Aktualności

Zegary atomowe na satelitach Galileo są tak dokładne, że poprawiają błędne pozycje

29-08-2020

W 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. Nie było to możliwe w przypadku systemu GPS, ani też GLONASS, ze względu na niską dokładność pokładowych zegarów atomowych. Satelity systemu Galileo wyposażone są 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 na pokładzie satelitów Galileo. 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 w chwili obecnej najdokładniejszy spośród wszystkich systemów nawigacyjnych. 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 opiera się o pomiar 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 (ang. 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 koryguje skutecznie 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 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 satelitarny 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 na temat ewolucji zmian dokładności orbit i zegarów systemów GPS, GLONASS, Galileo i BeiDou można znaleźć w artykule:

Kazmierski, K., Zajdel, R. Sośnica, K. (2020) Evolution of orbit and clock quality for real-time multi-GNSS solutions. GPS Solut 24, 111 (2020). https://doi.org/10.1007/s10291-020-01026-6