¿Podría un satélite usar un reloj atómico en miniatura (MAC) para proporcionar servicios de GPS?

He estado investigando los satélites GPS y sentí curiosidad por los relojes atómicos a bordo. Encontré el siguiente artículo sobre el concepto de una constelación CubeSat GPS usando relojes atómicos a escala de chip , y aunque la desviación de Allan es lo suficientemente buena como menciona el artículo, la tasa de envejecimiento en el reloj es de 9E-10 / mes, que si No me equivoco, dejaría el satélite bastante inútil después de un mes.

Busqué y encontré que Microsemi ha lanzado un MAC, o reloj atómico en miniatura que, aunque es un poco más grande que el CSAC, tiene una tasa de envejecimiento de 5E-11 / mes .

¿Significa esto que podría usarse para un satélite GPS que funcione durante aproximadamente un año, o me estoy perdiendo algo? ¿Sería demasiado el consumo de energía para un CubeSat en su opinión?

"... haría que el satélite fuera prácticamente inútil después de un mes". ¿Los satélites GPS dependen únicamente de su reloj interno durante un mes, o reciben "entrenamiento" (correcciones) regulares de las estaciones terrestres?
@uhoh physics.stackexchange.com/a/575117/123208 menciona que los relojes satelitales GPS "son (ocasionalmente) ajustados por una estación terrestre (Base de la Fuerza Aérea Schriever, Colorado), en última instancia, basados ​​en el reloj maestro del Observatorio Naval de los EE. UU." . Supongo que tendría que explorar la madriguera de conejos de gps.gov/technical para averiguar con qué frecuencia se realizan esos ajustes.
Los satélites GPS ya usan relojes atómicos, así es como funciona el sistema. Esta pregunta no está clara.
@PM2Ring "los relojes del satélite GPS "son (ocasionalmente) ajustados por una estación terrestre" De hecho, los relojes se ajustan una vez al día usando tres estaciones terrestres. No solo se debe ajustar el reloj sino también la posición del satélite, por lo tanto, tres en lugar de uno estación terrestre La posición real del satélite debe conocerse con mucha precisión.
@GdD El OP pregunta sobre la viabilidad de una alternativa al GPS basada en CubeSat, utilizando relojes atómicos basados ​​en chips.
Entiendo que los relojes generalmente se corrigen desde una estación terrestre. Estaba pensando en cuánto tiempo funcionaría sin una estación terrestre usando un MAC, que es un tipo particular de reloj atómico (más pequeño, más eficiente). La posición es un problema aparte, ya que los satélites GPS requieren una precisión de <1 m y el CubeSat tendría que equipararlo con los rastreadores de estrellas de alguna otra forma de sistema de posicionamiento, pero esta pregunta tiene que ver con el cronometraje.
El documento al que se vinculó dice que los relojes cubesat deberían actualizarse cada hora para lograr una precisión de 10 metros.
Existen posibles problemas técnicos con este documento. Por ejemplo, cuando dice "uno puede salirse con la suya con tres satélites si solo es necesaria la determinación de la posición" (ver §2.1). El uso de la Desviación de Allan para calcular el límite de tiempo para la corrección del reloj es otro enfoque dudoso. Su discusión sobre la ionosfera de la Luna no tiene sentido sin mirar qué frecuencias usar para el GNSS de la Luna.
¿Está familiarizado con las especificaciones del reloj (y cómo se gestionan las inestabilidades del reloj en un sistema GNSS)?

Respuestas (2)

Si queremos que el error habitual de posición del GPS sea inferior a 10 m, debemos saber el tiempo que necesita la luz o un microondas para cubrir esta distancia. la velocidad de la luz es 3 ∗ 10 8 metro / s , por lo que necesitamos 33,3 nanosegundos para 10 m. Para medir una distancia, el GPS mide el tiempo que necesita la luz para esa distancia. Para ser mejor que el error de posición de 10 m, el error de reloj debe ser inferior a 33,3 ns. El reloj del satélite GPS se alinea una vez al día, por lo que necesitamos menos de 33,3 ns por día.

Un día tiene 24 horas de 3600 segundos, que son 86400 segundos por día. Dividimos 33.3 ns por 86400 segundos y obtenemos 3.8 ∗ 10 − 13 error de reloj por día.

La tasa de envejecimiento de MAC de 5 ∗ 10 − 11 por mes es 1.67 ∗ 10 − 12 por día. Este es un error de reloj de 144 ns en lugar de los 33,3 ns necesarios para los 10 m.

