Nye ure skal gøre GPS-modtagere tre gange så nøjagtige

Illustration: Nasa

Forbedringerne i vor tids GPS-præcision opnås ved at få stadig bedre styr på tiden. De kommende GPS-III-satellitter, som opsendes fra 2014, vil være udstyret med nogle af tidens mest præcise ure, der kan klemmes ind i en satellit.

Forbedringen skal bringe nøjagtigheden for den almindelige GPS-bruger ned til omkring to-tre meter – knap en faktor 3 bedre end GPS-II, som vi har i dag.

»GPS-satellitterne bevæger sig med 3,7 km/s, og GPS-signalerne bevæger sig 0,3 meter i løbet af et nanosekund (lysets hastighed). Så urene skal registrere tiden mere nøjagtigt end et nanosekund,« siger Kai Borre, der er professor ved Dansk GPS Center, Aalborg Universitet, og har fulgt med i GPS-udviklingen de seneste tre årtier.

Atomur i en termoflaske

De mest præcise ure, der findes, er cæsium- og rubidium-ure, de såkaldte atomure. Fejlmarginen er inden for to sekunder på 63 mio. år, så det er ure af den kaliber, forskerne og GPS-folket meget gerne vil have i kredsløb om Jorden.

Dog har atomure hidtil været stationære i udvalgte fysiklaboratorier, men det er der ved at blive lavet om på. Efterhånden kan de konstrueres småt og klemmes ned til en størrelse som en termoflaske. Men ikke helt uden komplikationer.

»Tid som begreb er enkelt at forstå og definere. Problemerne opstår, når man skal have tiden ud af uret. Så skal man vide præcist, hvor lange de forskellige ledninger er, hvor mange muffer og stik, der forbinder dem, og korrigere for alle disse forsinkelser,« siger Kai Borre.

Læs også: Simpel GPS-opmåling sparer kommune for millioner

Ifølge den aalborgensiske professor holder amerikanerne lige nu godt øje med de første Galileo-testsatellitter, der blev sendt op sidst i 2011, og som skal udgøre EU’s GPS-system.

De satellitter transporterer nemlig for første gang brintmasere, og det er dem, som udgør atomuret, der er klemt ind i en satellit.

»Men én ting er at få den slags apparatur til at fungere hernede på Jorden. Det er en anden sag, om det fortsat vil fungere stabilt oppe i en satellit. Derfor afventer amerikanerne lige nu, hvordan det går med Galileos brintmaser, inden de inkluderer en sådan i GPS-III,« siger Kai Borre.

De forbedrede atomure leverer, ifølge Kai Borre, det største bidrag til den knap tredoblede præcisionsforbedring siden den seneste GPS-generation. Men det skal også ses i lyset af, at alle de andre ombordværende instrumenter og programmer refererer til uret og tidsplanen, som er skelettet i, hvad satellitten måler: Tid og rum, der jo som bekendt er to sider af samme sag.

»GPS er baseret på overførsel af tid: Systemet består af satellitter, der er i kredsløb om Jorden og sender bitsekvenser til modtagerne. Jo mere præcist bittene defineres og transmitteres, des større opløsning vil systemet have, og den beregnede position vil deraf være mere nøjagtig,« siger Kai Borre.

Andre forbedringer

I mobiltelefoner og bilnavigationssystemer udnyttes normalt kun ét GPS-signal, nemlig det såkaldte C/A-signal på L1-frekvensen (frekvensbånd, som GPS bruger), som er et civilt signal. En stor nyhed i GPS-III er et lignende signal på L2. Begge signaler er simpelt opbygget, og man kan derfor producere billige chip, der udnytter begge disse civile signaler og lader dem støtte hinanden.

»I GPS-II er ionosfæreforsinkelsen en væsentlig fejlkilde. Forsinkelsen forårsages af solvinden. Alt efter vejret på Solen vil tætheden af elektroner i ionosfæren variere, og det indvirker også på kommunikationsforsinkelsen med satellitterne,« siger Kai Borre.

»Men det retter det nye integrerede signal på L1 og L2 i GPS-III op på, fordi den transmitterer på flere frekvenser på én gang. Dermed sendes signalerne samtidig, men ankommer til forskellige tider, og så kan der korrigeres for forsinkelsen i Ionosfæren,« siger han.

Elektrontætheden er ellers, ifølge professoren, noget at det mest tilfældige, der findes. Men den kan afstedkomme helt op til 100 meters forsinkelse, så man er nødt til at korrigere for den.

Læs også: GPS’er vildleder ambulancer

Derudover sker der også en forøgelse af kodelængden (en sekvens af pseudotilfældige tal), som bruges ved modulation af signalet, satellitterne kommunikerer med: Ved at findele bitstrømmen kan tidsmålingerne forfines, og dermed øges nøjagtigheden.

Resultatet er, at når GPS-III-satellitterne er i sving, vil det traditionelle L1-signal blive erstattet af et nyt og mere sammensat signal kaldet L1C. Det vil blive transmitteret på den sædvanlige L1-frekvens: 1575.42 MHz. L1C vil bruge en ti gange længere kodelængde, som vil blive transmitteret med en hastighed på 1.023 Mbit/s.

