Time and frequency comparisons using radiofrequency signals from satellites

Andreas Bauch

doi:10.1016/j.crhy.2015.02.006

Time and frequency comparisons using radiofrequency signals from satellites

Andreas Bauch ¹

¹ Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Germany

Comptes Rendus. Physique, The measurement of time / La mesure du temps, Volume 16 (2015) no. 5, pp. 471-479.

Abstract (Original language)
Résumé

The comparison of distant clocks has always been an important part of time metrology. It is important in science in general as well as in everyday applications. Signals from the satellites of the Global Positioning System (GPS) started to be used for the purpose in the early 1980s. The methods of signal processing have improved to an extent that time transfer with ns-accuracy and frequency transfer with $10^{- 15}$ relative instability have become routine. The usage of signals from other Global Navigation Satellite Systems gets more and more common and examples of the improvements related to that will be given. Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) is another method relying on the exchange of signals in the microwave range. Time transfer accuracy at the 1-ns level was demonstrated, and recently new signal structures and processing schemes showed the way for further improvements.

La comparaison d'horloges distantes, qui a toujours été une part importante de la métrologie du temps et des fréquences, concerne aussi bien la science en général que les applications quotidiennes. Une des techniques utilisées repose sur les signaux des systèmes de radionavigation par satellites (GNSS pour Global Navigation Satellite System), qui ont commencé à être exploités au début des années 1980 avec les signaux du Global Positioning System (GPS) américain. Les méthodes de traitement de ces signaux se sont améliorées au cours du temps, permettant d'obtenir aujourd'hui de façon routinière des transferts de temps avec une exactitude de l'ordre de la nanoseconde, et des transferts de fréquence avec une instabilité de $10^{- 15}$ en fréquence relative. L'utilisation de signaux d'autres constellations GNSS se développe de plus en plus, et des exemples d'améliorations attendues sont présentés. Une autre technique de transfert de temps à « deux voies » (TWSTFT pour Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer) est basée sur l'échange de signaux dans la gamme des fréquences micro-ondes, via des répéteurs de satellites géostationnaires de télécommunications. Une exactitude des transferts de temps au niveau de 1 ns a été démontrée, et de nouvelles structures de signal associées à de nouveaux traitements ont récemment montré la voie vers d'autres améliorations.

Published online: 2015-03-06

DOI: 10.1016/j.crhy.2015.02.006

Keywords: Frequency standards, Time and frequency metrology, GNSS, TWSTFT
Mots-clés : Étalon de fréquence, Métrologie temps–fréquence, GNSS, TWSTFT

Author's affiliations:

Andreas Bauch ¹

¹ Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Germany

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Andreas Bauch. Time and frequency comparisons using radiofrequency signals from satellites. Comptes Rendus. Physique, The measurement of time / La mesure du temps, Volume 16 (2015) no. 5, pp. 471-479. doi : 10.1016/j.crhy.2015.02.006. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2015.02.006/

References
Cited by

[1] S. Droste; et al.; O. Lopez et al. Prague, Proceedings of the 2013 Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, 111 (2013), p. 110801

[2] Ł. Buczek; et al.; M. Rost et al. Metrologia, 49 (2013), p. 317

[3] J. Levine Metrologia, 45 (2008), p. S162

[4] , International Telecommunication Union, Geneva, 2010 (ITU handbook Satellite Time and Frequency Transfer and Dissemination)

[5] D.W. Allan et al. IEEE Trans., IM-34 (1985), p. 118

[6] D. Kirchner Proc. IEEE, 79 (1991), p. 983

[7] D. Piester et al. Metrologia, 45 (2008), p. 185

[8] Understanding GPS, Principles and Applications (E.D. Kaplan; C.J. Hegarty, eds.), Artech, Boston, London, 2006

[9] G. Xu GPS Theory, Algorithms and Applications, Springer, Berlin, Heidelberg, 2003

[10] J.M. Dow; R.E. Neilan; G. Gendt Adv. Space Res., 36 (2005), p. 320

[11] J. Ray; K. Senior Metrologia, 40 (2003), p. S270

[12] D.W. Allan; C. Thomas Metrologia, 31 (1994), p. 69

[13] D.W. Allan; M.A. Weiss Ft. Monmouth, NJ, USA (1980), p. 334

[14] P. Defraigne; G. Petit Metrologia, 40 (2003), p. 184

[15] G. Petit; Z. Jiang Metrologia, 45 (2008), p. 33

[16] J. Kouba; P. Héroux GPS Solut., 4 (2001), p. 31

[17] URL 62.161.69.5, directory pub/tai/publication/circt.

[18] See ftp server at tai.bipm.org/TimeLink/LkC in monthly files, ReadMe file included.

[19] A. Harmegnies; P. Defraigne; G. Petit Metrologia, 50 (2013), p. 277

[20] P. Defraigne; M.C. Martinez-Belda; Q. Baire Copenhagen, Denmark (2011) (on CD-Rom)

[21] P. Defraigne; W. Aerts; G. Cerretto; G. Signorile; F. Cantoni; I. Sesia; P. Tavella; A. Cernigliaro; A. Samperi; J.M. Sleewaegen Bellevue, WA, USA (2013), p. 256

[22] R. Piriz, GMV, Tres Cantos, Spain, 2014, private communication.

[23] A. Bauch; J. Achkar; S. Bize; D. Calonico; R. Dach; R. Hlaváč; L. Lorini; T. Parker; G. Petit; D. Piester; K. Szymaniec; P. Uhrich Metrologia, 43 (2006), p. 109

[24] A. Bauch; D. Piester; M. Fujieda; W. Lewandowski Directive for operational use and data handling in two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT), BIPM, 2011 (BIPM report 2011/01)

[25] E.J. Post Rev. Mod. Phys., 39 (1967), p. 475

[26] D. Piester et al. Long Beach, CA, USA (2007), p. 211

[27] J. Achkar Rev. Fr. Métrol., 24 (2010), p. 9

[28] D. Piester et al. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 55 (2008), p. 1906

[29] W. Tseng et al. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 59 (2012), p. 531

[30] M. Fujieda et al. Metrologia, 51 (2014), p. 253

[31] W. Schäfer; A. Pawlitzki; T. Kuhn Dana Point, CA, USA (1999), p. 505

[32] H. Hachisu et al. Opt. Lett., 39 (2014), p. 4072

[33] Ch. Salomon; et al.; L. Cacciapuoti; Ch. Salomon J. Phys. Conf. Ser., 2 (2001), p. 1313

[34] P. Laurent; D. Massonnet; L. Cacciapuoti; C. Salomon; P. Laurent et al. The ACES/PHARAO space mission, C. R. Physique, Volume 16 (2015), pp. 540-552 ( this issue See also Rev. Fr. Métrol., 34, 2014)

[35] I. Sesia et al. Bellevue, WA, USA (2013), p. 239

[36] http://www.bipm.org/en/bipm-services/calibrations/#time http://www.bipm.org/metrology/time-frequency/publications.html (see also)

[37] BIPM guidelines for GNSS equipment calibration V2.0 25/04/2014.

[38] M.C. Martinez-Belda; P. Defraigne; C. Bruyninx IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 60 (2013), p. 121

[39] G.W. Hein et al. Rotterdam, The Netherlands (2004) (on CD-ROM)

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