כיול מקלטי GPS – מדוע הוא חשוב?

1. ד"ר נדיה גולדובסקי תוכן עניינים מבוא שיטות של העברת הזמן והתדר חשיבות הכיול של מקלטי ה - GPS כיול מקלטי GPS במעבדה הלאומית לפיזיקה מסקנות כיול מקלטיGPS – מדוע הוא חשוב?

2. Two Main Types of GPS Receivers GPS RECEIVERS GPS FOR NAVIGATION AND POSITIONING GPS FOR TIME AND FREQUENCY TRANSFER

3. GPS Receiver and Satellite coordinates

4. GPS for Navigation

5. GPS Receivers for Time and Frequency Transfer 5 MHz, 10 MHz 1 PPS - PULSE PER SECOND 1.544 MHz, 2.048 MHz

6. GPS Satellite Signals

7. העברת זמן ותדר חד-צדדית –One way השקפה משותפת חד-ערוצית – Single-channel common view השקפה משותפת רב-ערוצית– Multi-channel common-view פזה נושאת – Carrier phase העברת דו-צדדית – Two way GPS Time and Frequency Transfer

9. GPS Common View Time Transfer

10. Differential GPS Positioning

11. Two Way Time Transfer

12. The basic equationfor GPS measurements • P = +d+c(dt-dT)+Ion+ Tr +P+mult + c T, (1) where  is the geometric range; d is the orbital error; dt, dT are the satellite and receiver clock errors; Ion is the ID; Tr is the TRD; P is the receiver code noise; mult is the multipath error •  = [(Xs-Xr)2+(Ys-Yr)2+(Zs-Zr)2]1/2 (2)

13. שגיאות בחישובים של מסלולי הלווינים – 1 – 3 m ( 3 –10 ns) אי-ודאות של שעונים הנמצאים בלווינים – 1 – 3 m ( 3 – 10 ns) אי-ודאות בזמן העיכוב ביונוספירה – 15 – 30 m ( 50 – 100 ns) אי-ודאות בזמן העיכוב בטרופוספירה –( 3 – 10 ns) 1 – 3 m שגיאה שקשורה להחזרת של גל אלקטרומגנטי מהמכשולים השונים בכדור הארץ –1 – 10 m (3 – 33 ns) רעש אלקטרוני של קוד-C/A – 1-10 ns, של קוד-P – 0.1 – 1 ns או רעש של פזה נושאת – 10 ps אי-וודאות מקלט ה-GPS שגיאות בהשפעות של הגורם האנושי אי-וודאות של המדידות בסיוע GPS

14. אי-וודאות של מקלט GPS כוללת: אי-ודאת של מתנד פנימי שגיאות תוכנה המעבדת נתונים המתקבלים מהלוונים רעש אלקטרוני אי-ודאות בזמן עיכוב באנטנה, בקבלים של אנטנה ובמקלט ה-GPS כל המרכיבים האלה מובילים לסטיית התדר מהערך נומינלי וגם לסטיית סקאלת הזמן מסקאלת הזמן UTC שהיא יכולה להיות יחסית גדולה. אי-ודאות של מקלט GPS

15. אי-ודאות של מקלט GPS - המשך • מכיוון שכל לווין נמצא במקום שאפשר להשיג אותו רק זמן מוגבל, מקלטי ה-GPS צריכים לפרקים להחליף לווינים בקבוצה שמתחשבת בהגדרת זמן ותדר מדויקים. לעתים קרובות החלפת לווינים בקבוצה גורמת לשינויים בתדר הסופי שמתקבל על-ידי מקלט GPS. • מקלטים שונים מקליטים מספר שונה של לווינים. יש כאלה שמקליטים רק 4 לווינים, ויש כאלה שמקליטים 12 לווינים. בגלל נסיבות אלה ייתכן ששני סוגי מקלטים GPS שונים יתנו תוצאות שונות אפילו אם הם נמצאים באותו מקום ומחוברים לאותה אנטנה.

16. אי-ודאות של מקלט GPS - המשך • מקלטי ה-GPS השונים מתחשבים בשיבושים של שידורי תקשורת בצורה שונה. יש תנאים שבהם כל מקלט GPS יכול לאבד את המעכב אחרי הלווין, לדוגמה בשל שיבושים חריפים ביונוספירה. • אי-ודאות של התדר עבור מקלטי ה-GPS גדולה יותר מאשר זו של השעון האטומי Cs גם לטווח זמן קצר (1 – 1000 s) וגם לטווח זמן של שבועיים. לטווח זמן של שבועיים היא משתנת בתחום – • 10-11 - 5x10-13. • אי-וודאות התדר של שעון אטומי Cs של מל"פ מהווה ערך 10-14 לאורך תקופה של שבועיים. דיוק כזה גבוה מאפשר לבצע כיול מקלטי ה-GPS מול השעון האטומי Cs של המל"פ.

17. מטרות הכיול של מקלטי GPS • להגדיר את האי-ודאויות של התדרים וסטייתם יחסית לסטנדרט בינלאומי UTC. • סטיית סקאלת הזמן שלהם מהסקאלה UTC • במל"פ מתבצעים כיולים של מקלטי GPS מול שעון אטומי Cs עם אי-וודאות לתדר ברמה 10-14 ולזמן ברמה – 10 ns. • כיול של מקלט ה-GPS כולל כיול של התדר שלו וכיול של סקאלת הזמן שלו

18. Block Diagram of GPS Receiver Calibration System Commut Distrib. 5 MHz Processor 1 pps 5 MHz Start Stop Distrib. 1 PPS 5 MHz 1 pps 5 MHz GPS Receiver ICR 5 MHz HP 5071A Cs-Clock 1 pps 5MHz Time Interval Counter Start Stop PC1 UUT GPS Receiver 1 pps Generator PC2

19. תוצאות הכיול

20. מסקנות • כיול מקלטי GPS מסחריים מתבצע במעבדה הלאומית לפיזיקה מול אב המידה לזמן, שעון אטומי Cs. • תעודות הכיול שמונפקות על-ידי המל"פ מקובלות בכל 53המדינות שחתמו במסגרת אמנת המטר על ההסכם הכרה הדדית (MRA) בתעודות כיול ומדידה.

21. כיול קבלים במעבדה הלאומית לפיזיקה • במעבדה הלאומית לפיזיקה הוקמה מערכת לכיול קבלים סטנדרטיים. המערכת מתבססת על גשר למתח חילופין מסוג Gen. Rad. Type 1620 . • הכיול מתבצע מול קבלים סטנדרטיים מסוג Gen. Rad. Type 1404B, 1404C מכוילים עם אי-וודאות 0.3 ppm , ו- 0.5 ppm בהתאם. כיול הקבלים הסטנדרטיים התבצע במשרד הבינלאומי למידות ומשקלות (BIPM) בפאריס. • המערכת מאפשרת לבצע כיולים קבלים בתחום מ- 1 pF עד 1 F עם תדר שונה (מ- 200 Hz עד 10 kHz) וגם עם מתח שונה (מ- 1 V עד 100 V).

22. כיול קבלים במעבדה הלאומית לפיזיקה

23. GPS Positioning Uncertainties and Signals

24. UTC(A)-UTC(B)=[UTC(A)-GPS-dSA] – [UTC(B)-GPS-dSB]= UTC(A) - UTC(B) – (dSA-dSB)