156 Pages
English

Advances in GPS based time and frequency comparisons for metrological use [Elektronische Ressource] / Thorsten Feldmann

-

Gain access to the library to view online
Learn more

Description

Advances in GPS basedTime and Frequency Comparisonsfor Metrological UseVon der Fakult¨at fu¨r Mathematik und Physik derGottfried Wilhelm Leibniz Universit¨at Hannoverzur Erlangung des GradesDoktor der NaturwissenschaftenDr. rer. nat.genehmigte DissertationvonDipl.-Phys. Thorsten Feldmanngeboren am 11. Juli 1977 in Duisburg2011Referent: PD Dr. Ekkehard PeikKorreferent: Prof. Dr. -Ing. Steffen Sch¨onTag der Promotion: 29.06.2011AbstractThe global satellite navigation system GPS is the main tool for remote time andfrequency comparisons of atomic timescales and oscillators. The comparisons arerealized by referring the local timescales at both sites to the atomic clocks in thesatellites or to a common reference time by measuring a binary code transmittedby the satellites and exchanging the data afterwards. Besides measuring the codemodern GPS receivers are also capable to track the phase of the carrier frequency,but with an unknown initial number of cycles of this frequency between receiverand satellites. By combining these carrier-phase measurements with the code mea-surements and correction data calculated from a worldwide network of referencestations, the positions and the time offsets of the receivers can be estimated withhigh accuracy within a process called Precise Point Positioning (PPP).

Subjects

Informations

Published by
Published 01 January 2011
Reads 27
Language English
Document size 10 MB

