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Analyse des Einflusses hochgenauer externer Uhren auf die GNSS-Auswertung

Analyse des Einflusses hochgenauer externer Uhren auf die GNSS-Auswertung

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. Steffen Schön
E-Mail:  schoen@ife.uni-hannover.de
Team:  Dipl.-Ing. Ulrich Weinbach
Jahr:  2011
Datum:  15-01-11
Förderung:  QUEST
Ist abgeschlossen:  ja

Im Rahmen des Exzellenzclusters (QUEST) arbeitet das Institut für Erdmessung seit April 2008 an Untersuchungen zur Anwendung hochgenauer Oszillatoren in der Satellitennavigation. Diese Arbeiten stehen in Zusammenhang mit der Entwicklung neuartiger optischer Atomuhren durch andere Gruppen des Exzellenzclusters. Gegenüber herkömmlichen Atomuhren, die auf Übergangsfrequenzen im Mikrowellenbereich basieren, arbeiten optische Uhren mit Frequenzen im Bereich des sichtbaren oder ultra-violetten Lichts. Es wird erwartet, dass durch die Verwendung der höheren optischen Frequenzen die Stabilität der besten derzeit verfügbaren Mikrowellen-Atomuhren (Wasserstoff-Maser) um den Faktor 100 verbessert werden kann.

Hochgenaue Uhren an Bord der GNSS-Satelliten sind eine Grundvoraussetzung für die Positionierung in Echtzeit, da nur so der Signalsendezeitpunkt in der System-Zeitskala mit ausreichender Genauigkeit vorhergesagt werden kann. Die Genauigkeit der derzeit vorhandenen Satellitenuhren reicht jedoch nur für die Positionierung mittels Code-Beobachtungen und nicht für die viel präziseren Trägerphasenmessungen. Außerdem muss der Uhrfehler im Empfänger für jede Beobachtungsepoche durch einen zusätzlichen Parameter bei der Positionsbestimmung berücksichtigt, was zu einer Verschlechterung der Höhenkomponente bei der GNSS Positionierung führt. Mit der Entwicklung hochgenauer optischer Frequenznormale ergeben sich neue Möglichkeiten zur Parametrisierung der Satelliten- und Empfängeruhren bei der die zusätzliche Information über die Frequenzstabilität der Oszillatoren optimal genutzt werden kann.

Bereits Ende 2008 wurden in Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) umfangreiche Testmessungen mit unterschiedlichen Empfängern durchgeführt um die technische Machbarkeit der Uhrmodellierung nachzuweisen. Dazu wurde die zeitliche Stabilität der Signalverzögerung innerhalb der Empfängerelektronik eingehend untersucht. Dabei zeigte sich, dass durch eine geeignete Wahl der Antennenkabel und eine gute Temperaturstabilisierung der Empfängerumgebung die notwendige zeitliche Konstanz der Signalverzögerungen erreicht werden kann.

Ein weiterer Erfolg war die Implementierung und Validierung eines vollständigen "Precise Point Positioning" (PPP) Moduls in MATLAB. Damit sind die Voraussetzungen zum Testen unterschiedlicher Ansätze zur Uhrmodellierung innerhalb der GNSS-Auswertung gegeben. Erste Tests sowohl mit simulierten als auch realen Daten liefern bereits sehr positive Resultate. Insbesondere die Höhenkomponente bei der kinematischen Positionierung kann durch eine geeignete Uhrmodellierung deutlich verbessert werden.

Darüber hinaus wurde die mathematische Simulation stochastischer Rauschprozesse wie sie in Atomuhren typischerweise auftreten erfolgreich erprobt. Damit ist nun auch die Simulation von Uhren möglich, die noch nicht operationell verfügbar sind aber deren Frequenzstabilität bereits bekannt ist.
Für das kommende Jahr soll die Uhrmodellierung systematisch weiter optimiert werden und der Einfluss auf die Schätzung von Troposphärenparametern analysiert werden.

Möglicherweise können auch neue Experimente durchgeführt werden bei denen die hochpräzise faser-optische Verbindung zwischen der PTB und dem Institut für Quantenoptik (IQ) in Hannover zum Einsatz kommt. Erste Testmessungen konnten bereits im zurückliegenden Jahr mit Erfolg durchgeführt werden.