Por lo tanto, el MAC de Microsemi no podría usarse ni siquiera durante un día completo. La tasa de envejecimiento debería ser 4,3 veces mejor.

La tasa de envejecimiento dada de 5 ∗ 10 − 11 por mes daría como resultado un error de posición en el suelo de 43 m en lugar de 10 m.

No sigo la lógica de equiparar (a) una precisión de rango (por ejemplo, 30 nanosegundos) y (b) una precisión de reloj POR DÍA. Además, un error de posicionamiento no es lo mismo que un error de estimación de rango con un solo satélite.
@NgPh Cambié el texto, ¿es mejor ahora?
Gracias por el esfuerzo. yo no estaba claro Estaba, y todavía estoy, luchando por entender cómo se puede usar una característica a corto plazo (por ejemplo, la Desviación de Allan -ADEV) para determinar el tiempo para una corrección de una desviación del reloj a largo plazo. Creo que el documento usa el mismo razonamiento discutible y creo que esa es la raíz de la confusión para el OP. Especificaciones CSAC de Microsemi: precisión +/-5E-11 en el envío, ADEV (tau = 1000 seg) <1E-11, envejecimiento <9E-10/mes. Sospecho que está mal usar ADEV, pero todavía no puedo dar más detalles sobre esta falla potencial de una manera clara.
@NgPh Es mucho más simple que Allan Deviation. Solo piense en un error de frecuencia pequeño pero constante del reloj del sistema satelital de 10.23 MHz. Un error mayor que 1E-12. Solo uno de los satélites recibió este error. Un error delta t se acumula durante el tiempo de un día. Si este error de tiempo acumulado es de 100 ns, por ejemplo, obtenemos un error de distancia de 30 m. El receptor GPS no sabe de este error, si el reloj del satélite se retrasa 100 ns, parece que la señal se envió desde una distancia mayor, 100 m más.
Veo. Permítame reafirmar su enfoque: comience con el error de posición presupuestado para el reloj de UN satélite (digamos 10 m). SUPONE que las inestabilidades a corto plazo pueden despreciarse. SUPONE que el modelo de deriva es lineal con el tiempo. SUPONE que la política de gestión del reloj se basa en el criterio de deriva que excede el presupuesto de error asignado. Pregunto esto, solo para asegurarme de que estamos en la misma página, pero es posible que haya adivinado que sospecho que su enfoque es incorrecto (desde el punto de vista de un ingeniero).

Esperaba que el OP proporcione algunos comentarios para estar en la misma página y poder escribir una respuesta muy breve. Pero no importa.

Intentaré, mediante una analogía, ilustrar el tipo de trampas que se deben evitar cuando se trabaja con requisitos de reloj en GNSS.

Supongamos que mi vecino tiene un reloj Rolex muy caro y le compré a mi esposa una copia barata. Entonces mi mujer se queja de que observa que su reloj se atrasa 1 segundo cada día con respecto al del vecino. Después de un mes, ahora tiene 30 segundos de retraso. ¿Debería tirarlo después de un mes? ¡NO! Le explicaría que tiene un sistema de cronometraje muy preciso, tan preciso como el Rolex de nuestro vecino. Como su reloj se atrasa EXACTAMENTE un segundo por día, puede obtener la misma hora EXACTA que se muestra en el Rolex para CUALQUIER día, y esto eternamente (sin envejecimiento).

Y así es como funciona el cronometraje en GNSS. Tienes una referencia absoluta sobre el terreno. El Centro de Control mide la deriva de cada reloj satelital con respecto a la referencia, luego deriva un modelo de predicción para cancelar los errores. Los parámetros calculados del modelo de error luego son transmitidos por el satélite (junto con las efemérides) en los Mensajes de Navegación. Son estos parámetros los que se actualizan cuando es necesario, no el reloj del satélite per se (los receptores del usuario hacen la corrección). Todos los sistemas GNSS que conozco (GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU, QZSS,…) siguen la misma estrategia (y básicamente el mismo modelo de predicción).

El error residual, después de cada actualización de predicción, se debe a muchos factores ruidosos a corto plazo (pero no a la deriva ni al envejecimiento, siempre que estos sigan siendo PREDECIBLES). Por cierto, la contribución de los errores residuales del reloj del satélite a la precisión de posicionamiento del usuario es de ~ 2 m para GPS (servicio civil). Otras fuentes de error (principalmente la ionosfera y la geometría) contribuyen al resto del rendimiento de 10 m citado a menudo (en ausencia de trayectos múltiples).

¿Podría un satélite usar un reloj atómico en miniatura (MAC) para proporcionar servicios de GPS?
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