Advances in GPS based
Time and Frequency Comparisons
for Metrological Use
Von der Fakult¨at fu¨r Mathematik und Physik der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universit¨at Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Thorsten Feldmann
geboren am 11. Juli 1977 in Duisburg
2011Referent: PD Dr. Ekkehard Peik
Korreferent: Prof. Dr. -Ing. Steffen Sch¨on
Tag der Promotion: 29.06.2011Abstract
The global satellite navigation system GPS is the main tool for remote time and
frequency comparisons of atomic timescales and oscillators. The comparisons are
realized by referring the local timescales at both sites to the atomic clocks in the
satellites or to a common reference time by measuring a binary code transmitted
by the satellites and exchanging the data afterwards. Besides measuring the code
modern GPS receivers are also capable to track the phase of the carrier frequency,
but with an unknown initial number of cycles of this frequency between receiver
and satellites. By combining these carrier-phase measurements with the code mea-
surements and correction data calculated from a worldwide network of reference
stations, the positions and the time offsets of the receivers can be estimated with
high accuracy within a process called Precise Point Positioning (PPP).
The main issues of this work are to provide a highly precise frequency at any
location, which can be used for other scientific applications, and the precise cal-
ibration of operational time links. In this context, the mathematical models and
the GPS receiver hardware are examined in detail from the viewpoint of time and
frequency comparisons.
Based on a passive hydrogen maser and a state-of-the-art time and frequency
transfer receiver a highly precise mobile frequency reference was realized at PTB.
Itwas carried totheInstitute ofQuantum Optics (IQO)attheLeibniz Universit¨at
Hannover(LUH)andisusedasthereferencesourceintheframeworkofdeveloping
opticalclocks. The evaluation ofthe performance ofthe passive maser atPTB and
at LUH is shown. Due to PPP the maser located at LUH can be referenced to
4PTB’s primary standards at an averaging time of 10 s with the help of PPP at a
−14relative frequency instability of better than 10 .
GPStimeandfrequencycomparisonisaone-waytechnique,sincesignalsareonly
transmitted by the satellites and received on the ground. Thus, physical influences
occuring olong the signal path and relativistic effects on the satellite clocks have
to be corrected by mathematical models. Different PPP software packages are
analyzed in view of all parameters which have to be estimated. The influence of
the models is studied in detail by using only the carrier-phase measurement on
baselines with different lengths. This is possible, if the ambiguous carrier-phase
measurement does not deviate too much from the code measurement.
Subsequently, different receivers are analyzed in view of long and short term
stability. The requirements on the equipment for time and frequency transfer
are outlined and new concepts for improvements are proposed. The first GPScommon-clock measurement between the remote sites PTB and IQO is shown.
The local clocks at PTB and IQO are canceled out by comparing the GPS data to
the measurements using an optical fiber which is operated for frequency transfer
between these institutes.
Finally, calibrations of operational GPS links used by the International Bureau
for Weights and Measures (BIPM) for the realization of the international atomic
time scale (TAI) by means of a traveling GPS receiver are demonstrated. An
uncertainty at the level of1ns was achieved thanks toemploying a state-of-the-art
receiver. Based on such a receiver and a time interval counter a new setup for link
calibration was realized at PTB, which further reduces the uncertainty.
Keywords: Time Comparisons, Frequency Comparisons, GPSZusammenfassung
Das globale Satellitennavigationssystem GPS ist das wichtigste Instrument zum
Vergleich entfernter atomarer Zeitskalen und Oszillatoren. Der Vergleich wird rea-
lisiert durch die Referenzierung der lokalen Zeitskalen auf beiden Seiten zu den
Atomuhren in den Satelliten oder zu einer gemeinsamen Referenzzeit, indem ein
von den Satelliten ausgesendeter bina¨rer Code gemessen wird und die Messdaten
anschließendausgetauschtwerden.NebenderCodemessungkonnenmoderneGPS-¨
Empfa¨nger auch die Tra¨gerphase nachverfolgen, allerdings ohne die anf¨angliche
Zahl der Zyklen dieser Phase zwischen Satelliten und Empfanger zu kennen. In-¨
dem diese Tragerphasenmessung mit der Codemessung und Korrekturdaten eines¨
weltweiten Netzwerkes von Referenzstationen kombiniert wird, ko¨nnen die Posi-
tionen und die Zeitbasis der Empfanger mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.¨
Dieser Prozess wird ”Precise Point Positioning” (PPP) genannt.
DieHauptfragestellungendieserArbeitsinddieBereitstellungeinerhochprazisen¨
Frequenz an jedem beliebigen Ort, die fu¨r Forschungszwecke genutzt werden kann,
sowie die prazise Kalibrierung von Zeitverbindungen. In diesem Zusammenhang¨
werden auch die mathematischen Modelle und die GPS Empfa¨nger vom Stand-
punkt der Zeit- und Frequenzvergleiche her analysiert.
Aufbauend auf einem passiven Wasserstoffmaser und einem modernen Zeit- und
Frequenzempfa¨nger wurde an der PTB eine hochpr¨azise transportable Frequenzre-
ferenz realisiert. Diese wurde zum Institut fur Quantenoptik (IQO) an der Leibniz¨
Universita¨t Hannover (LUH) gebracht und dient dort als Referenz bei der Ent-
wicklung optischer Uhren. Die Ermittlung der Betriebseigenschaften des passiven
Masers an der PTB und an der LUH wird gezeigt. Mit Hilfe des PPP-Verfahrens
4kann der Maser an der LUH mit einer Mittelungszeit von 10 s an die primaren¨
Frequenznormale der PTB angebunden werden.
GPS Zeit- und Frequenzvergleiche sind eine Einwegtechnik, da Signale nur von
denSatellitenausgesendetwerdenundamBodenempfangenwerden.Dahermussen¨
physikalische Einflu¨sse auf den Signalweg und relativistische Effekte auf die Sa-
tellitenuhren durch mathematische Modelle korrigiert werden. Verschiedene PPP-
Softwarepakete werden im Hinblick auf alle zu bestimmenden Parameter unter-
sucht. Der Einfluss der Modelle wird detailliert untersucht, indem nur die Trager-¨
phasenmessung aufBasislinien verschiedener La¨ngebenutzt wird. Diesist m¨oglich,
wenn die mehrdeutige Tragerphasenmessung nicht zu sehr von der Codemessung¨
abweicht.Anschließend werden verschiedene Empfanger im Hinblick auf Kurz- und Lang-¨
zeitstabilita¨t untersucht. Die Anforderungen an die Gera¨te im Rahmen von Zeit-
und Frequenzvergleichen werden deutlich gemacht und neue Konzepte zur Verbes-
serung werden vorgeschlagen. Das erste GPS-Experiment mit gemeinsamer Refe-
renz zwischen den entfernten Orten PTB und LUH wird vorgestellt. Die Einflusse¨
der lokalen Uhren an der PTB und an der LUH werden durch den Vergleich der
GPS-DatenmitdenMessungeneineroptischenFaser,diezurFrequenzubertragung¨
zwischen diesen Instituten dient, beseitigt.
