Könnte ein Satellit eine Miniatur-Atomuhr (MAC) verwenden, um GPS-Dienste bereitzustellen?

Ich habe GPS-Satelliten untersucht und bin neugierig auf Atomuhren an Bord geworden. Ich habe das folgende Papier über das Konzept einer CubeSat-GPS-Konstellation mit Chip-Scale-Atomuhren gefunden, und obwohl die Allan-Abweichung gut genug ist, wie in dem Papier erwähnt, beträgt die Alterungsrate der Uhr 9E-10 / Monat, was wenn Ich täusche mich nicht, würde den Satelliten nach einem Monat ziemlich unbrauchbar machen.

Ich habe gesucht und festgestellt, dass Microsemi eine MAC oder Miniatur-Atomuhr herausgebracht hat , die zwar etwas größer als die CSAC ist, aber eine Alterungsrate von 5E-11 / Monat aufweist .

Bedeutet dies, dass es für einen GPS-Satelliten verwendet werden könnte, der etwa ein Jahr lang funktioniert, oder übersehe ich etwas? Wäre der Stromverbrauch Ihrer Meinung nach zu hoch für einen CubeSat?

"...würde den Satelliten nach einem Monat ziemlich nutzlos machen." Verlassen sich GPS-Satelliten einen Monat lang ausschließlich auf ihre innere Uhr, oder bekommen sie regelmäßig „Coaching“ (Korrekturen) von Bodenstationen?
@uhoh physical.stackexchange.com/a/575117/123208 erwähnt, dass die GPS-Satellitenuhren "(gelegentlich) von einer Bodenstation (Schriever Air Force Base, Colorado) eingestellt werden, letztendlich basierend auf der Hauptuhr des US Naval Observatory". . Ich denke, Sie müssten den Kaninchenbau von gps.gov/technical erkunden , um herauszufinden, wie oft diese Anpassungen vorgenommen werden.
GPS-Satelliten verwenden bereits Atomuhren, so funktioniert das System. Diese Frage ist nicht klar.
@PM2Ring "die GPS-Satellitenuhren "werden (gelegentlich) von einer Bodenstation eingestellt " Tatsächlich werden die Uhren einmal pro Tag mit drei Bodenstationen eingestellt. Nicht nur die Uhr sollte eingestellt werden, sondern auch die Satellitenposition, also drei statt einer Bodenstation Die tatsächliche Satellitenposition sollte sehr genau bekannt sein.
@GdD Das OP fragt nach der Machbarkeit einer CubeSat-basierten Alternative zu GPS unter Verwendung von Chip-basierten Atomuhren.
Soweit ich weiß, werden Uhren normalerweise von einer Bodenstation aus korrigiert. Ich dachte daran, wie lange es ohne eine Bodenstation mit einer MAC funktionieren würde, die eine bestimmte (kleinere, effizientere) Art von Atomuhr ist. Die Position ist ein separates Problem, da GPS-Satelliten eine Genauigkeit von <1 m erfordern und der CubeSat dies mit Star Trackern einer anderen Form von Positionsbestimmungssystem gleichsetzen müsste, aber diese Frage betrifft die Zeitmessung.
Das von Ihnen verlinkte Papier besagt, dass die Cubesat-Uhren stündlich aktualisiert werden müssten, um eine Genauigkeit von 10 Metern zu erzielen.
Es gibt potenzielle technische Probleme mit diesem Papier. Zum Beispiel, wenn es heißt "man kann mit drei Satelliten davonkommen, wenn nur eine Positionsbestimmung notwendig ist" (siehe §2.1). Die Verwendung der Allan-Abweichung zur Berechnung des Zeitlimits für die Uhrenkorrektur ist ein weiterer zweifelhafter Ansatz. Die Diskussion über die Ionosphäre des Mondes ist bedeutungslos, ohne zu prüfen, welche Frequenzen für das Mond-GNSS verwendet werden sollen.
Kennen Sie Uhrenspezifikationen (und wie Uhreninstabilitäten in einem GNSS-System gehandhabt werden)?

Antworten (2)

Wenn wir wollen, dass der übliche GPS-Positionsfehler weniger als 10 m beträgt, sollten wir die Zeit kennen, die Licht oder eine Mikrowelle benötigen, um diese Entfernung zurückzulegen. Die Lichtgeschwindigkeit ist 3 ∗ 10 8 M / S , also brauchen wir für 10 m 33,3 Nanosekunden. Um eine Entfernung zu messen, misst GPS die Zeit, die das Licht für diese Entfernung benötigt. Um besser als 10 m Positionsfehler zu sein, sollte der Taktfehler kleiner als 33,3 ns sein. Die GPS-Satellitenuhren werden einmal pro Tag ausgerichtet, sodass wir weniger als 33,3 ns pro Tag benötigen.

Ein Tag hat 24 Stunden zu 3600 Sekunden, das sind 86400 Sekunden pro Tag. Wir teilen 33,3 ns durch 86400 Sekunden und erhalten 3.8 ∗ 10 − 13 Uhrfehler pro Tag.

Die MAC-Alterungsrate von 5 ∗ 10 − 11 pro Monat ist 1,67 ∗ 10 − 12 pro Tag. Dies ist ein Taktfehler von 144 ns anstelle der 33,3 ns, die für die 10 m benötigt werden.

So konnte der MAC von Microsemi nicht einmal einen ganzen Tag genutzt werden. Die Alterungsrate sollte 4,3-mal besser sein.

Die angegebene Alterungsrate von 5 ∗ 10 − 11 pro Monat würde zu einem Positionsfehler am Boden von 43 m statt 10 m führen.