Den nødvendige usikkerhed

Alligevel ligger der endnu et par sten på vejen, som gør, at der altid vil være en vis, om end lille, unøjagtighed forbundet med GPS-målingerne. Her skal nævnes multipath og modtagerstøj, som på trods af resten af GPS’s forbedringer bidrager med usikkerheder på i snit henholdsvis 1,5, og 0,6 meter.

Multipath er de forsinkelser, der måtte opstå i signalet i kraft af, at det kan bevæge sig ad flere forskellige veje mellem transmitter og modtager. Lidt ligesom når du kan se himlen gennem bakkekammen af en varm asfaltvej om sommeren.

En anden usikkerhed, der er problematisk at luge ud i, er dilution of precision, forkortet DOP. DOP er en størrelse, der beskriver den indbyrdes geometriske spredning mellem de satellitter, der er over horisonten set fra modtageren. Typisk giver DOP en usikkerhed på 1-3,5 meter.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Der er talrige fejl i artiklen. Jeg tillader mig at tro, at de skyldes den journalistiske bearbejdning.

  1. Satelitternes hastighed og signalernes udbredelseshastighed har intet med urerne at gøre. Urenes hypernøjagtighed skal sikre, at signalet udsendes samtidigt, eller med en kendt forsinkelse, fra alle satellitter. I modtagerne måles tidsforskellen mellem de modtagne signaler (som faseforskellen, hvilket er simpelt = billig chip). Tidsforskellen omregnes til afstandsforskellen fra satellitparret, og dermed ved brug af mindst 4 satelliter til en position i rummet (bredde, længde, højde og ivrigt klokkeslæt).
  2. "100 meters forsinkelse" - ak ja, nu er der en ny enhed på ing.dk til måling af forsinkelse. Skal vel i kategori som "biler" for masse, og "fodboldbane" for areal. Mon der menes "100 meters positionsfejl" ?
  3. Hvad der ikke fremgår klart er, at signalets udbredelseshastighed afhænger af frekvensen. Ved brug af to frekvenser (L1 og L2) kan der korrigeres.
  4. "Multipath" har ikke noget med "flere forskellige veje" at gøre. Multipath betyder, at et eller flere satellitsignaler modtages som en reflektion. Problemet er typisk størst i en by, hvor bygninger skygger for satellitten, og hvor signalet istedet modtages reflekteret. Det reflekterede signal har en lidt længere vej, og det giver derfor en fejl i positionsberegningen. Måske vil bilens GPS vise en position i næste gade ?
  5. "Luge ud i DOP". Ja den er god, hvis det var 1. april Idag. DOP er et (simpelt) udtryk for den samlede, resulterede præcision af stedbestemmelsen. DOP er et dimensionsløst tal, som kan ganges med en faktor med dimensionen "meter". På min GPS er faktoren "5 m". Når min GPS siger DOP=2,5, så ved jeg positionen er nøjagtig indenfor 12,5 m. Og en en anden dag, med stor forstyrrelse i atmosfæren, så betyder DOP=6 en nøjagtighed på 30 m. For sejlere, og anden friluftsaktiviteter, er dette vigtigt. For bilisten ikke så meget.

Afslutningsvis følgende: GPS er et teknologisk genialt apparat, især fordi modtagerne kan laves for kr.10,- og dermed være allemands eje til simplere finde-vej anvendelser. Og i de mere avancerede udgaver kan måle jordskorpens hævninger på vulkaner, isens flytning på gletchere, og meget andet, med uhyre præcision.

  • 3
  • 1

Kommer det her til at gøre privat udstyr med GPS modtagere mere præcise eller er det kun for militær og specialle måleenheder at denne nye præcision kommer til at betyde noget?

  • 0
  • 0

Er urenes præcision en betingelse for nøjagtigheden af et satellit baseret positionssystem som GPS? Vil det være muligt, at lave et system uden atomure på satellitterne, som er ligeså præcist - eller endog mere præcist?

  • 0
  • 0
  1. Nøjagtigere ure vil måske forbedre nøjagtighed for eksisterende GPS modtagere. Den beskrevne nøjagtighedsforbedring er, som omtalt, blandt andet baseret på modtagelse af GPS signaler i L1 og L2 frekvenserne. Disse frekvenser er også til rådighed for civile modtagere, men det vil selvfølgelig være "nye" modtagere (med mindre altså modtageren er forbered for L1 og L2). Men bemærk, at der allerede udsendes "forbedringssignaler" (kaldet EGNOS og WAAS), som de fleste, moderne GPS-apparater kan udnytte.

  2. Urernes præcision (eller snarere samtidighed) er en forudsætning for GPS systemers præcision. Nøgleordet her er samtidighed, så hvis man kunne forestille sig en anden måde at opny hyper synkronisering af signalets udsendelse (fasen), så ville det også virke. Som hypotetisk eksempel tænk på "entanglement" som signaleringsmetode.

