Analysis of the stability, drift and aging behavior of the hydrogen masers and GPS clocks in use at the Metsähovi radio observatory

Abstract

The stability, drift and aging behavior of the hydrogen masers and GPS clocks in Metsähovi Radio Observatory was analyzed in this thesis. There are six GPS clocks and four hydrogen masers in use in Metsähovi Radio Observatory. The data available for this purpose consisted of time difference observations in microseconds compared to the local main maser beginning from March 16th, 2005. The data was derived from the 1PPS output of the masers and clocks. A locally designed clock comparing system is used for collecting the data.

The data was pre-processed to eliminate the distorting effect of gross error observations on the analysis. Analysis methods used were statistical analysis (standard deviation) and wavelet analysis as well as drift and aging parameter calculations. Existing studies were also consulted. No data in the frequency domain was available for this thesis, therefore all analysis was conducted in the time domain. R programming was used as a tool in the analysis.

Statistical analysis revealed a varying periodicity in standard deviations of hydrogen maser data which was attributed to the clock comparing system. Wavelet analysis did not reveal any short-term periodicity of maser and GPS clock data. The calculated drift rates of the hydrogen masers ranged from 0.17 nanoseconds per day to 6.44 nanoseconds per day. The calculated aging rates of the masers ranged from 0.005 nanoseconds per day per day to 0.2 nanoseconds per day per day. It was concluded that the manual maser adjustment practice in Metsähovi Radio Observatory works sufficiently well and that there is no need for algorithms as an aid in the adjustments.

Tässä diplomityössä analysoitiin Metsähovin Radiotutkimusaseman vetymasereiden ja GPS-kellojen stabiiliutta, liukumaa ja ikääntymistä. Metsähovin Radiotutkimusasemalla on käytössä kuusi GPS-kelloa sekä neljä vetymaseria. Työssä käytetty data koostui paikalliseen päämaseriin verratuista aikaerohavainnoista mikrosekunteina, joita on kerätty 16.3.2005 lähtien. Data on kerätty vetymasereiden ja GPS-kellojen 1PPS -signaaleista. Data on kerätty paikallisesti kehitettyä kellovertailujärjestelmää käyttäen.

Datan esikäsittelyssä poistettiin karkeiksi virheiksi luokitellut aikaerohavainnot analyysien vääristymisen välttämiseksi. Työssä käytetyt analyysimenetelmät koostuivat tilastollisesta analyysistä (keskihajonta), wavelet-analyysistä sekä liukuma- ja ikääntymisparametrien laskennasta. Kirjallisuudesta etsittiin aiempia tutkimustuloksia. Kaikki analysointi tapahtui aika-alueella, sillä taajuusdataa ei ollut käytettävissä. Analysoinneissa käytettiin R-ohjelmointikieltä työkaluna.

Tilastollisessa analyysissä vetymasereiden datasta paljastui keskihajonnan vaihteleva säännöllisyys, jonka todettiin johtuvan kellovertailujärjestelmästä. Wavelet-analyysissä ei löytynyt lyhyen aikavälin säännöllisyyttä vetymasereiden eikä GPS-kellojen datasta. Vetymasereiden laskennallinen liukuma-aste vaihteli 0,17 nanosekunnista per päivä 6,44 nanosekuntiin per päivä. Vetymasereiden laskennallinen ikääntymisaste vaihteli 0,005 nanosekunnista per päivä per päivä 0,2 nanosekuntiin per päivä per päivä. Analyyseistä pääteltiin, että Metsähovin Radiotutkimusaseman vetymasereiden manuaalinen säätökäytäntö toimii riittävän hyvin eikä avustaville algoritmeille ole tarvetta.