GeoWerkstatt-Projekt des Monats März 2017
Projekt: Genauere Positionierung mit Atomuhren
Forschende: M.Sc. Thomas Krawinkel
Projektidee: Entwicklung innovativer Konzepte zur genaueren Positionierung mit GPS bei der Verwendung von miniaturisierten Atomuhren
Eine Person, die ihre Position auf der Erde mittels eines GPS-Empfängers bestimmen möchte, benötigt dafür Kontakt zu mindestens vier Satelliten. Neben den drei Koordinaten muss der Empfänger außerdem mit der offiziellen GPS-Zeit synchronisiert werden. Aufgrund der sehr instabilen Empfängeruhr muss dies fortlaufend, d.h. sekündlich, geschehen. Wird der Empfänger jedoch an eine viel stabilere Atomuhr angeschlossen, ist dies nur alle paar Minuten notwendig. Dieser Ansatz wird Empfängeruhrmodellierung genannt.
Da Atomuhren typischerweise nicht transportabel sind, konnte diese Idee in der Positionierung mit GPS erst in den letzten Jahren, durch die Entwicklung von kleinen energiesparenden Atomuhren, sog. Chip Scale Atomic Clocks, angewendet werden. Für die praktische Umsetzung wurde im Forschungsprojekt ein eigener Algorithmus zur Empfängeruhrmodellierung entwickelt und zu dessen Überprüfung ein Fahrzeugexperiment in der Nähe von Hannover durchgeführt.
Obenstehende Abbildung zeigt in der ersten Reihe die Lagekoordinaten (Nord, Ost) und in der zweiten Reihe die Höhenkoordinaten (Hoch) sowie den Empfängeruhrfehler des an eine Atomuhr angeschlossenen GPS-Empfängers. Die Ergebnisse ohne Uhrmodellierung sind in schwarz und mit Uhrmodellierung in rot dargestellt.
Es ist direkt erkennbar, dass die Uhrmodellierung zu keinen Veränderungen in den Lagekoordinaten führt, jedoch die Genauigkeit der Höhe sehr deutlich verbessert. Das bedeutet, dass eine Person seine Position zum einen genauer sowie zuverlässiger und zum anderen kurzzeitig mit nur drei anstatt vier Satelliten bestimmen kann. Dies ist v.a. in Stadtgebieten, insbesondere Häuserschluchten, von Vorteil, da der GPS-Empfänger hier häufig Signale von nur sehr wenigen Satelliten empfängt.