Schlussendlich wird die Kalibrierung von GPS Verbindungen, die vom interna-
tionalen Buro fur Maß und Gewicht zur Realisierung der internationalen Atomzeit¨ ¨
TAI ausgewertet werden, mithilfe eines reisenden GPS Empf¨angers gezeigt. Durch
die Verwendung eines modernen Empfangers liegt die Unsicherheit im Bereich von¨
1 ns. Basierend auf einem solchen Empf¨anger und einem Zeitintervallza¨hler wurde
an der PTB ein neuartiger Aufbau entwickelt, mit dem die Unsicherheit weiter
reduziert werden kann.
Stichworte: Zeitvergleiche, Frequenzvergleiche, GPSContents
List of Acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
1. Introduction 1
2. State-of-the-Art in remote Time and Frequency Comparisons 5
2.1. Characterization of Frequency Instabilities . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Today’s remote Time and Frequency Comparison Methods . . . . . 7
2.3. GPS and Time and Frequency Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1. Brief GPS System Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2. Coordinate Systems and Satellite Motion . . . . . . . . . . . 13
2.3.3. Observation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4. Time and Frequency Transfer Receivers . . . . . . . . . . . . 15
2.4. Signal Delays and Correction Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1. Atmospherical Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2. Relativistic Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.3. Multipath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4. Site Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.5. Other Delay Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5. The International GNSS Service (IGS) . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6. Precise Point Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.7. GPS and UTC Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3. A Highly Precise Mobile Frequency Reference 34
3.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3. Performance of the passive Hydrogen Maser . . . . . . . . . . . . . 36
3.4. Performance of the GTR50 Time and Frequency Transfer Receiver . 39
3.5. Installation of the Frequency Reference at the IQO . . . . . . . . . 40
4. Software Assessment 44
4.1. Common-Clock quasi zero Baseline Experiments . . . . . . . . . . . 44
4.2. Disconcontinuous measurement data and drifts . . . . . . . . . . . . 47
4.3. Clock comparisons and PPP parameters . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1. Software and Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2. Time Scale Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
v4.3.3. Position Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.4. Troposphere Zenith Path Delay Estimates . . . . . . . . . . 56
4.4. Code free Carrier-Phase Frequency Comparisons . . . . . . . . . . . 58
4.4.1. Description of the Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2. Application to different Baselines . . . . . . . . . . . . . . . 62
5. Hardware Experiments 67
5.1. Performance of Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.1. Instability of Time and Frequency Receivers . . . . . . . . . 68
5.1.2. QUEST Experimental Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.3. Temperature Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2. Suggestions for Improvements in Frequency Transfer . . . . . . . . . 73
5.2.1. Phase Comparator Measurements . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.2. Stabilization of Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3. The first Long Baseline Common-Clock Experiment . . . . . . . . . 76
6. Relative Calibration of TAI links 80
6.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2. Description of the Calibration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1. CV versus AV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.2. Code Based Time Transfer and Position Errors . . . . . . . 86
6.2.3. PPP and Antenna Phase Center Corrections . . . . . . . . . 88
6.2.4. Data Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3. Uncertainty Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.4. PTB’s Calibration Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5. METAS-PTB Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.6. USNO-PTB Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.7. Suggestions for further Reductions of the Uncertainty . . . . . . . . 115
7. Summary and Outlook 117
Appendix 119
A. Mathematical Description of the Coordinate Systems . . . . . . . . 119
B. Mathematical Description of the Satellite Motion . . . . . . . . . . 121
C. CGGTTS Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
D. RINEX Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
E. P3 linear combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
F. Brief Derivation of Relativistic Corrections . . . . . . . . . . . . . . 127
G. Estimation of the Ephemerides of Sun and Moon . . . . . . . . . . 129
H. BIPM’s Circular T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Bibliography 134
viList of Acronyms
1 PPS one pulse per second signal
ADEV Allan Deviation
AV all-in-view
BIPM Bureau international des poids et mesures
C/A-code coarse/aquisition code
CCD common-clock difference
CCTF Consultative Committee for Time and Frequency
CGGTTS CCTF Working Group on GPS and GLONASS Time Transfer Stan-
dards
CV common-view
dCCD difference between two CCDs
DMTD dual mixer time difference technique
FR fixed receiver
GLONASS Global Navigation Satellite System, Russian GNSS system
GNSS Global Navigation Satellite System
GPS Global Positioning System, US GNSS system
IERS International Earth Rotation and Reference Systems Service
IfE Institut fu¨r Erdmessung, geodetic institute at the LUH
IGS International GNSS Service
ITRF International Terrestrial Reference Frame
IQO Institute of Quantum Optics at the LUH
LUH Leibniz Universit¨at Hannover
METAS Swiss FederalOffice ofMetrology, operatingthetimescale UTC(CH)
viiMDEV Modified Allan Deviation
NICT JapaneseNationalInstituteofInformationandCommunicationsTech-
nology, operating the timescale UTC(NICT)
MJD Modified Julian Day
NRCan Natural Resources Canada
ODEV Overlapping Allen Deviation
ORB ObservatoireRoyaldeBelgique, operatingthetimescale UTC(ORB)
P-code precision code
PPP Precise Point Positioning
PRN pseudorandom noise
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt,operatingthetimescaleUTC(PTB)
PZ-90 Russian Earth parameter system 1990
QUEST Centre for Quantum Engeneering and Space-Time Research
RINEX Receiver Independent Exchange Format
ROA Real Instituto y Observatorio de la Armada, Spanish institute oper-
ating the timescale UTC(ROA)
SD standard deviation
TAI temps atomique international
TDEV Time Deviation
TR travelling receiver
TIC time interval counter
TWSTFT Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer
UFE CzechInstituteofPhotonicsandElectronics, operatingthetimescale
UTC(TP)
USNO UnitedStatesNavalObservatory,operatingthetimescaleUTC(USNO)
UTC Coordinated Universal Time
WGS84 World Geodetic System 1984
viii