Aktualności

Czy zegarami atomowymi można poprawić pozycję odbiornika GNSS?

27-10-2023

Odbiorniki GNSS czasem są połączone z zewnętrznym zegarem atomowym. Ale czy ten zegar wpływa na poprawę wyznaczanej pozycji? Czy tylko służy do precyzyjnego transferu czasu? Na te pytania postanowi odpowiedzieć naukowcy z IGiG UWPr w najnowszym artykule w GPS Solutions. Okazuje się, że pozycja odbiornika może zostać poprawiona od 18 to 31% jeśli odbiornik GNSS zostanie podłączony do masera wodorowego. Rozwiązanie to wymaga wprowadzenia do obliczeń modelu stabilności zegara odbiornika np. modelu stochastycznego opartego o błądzenie losowe. Takie rozwiązanie proponują naukowcy z IGIG, żeby poprawić wyznaczoną pozycję odbiorników GNSS.

Jakość wyznaczenia pozycji w oparciu o Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne (ang. Global Navigation Satellite Systems, GNSS), takich jak GPS (G), GLONASS (R), Galileo (E) i Beidou (C) zależna jest między innymi od jakości stabilności zegarów naziemnych odbiorników GNSS. W oparciu o cztery typy zegara: wewnętrzny kwarcowy i zewnętrzne atomowe: rubidowy, cezowy, maser wodorowy, to właśnie ten ostatni jest najbardziej stabilny w zakresie transferu czasu i częstotliwości. W technice precyzyjnego pozycjonowania punktów (ang. Precise Point Positioning, PPP) parametr zegara nie może być wyeliminowany, dlatego jego dokładność ma wielkie znaczenie w pozycjonowaniu.

Wykorzystując wyselekcjonowane stacje Międzynarodowej Służby GNSS (ang. International GNSS Service, IGS) przeprowadzone zostały analizy z dodatkowym zawarunkowaniem na parametry zegara w rozwiązaniach multi-GNSS PPP i Galileo PPP dla statycznego i kinematycznego trybu pomiaru. Warunek ten obejmował proces stochastyczny Markowa z zawarunkowaniem na błądzenie losowe (ang. random walk, RW). Sam parametr zegara wyznaczano jako wspólny zegar dla systemu GPS oraz odchylenie międzysystemowe (ang. inter-system bias, ISB) do systemów GLONASS, Galileo, BeiDou (G+ISB). Wszelkie obliczenia wykonano w oprogramowaniu GNSS-WARP (Wrocław Algorithms for Real-Time Positioning).

Rozwiązania PPP w trybie kinematycznym
Dokładniejsze wyniki modelowania stochastycznego zegara można uzyskać dla stacji wykorzystujących stabilny maser wodorowy. W tym przypadku modelowanie stochastyczne miało korzystny wpływ na rozwiązania kinematyczne dla stacji AMC4, BRUX, CRO1 i PTBB. Modelowanie zegara spowodowało zmniejszenie szumu dla szacowanego zegara lub wspólnego zegara odpowiednio w rozwiązaniach Galileo i multi-GNSS. W związku z tym składowe współrzędnych północnych (ang. North, N), wschodnich (ang. East, E) i wysokościowych (ang. Up, U) zostały również ustabilizowane w kinematycznych rozwiązaniach PPP poprzez modelowanie parametrów zegara. W przypadku systemu Galileo najkorzystniejszym ograniczeniem błądzenia losowego jest 20 mm (Rys. 1), natomiast w przypadku multi-GNSS jest to 15 mm (Rys. 2). Poprawa współrzędnych horyzontalnych jest marginalna, ale nastąpiła znaczna poprawa składowej wysokościowej. Stacja CRO1 osiągnęła najbardziej znaczącą poprawę o 29% zarówno dla Galileo, jak i multi-GNSS, między rozwiązaniami z wykorzystanym modelowaniem oraz bez stochastycznego modelowania zegara. W przypadku stacji AMC4, BRUX i PTBB poprawa waha się od 18 do 31% z różnymi wynikami dla rozwiązań Galileo PPP i multi-GNSS PPP. Warto podkreślić, że jeśli stacja nie dysponuje dokładnym zegarem atomowym, to wprowadzenie warunków na zegar odbiornika wiąże się ze znacznym pogorszeniem jakości rozwiązania GNSS.


Rys. 1 Wartości rozstępu międzykwartylowego (IQR) dla wyznaczanych współrzędnych w strategiach RWG (modelowanie zegara z różnymi warunkami) i RV (bez modelowania zegara - rozwiązanie referencyjne zazwyczaj wykorzystywane w pozycjonowaniu GNSS) dla każdej stacji w rozwiązaniach Galileo PPP w trybie kinematycznym


Rys. 2 Wartości IQR dla wyznaczanych współrzędnych w strategiach RWG i RV dla każdej stacji w rozwiązaniach multi-GNSS PPP w trybie kinematycznym

Rozwiązania PPP w trybie statycznym
W statycznym rozwiązaniu PPP wyniki uzyskane z modelowania stochastycznego zmniejszają szum dla parametrów zegara. Rozwiązania z ograniczeniami wykazują dokładniejszą stabilność krótkoterminową i wyniki transferu czasu dla systemu Galileo (Rys. 3) oraz zarówno stabilność krótkoterminową, jak i długoterminową dla rozwiązań multi-GNSS (Rys. 4). Modelowanie zegara w statycznych rozwiązaniach PPP nie wpływa znacząco na stabilizację współrzędnych w porównaniu z rozwiązaniem referencyjnym, ale poprawia wynik transferu czasu i częstotliwości pomiędzy odbiornikami GNSS.


Rys. 3 Analiza stabilności parametrów zegara z wykorzystaniem MDEV dla strategii RWG i RV dla rozwiązań Galileo PPP w trybie statycznym z wyłączeniem pierwszych 4 godzin z każdego dnia tygodnia


Rys. 4 Analiza stabilności parametrów zegara z wykorzystaniem MDEV dla strategii RWG i RV dla rozwiązań multi-GNSS PPP w trybie statycznym z wyłączeniem pierwszych 4 godzin z każdego dnia tygodnia

Więcej na temat poprawy pozycji odbiornika w oparciu o systemy GPS, GLONASS, Galileo i BeiDou oraz zewnętrzne zegary atomowe można znaleźć w artykule:

Mikoś, M., Kazmierski, K., Hadas, T., Sośnica, K. (2024). Stochastic modeling of the receiver clock parameter in Galileo-only and multi-GNSS PPP solutions, GPS Solutions 28, 14. https://doi.org/10.1007/s10291-023-01556-9