Ich folge nicht der Logik, (a) eine Entfernungsgenauigkeit (z. B. 30 Nanosekunden) und (b) eine Uhrgenauigkeit PRO TAG gleichzusetzen. Außerdem ist ein Positionierungsfehler nicht dasselbe wie ein Entfernungsschätzungsfehler bei einem einzelnen Satelliten.
@NgPh Ich habe den Text geändert, ist er jetzt besser?
Thx für die Mühe. Ich war nicht klar. Ich hatte und tue mich immer noch schwer zu verstehen, wie eine Kurzzeitkennlinie (z. B. die Allan-Abweichung -ADEV) verwendet werden kann, um den Zeitpunkt für eine Korrektur einer langfristigen Uhrendrift zu bestimmen. Ich denke, das Papier verwendet dieselbe argumentative Argumentation, und ich denke, das ist die Wurzel der Verwirrung für das OP. CSAC-Spezifikation von Microsemi: Genauigkeit +/-5E-11 bei Versand, ADEV (tau=1000 Sek.) < 1E-11, Alterung <9E-10/Monat. Ich vermute, dass es falsch ist, ADEV zu verwenden, aber ich kann diesen potenziellen Fehler noch nicht eindeutig erläutern.
@NgPh Es ist viel einfacher als Allan Deviation. Denken Sie nur an einen kleinen, aber konstanten Frequenzfehler des 10,23-MHz-Systemtakts des Satelliten. Ein Fehler größer als 1E-12. Nur einer der Satelliten bekam diesen Fehler. Ein Delta-t-Fehler wird über die Zeit eines Tages akkumuliert. Wenn dieser kumulierte Zeitfehler beispielsweise 100 ns beträgt, erhalten wir einen Entfernungsfehler von 30 m. Der GPS-Empfänger kennt diesen Fehler nicht, wenn die Satellitenuhr um 100 ns zu spät ist, sieht es so aus, als ob das Signal aus einer größeren Entfernung gesendet wurde, 100 m mehr.
Ich verstehe. Erlauben Sie mir, Ihren Ansatz zu wiederholen: Beginnen Sie mit dem Positionsfehler, der für die Uhr EINES Satelliten budgetiert ist (z. B. 10 m). NEHMEN SIE AN, dass kurzfristige Instabilitäten vernachlässigt werden können. NEHMEN SIE AN, dass das Driftmodell zeitlich linear ist. NEHMEN SIE AN, dass die Taktverwaltungsrichtlinie auf dem Kriterium der Drift basiert, die das zugewiesene Fehlerbudget überschreitet. Ich frage das nur, um sicherzugehen, dass wir auf derselben Seite sind, aber Sie haben vielleicht vermutet, dass ich vermute, dass Ihr Ansatz falsch ist (aus Sicht eines Ingenieurs).

Ich hatte gehofft, dass das OP einige Rückmeldungen gibt, um auf derselben Seite zu sein, damit ich eine sehr kurze Antwort schreiben kann. Aber das macht nichts.

Ich werde versuchen, durch eine Analogie zu veranschaulichen, welche Fallstricke man vermeiden sollte, wenn man an Taktanforderungen in GNSS arbeitet.

Angenommen, mein Nachbar hat eine sehr teure Rolex-Uhr und ich habe meiner Frau eine billige Kopie gekauft. Dann beschwert sich meine Frau, dass sie beobachtet, dass ihre Uhr jeden Tag 1 Sekunde nachlässt im Vergleich zur Nachbarin. Nach einem Monat ist es jetzt 30 Sekunden zu spät. Sollte sie es nach einem Monat wegwerfen? NEIN! Ich würde erklären, dass sie ein sehr genaues Zeitmesssystem hat, so genau wie die Rolex unseres Nachbarn. Da ihre Uhr GENAU eine Sekunde pro Tag nachlässt, kann sie für JEDEN Tag die GENAU und gleichzeitig auf der Rolex angezeigte Zeit ableiten, und das für immer (kein Altern).

Und so funktioniert die Zeitmessung in GNSS. Sie haben einen absoluten Bezug vor Ort. Das Kontrollzentrum misst die Drift jeder Satellitenuhr in Bezug auf die Referenz und leitet dann ein Vorhersagemodell ab, um die Fehler zu kompensieren. Die berechneten Parameter des Fehlermodells werden dann vom Satelliten (zusammen mit den Ephemeriden) in den Navigationsnachrichten gesendet. Es sind diese Parameter, die bei Bedarf aktualisiert werden, nicht die Satellitenuhr an sich (die Benutzerempfänger nehmen die Korrektur vor). Alle mir bekannten GNSS-Systeme (GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU, QZSS, …) verfolgen die gleiche Strategie (und im Grunde das gleiche Vorhersagemodell).

Der Restfehler nach jeder Vorhersageaktualisierung ist auf viele verrauschte kurzfristige Faktoren zurückzuführen (aber nicht auf Drift und Alterung, solange diese noch VORHERSAGEBAR sind). Übrigens beträgt der Beitrag der Restfehler der Satellitenuhr zur Genauigkeit der Benutzerpositionierung ~ 2 m für GPS (ziviler Dienst). Andere Fehlerquellen (hauptsächlich die Ionosphäre und die Geometrie) tragen zum Rest der oft zitierten 10m-Leistung bei (ohne Mehrweg).

Könnte ein Satellit eine Miniatur-Atomuhr (MAC) verwenden, um GPS-Dienste bereitzustellen?
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