-Trägerphase müssen also zwei Bedingungen erfüllt sein: 1) Die zu vergleichenden Labors müssen offizielle IGS-Stationen betreiben. 2) Die Daten der Labors müssen von Analysis-Centers für die Auswertung ausgewählt werden.

Short description (English)

To integrate results from a primary frequency standard into the realisation of the base unit second, comparisons with similar standards in other National Metrology Institutes (NMIs) are necessary. Such comparisons are performed in the Time and Frequency field with remote methods that bridge the large distances between National Metrology Institutes. On an international scale, mainly two methods are in use: Two Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) and a technique based on the GPS carrier phase. Neither of the two methods are currently operational at METAS. The purpose of the proposed project is to set up and test a permanent infrastructure at METAS that will allow comparisons with other labs via GPS carrier phase.

Frequency transfer via GPS carrier phase has been developed and studied within the scope of a previous project carried out by METAS and the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB). In this context, three so called Geodetic Time Transfer (GeTT)-Stations have been built and were deployed in different measurement campaigns. METAS was in charge of the hardware while AIUB was responsible for the development of the processing software and the supervision of the data analysis.

 

Short description of the IGS data processing
The International GPS Service (IGS) is an organisation publishing different geodetic data. For the collection of the data, over 140 IGS receiver stations are spread over the entire globe. These stations accumulate data and transmit them on a daily basis to IGS Analysis Centers (AC). The ACs select among all the IGS stations those which will be processed. The selection is mainly based on geodetic criteria, putting most T&F labs running IGS receivers in an unfavorable position. Two conditions must thus be fulfilled to perform time and frequency transfer via GPS carrier phase. First, both labs whose clocks are to be compared must run official IGS stations and second, the data of both labs must be selected by the AC for the processing.

Project aims (German)

1. Entwicklung eines Zeit- und Frequenzvergleichssystem basierend auf der GeTT-Methode (geodetic time transfer), welche einen Vergleich des METAS-Primärnormals FOCS-1 mit anderen Primärnormalen mit einer Genauigkeit von 1X10^-15 erlaubt.
2. Verbessern der Kurzzeitstabilität der GeTT-Methode, damit die angestrebte Genauigkeit beim Z&F-Vergleich mit einer möglichst kurzen Integrationszeit erreicht werden kann.
3. Inbetriebnahme einer offiziellen geodätischen Station am METAS in Übereinstimmung mit der Empfehlung des Konsultativ-Komitees für Zeit und Frequenz an die Nationalen Metrologie-Institute.

Project aims (English)

1. To give METAS the means to compare the FOCS-1 cesium fountain to other primary standards, using the GeTT (Geodetic Time Transfer) method with the required accuracy of 1X10^-15 .
2. To improve the short-term stability of the GeTT method in order to reduce as much as possible the integration time necessary to reach an accuracy of in a comparison.
3. To set up an official IGS (International Geodetic Survey) station at METAS, in compliance with the CCTF (2001) recommendation to the time & frequency laboratories of the NMI’s.

Abstract (German)

Die Ziele wurden zum grössten Teil erreicht. Die einzige Ausnahme betrifft die Teilnahme des METAS-Primärfrequenznormals FOCS-1 an internationalen Vergleichsmessungen. Wegen technischen Problemen war das Primärnormal leider für diese Messungen noch nicht bereit.

 

Die neue Vergleichs-Methode „GeTT phase continous“, die am AIUB entwickelt wurde basiert auf der kontinuierlichen Beobachtung der GPS-Trägerphase über mehrere Tage. Diese Methode erlaubt einen Frequenzvergleich zweier Normale ohne die Diskontinuität, die durch eine Auswertung in Tageslängen verursacht wird. Gegenüber der traditionellen geodätischen Auswertemethode verfügt die neue Methode  „GeTT phase continous“ über eine bessere Kurzzeitstabilität. Über längere Zeiträume bleibt die Stabilität unverändert, da sie in diesem Bereich durch die Code-Messungen limitiert ist.

Abstract (English)

Most of the project goals were fully reached. The only exception is the participation of the primary standard FOCS1 cesium fountain to an international comparison. This was due to technical problems with the operation of the cesium fountain which was actually not ready for participation to international comparisons.

 

The new time & frequency transfer method GeTT phase continuous developed by AIUB is based on a continuous processing of the phase measurements over a span of many days. This continuous processing method avoids the day boundary discontinuities of the traditional method based on daily batches. As compared with the traditional GeTT processing (daily batches, combined code and phase measurements) the new method GeTT phase continuous yields a significantly better short-term stability. However the long-term stability is the same since it is limited by the noise associated with the code measurements.

Transfer and application (German)

Die Projektresultate können nicht nur durch METAS sondern auch durch andere Zeit- und Frequenzlaboratorien genützt werden.

Die neue Methode wird routinemässig zur Überwachung der CH-Zeitskala UTC(CH) eingesetzt. Sie wird den Anschluss des METAS-Primärnormals an die Internationale Atomzeitskala sicherstellen und kann für systematische Vergleiche verschiedener Zeit- und Frequenz-Transfermethoden verwendet werden.

 

Transfer and application (English)

The outputs of the project are used not only at METAS and at AIUB for internal purposes but also in other time & frequency laboratories.

 

The standard GeTT results are used regularly at METAS to watch the day-to-day behaviour of the Swiss time scale UTC(CH). The sub ns resolution of the method allows to compare  UTC(CH) with other time scales, such as UTC(USNO),  with a degree of accuracy that makes possible the observation of subtle effects in the steering of UTC(CH) or to detect minor malfunctions in the METAS atomic clocks.

 

The method will be used to link the METAS primary time and frequency standard to the international atomic time scale and to systematically investigate the properties of different time and frequency comparison techniques.

Publications / Results (German)

Dach R., Hugentobler U., Schildknecht T., Bernier L.G., Dudle G., Precise Continuous Time and Frequency Transfer Using GPS Carrier Phase, Proc. 2005 Joint IEEE IFCS and PTTI, Vancouver, BC, Canada, 29-31 August 2005, pp. 329-336.

Dach R., Dudle G., Schildknecht T., Hugentobler U., Status Report of the AIUB-METAS Geodetic Time Transfer, Proc. 18^th EFTF, Guilford, UK, April 5-7 2004.

Dach R., Schildknecht T., Hugentobler U., Bernier L.G., Dudle G., Continuous Geodetic Time Transfer Analysis Method, Trans. IEEE UFFC, accepted for publication.

Dach R., Bernier L.G., Dudle G., Schildknecht T., Hugentobler U., Geodetic Frequency Transfer - Recent Developments in the AIUB-METAS Collaboration, Proc. 19^th EFTF, Besançon, F, March 21-25 2005, pp. 117-122.

Bauch A., Achkar J, Hlavac R., Lorini L., Parker T., Petit G., Uhrich P., Time and Frequency Comparisons Between Four European Timing Institutes and NIST using Multiple Techniques, Proc. 19^th EFTF, Besançon, F, March 21-25 2005, pp. 101-109.

Dach R., Beutler G., Hugentobler U., Schaer S., Schildknecht T., Springer T., Dudle G., Prost L., Time Transfer Using GPS Carrier Phase: Error Propagation and Results, Journal Of Geodesy, vol. 77, no. 1-2, pp. 1-14, 2003.