Geodeci z UPWr o dokładności zegarów Galileo

Zegary atomowe na satelitach europejskiego systemu nawigacji Galileo są tak dokładne, że poprawiają błędne pozycje – piszą w swojej analizie naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

W ich najnowszym artykule opublikowanym w czasopiśmie „GPS Solutions” naukowcy przedstawiają, w jaki sposób ultra-dokładne zegary atomowe mogą poprawić błąd całkowity w pozycjonowaniu satelitarnym i nawigacji. Dotychczas nie było to możliwe ani w przypadku systemu GPS, ani też GLONASS, a to ze względu na niską dokładność pokładowych zegarów atomowych. Satelity Galileo wyposażone są natomiast w bardzo stabilne zegary atomowe: masery wodorowe oraz zegary rubidowe. Zegary te są tak dokładne, że można nimi poprawiać błędy w pozycji satelity. Pomimo tego, że błąd całkowity sygnału z uwzględnieniem pozycji i czasu powinien wzrastać, spada on z poziomu 2,2 cm do 1,6 cm po wykorzystaniu zegarów atomowych Galileo.

W ocenie autorów artykułu rezultat ten jest bardzo zaskakujący, gdyż na etapie tworzenia systemów satelitarnych nie planowano korygowania błędnej pozycji odczytami z zegarów atomowych. Błąd całkowity sygnału Galileo wynosi 1,6 cm i jest on obecnie najdokładniejszy spośród wszystkich systemów nawigacyjnych. Dla porównania: w przypadku GPS wynosi on 2,3 cm, a GLONASS – 5,2 cm. Tym samym europejski system Galileo już teraz gwarantuje najwyższą jakość sygnału, pomimo braku jeszcze kilku satelitów w konstelacji.

Błąd orbity i zegara

Pozycjonowanie z wykorzystaniem satelitów nawigacyjnych bazuje na pomiarze różnicy czasu wysłania sygnału przez satelitę oraz momentu odbioru tego sygnału. Do wyliczenia pozycji odbiornika niezbędna jest zatem znajomość dokładnej pozycji satelity w momencie wysłania sygnału oraz czasu emisji wyznaczonego przez pokładowy zegar atomowy. Błąd zegara lub pozycji satelity przekładają się bezpośrednio na błąd wyznaczenia pozycji odbiornika GNSS. Wielkością, która pozwala ocenić, w jaki sposób błąd pozycji satelity i błąd zegara przekładają się na błąd sygnału w przestrzeni, jest tzw. parametr SISRE (signal-in-space ranging error). SISRE składa się z dwóch części: błędu pozycji satelity (błąd orbity) oraz błędu zegara.

SISRE całkowite zawierające błędy pozycji satelity i zegara jest mniejsze dla systemu Galileo niż SISRE samej pozycji. Oznacza to, że zegar atomowy swoimi odczytami skutecznie koryguje błędy systematyczne w wyliczonej pozycji. Zazwyczaj błędy powinny się dodawać zgodnie z regułą przenoszenia się błędów średnich opracowaną przez Gaussa. W przypadku systemu GLONASS błąd sygnału satelity zwiększa się z poziomu 3,9 cm (błąd samej pozycji) do 5,1 cm (błąd pozycji i zegara). Jednakże odczyty zegarów pokładowych mogą mieć podobną wartość co błąd pozycji satelity, tylko przeciwny znak w przypadku bardzo dokładnych zegarów. Pozycja i zegar są silnie ze sobą skorelowane w obliczeniach wpływu całkowitego na sygnał satelitarny. Tak się dzieje w przypadku satelitów Galileo, gdzie zegar poprawia orbitę. Podobnie dzieje się też w chińskim satelitach BeiDou IGSO, ale błąd całkowity pozostaje na poziomie 3,9 cm.

Wyniki badań naukowców z IGiG są sporym zaskoczeniem oraz stanowią ważny krok w zrozumieniu sposobu działania oraz przyszłości satelitarnych systemów nawigacyjnych.

Pozycjonowanie z wykorzystaniem zegarów

Dotychczas zegary na pokładzie satelitów nawigacyjnych były tak niedokładne, że stosowano różne metody eliminacji ich błędów. Przykładowo, w geodezji satelitarnej do zakładania osnów stosuje się pojedyncze lub podwójne różnicowanie obserwacji GNSS celem eliminacji błędów zegara odbiornika i satelity. System Galileo otwiera nowe możliwości wykorzystania zegarów atomowych, które nie tylko nie zwiększają błędów całkowitych, ale również poprawiają błędy zawarte w wyliczonej pozycji satelity. Wyniki badań opisane w artykule wyraźnie wskazują, że w przyszłości obserwacje satelitarne nie powinny być różnicowane między sobą, gdyż traci się w ten sposób cenną informację na temat ultra-precyzyjnych zegarów atomowych, które skutecznie poprawiają jakość rozwiązań GNSS.

Więcej informacji na ten temat oraz o ewolucji zmian dokładności orbit i zegarów systemów GPS, GLONASS, Galileo i BeiDou można znaleźć w artykule pt. „Evolution of orbit and clock quality for real-time multi-GNSS solutions” opublikowanym w czasopiśmie „GPS Solutions”. Autorami publikacji są: Kamil Kazmierski, Radosław Zajdel oraz Krzysztof Sośnica.

Źródło: IGiG, JK