  • 2
  • 0

Jeg har læst, at japanerne vil gøre forsøg, hvor atomuret erstattes af et japansk quartz ur. Og da de således ikke afhænger af atomures præcision, mener de at opnå større præcision, end kan opnås ved GPS og GPS 2.

Det virker underligt, at amerikanerne ikke har tænkt på muligheden, og overvejet at ikke bruge atomur, dengang GPS systemet blev bygget, hvis det endog giver større præcisionen.

Måske er brugen af atomur i virkeligheden begrundet af, at et atomur betragtes som en større "teknologi demonstration". Det havde været svært, at overbevise verden om USAs tekniske førerposition, hvis de havde brugt et japansk quarts ur, tilbage i 70'erne, hvor de opfandt GPS.

  • 1
  • 1

Man læser artiklen og tager sig til hovedet - nu skal de vist lige have smæk - men heldigvis kom Jan Heisterberg mig i forkøbet - fornemt Jan godt arbejde

  • 1
  • 1

@Jens D. Madsen:

Mener du, at et japansk quartz-ur er mere præcist end et atomur?

Eller mener du, at japanerne har udviklet en teknologi, der giver så meget mere præcis stedbestemmelse, at den selv med et mindre præcist ur overgår den gamle teknologi?

Hvis det er det sidste, hvorfor så ikke kombinere den nye teknologi med et atomur og opnå endnu bedre stedbestemmelse?

Og kunne du ikke komme med et link? Når man ved, at GPS først og fremmest handler om tid, lyder det underligt, at et almindeligt quartz-ur giver tilstrækkelig præcision.

  • 0
  • 0

Wiki skriver følgende: http://en.wikipedia.org/wiki/Quasi-Zenith_...

Sattelitterne monteres med et atomur, således fordelen ved at undgå atom-ur kan analyseres (QZSS TKS).

"During the first half of the two year in-orbit test phase, preliminary tests will investigate the feasibility of the atomic clock-less technology which might be employed in the second generation QZSS."

Teknologien for at undgå atomur, er beskrevet i Fabrizio Tappero's Ph.D. arbejde, der henvises til i note 5 på wiki.

  • 0
  • 0

Jeg bed mærke i det her: "With regards to its positioning service, QZSS can only provide limited accuracy on its own and is not currently required in its specifications to work in a stand-alone mode."

De japanske satellitter skal åbenbart kun levere støttedata til GPS-systemet i lighed med WAAS osv. De skal ikke fungere som selvstændige GPS-satellitter.

Jeg kan ikke i Wikipedia-artiklen læse, om QZSS TKS også ville være nøjagtigt nok til en rigtig GPS-satellit - og jeg orker altså ikke at læse hele det omtalte Ph.D.-arbejde for at finde ud af det.

  • 0
  • 0

Jeg har skimmet Ph.D. artiklen hurtigt igennem. Sattelitterne både sender og modtager, og derved holdes urene synkrone. Der regnes på nøjagtigheden, og præcisionen der opnås, skulle være bedre end med atom ur. Atom uret, går langsomt ud af præcision - dette undgås ved, at kommunikere mellem sattelitterne og jorden. Efter kort tid, vinder VCXO oscillatoren. Nøjagtigheden er ca. 40 cm (specificeret til 46 cm og 57cm i højde).

Her kan læses om systemet kort: http://mycoordinates.org/space-based-posit...

Ulempen - så vidt jeg ser det - er at systemet, skal kunne kommunikere med en jordstation, for at holde urene præcise.

  • 0
  • 0

Du kan sagtens overbevise mig om, at et kvartsur, der stilles hyppigt, kan have mindre afvigelse end et atom-ur, der aldrig stilles.

Men hvad så med et atom-ur, der stilles hyppigt?

("At stille uret" er nok ikke den rette betegnelse, men håber, at meningen går igennem alligevel.)

  • 0
  • 0

Men hvad så med et atom-ur, der stilles hyppigt?

Ionosfæren giver anledning til fejl og sætter den teoretisk mulige præcision. Fordelen ved atomuret er, at du kan undgå jordbaserede stationer.

En tanke: For at reducere antallet af jordbaserede stationer, kan satelitterne måske placeres i en ikke geostationær bane, hvor de rotere omkring jorden, og stilles når de passerer japan.

  • 0
  • 0

Det besvarer jo egentlig ikke mit spørgsmål.

Hvis fejlen forårsaget af ionosfæren er større end fejlen fra et atomur, er et atomur uden opdateringer fra jorden stadig mere nøjagtigt.

Hvis fejlen forårsaget af ionosfæren er mindre end fejlen fra et atomur, vil atomuret også have gavn af opdateringer fra jorden, og hvis det får dem, må det stadig være mere nøjagtigt end et kvartsur med opdateringer.

Så jeg kan stadig ikke se nogen argumentation for, at et kvartsur kan være mere præcist end et atomur.

  • 0
  • 0

Kan du kalde det et atom-ur, hvis det stilles uafbrudt? Den kritiske fejl er så at stille uret, og du tilfører derved usikkerhed, som sandsynligvis gør atom urets præcision ubetydelig.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten