<Desc/Clms Page number 1>
Vorrichtung zur Messung der Zeitangaben von räumlich voneinander entfernten Uhren und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Zeitangaben von räumlich voneinander entfernten Uhren durch Übertragung von Referenzimpulsen über bereits bestehende Breitband-Richtsysteme.
Eine solche Vorrichtung kann insbesondere zur Synchronisierung räumlich voneinander entfernter Uhren, mit einer Genauigkeit bis 10-6 sec verwendet werden, wobei die Entfernung zwischen den zu vergleichenden Uhren sehr gross sein kann.
Es sind bereits Uhren bekannt, die durch einen Quantum-Frequenznormal, eine sogenannte Atomuhr , gesteuert werden und die eine Genauigkeit des Ganges in der Grössenordnung von Mikrosekunden pro Tag erreichen. Daraus folgt das Bestreben, die Zeit der einzelnen Observatorien mit einer Genauigkeit, die in der gleichen Grössenordnung wie die Ganggenauigkeit der Uhren liegt, zu synchronisieren, wozu vor allem der Unterschied in den Zuständen der Uhren bestimmt werden muss. Dazu ist bei gegenseitig voneinander entfernten Uhren die Übertragung von Zeitsignalen notwendig.
Das weitest verbreitete Mittel für die Übertragung von Zeitsignalen ist deren drahtlose radioelektrische Übertragung. Langjährige Erfahrungen aus der ganzen Welt haben gezeigt, dass die Grenze der Übertragungsgenauigkeit von Zeitsignalen in der Grössenordnung von 10-s bis 10-4 sec liegt. Bei der Übertragung im Langwellenbereich ist durch die kleine verfügbare Bandbreite des Übertragungskanals, welche nur einen langsamen Anstieg der Signalfront mit einer Zeitkonstante in der Grössenordnung von Millisekunden erlaubt, eine Grenze gesetzt. Dafür ist die Übertragung mit sehr langen Wellen regelmässig und die Übertragungszeit ist aussergewöhnlich konstant.
Bei der Übertragung im Kurzwellenbereich ist zwar die verfügbare Bandbreite grösser, dafür ist aber die Ausbreitung sehr unregelmässig und alle Schwankungen der Höhe der Ionosphäre bewirken eine Schwankung der effektiven räumlichen Entfernung, was weiter eine Schwankung der Übertragungszeit zur Folge hat.
Es sind auch schon an voneinander entfernten Stellen installierte Uhren verglichen worden, indem die eine Uhr von der einen zur anderen Stelle transportiert wurde, wozu besondere Mittel notwendig sind, damit die Uhr beim Transportieren nur in minimaler Weise beeinflusst wird. Ein solcher Vorgang ist schwierig und auch teuer und auch nur bei relativ kleinen Entfernungen verwendbar.
Zum genauen Messen der zeitlichen Unterschiede entfernt voneinander angeordneter Uhren wurden bereits Übertragungswege, welche ein genügend breites Band der zu übertragenden Frequenzen und eine genügend konstante Zeit für die Signalausbreitung gewährleisten verwendet. Ein solcher Übertragungsweg sind Mikrowellen Ballempfang- (Weitergabe-) Richtverbindungen, die z. B. zur Übertragung von Fernsehprogrammen verwendet werden. Bei einer Bandbreite von 5 MHz ist dabei eine kürzere Anstiegszeit der Signalfront als 1 fis gesichert. Systematische Messungen auf internationalen Strecken haben weiter eine Stabilität der Übertragungszeit in der Grössenordnung von 1 ,us bewiesen.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die gemessene Übertragungszeit sehr gut mit der aus den geographischen Koordinaten und der Lichtgeschwindigkeit berechneten Zeit für die einzelnen Punkte der Strecke übereinstimmt.
Zum Zeitvergleich musste dabei die Ballempfangs- Strecke beiderseitig bis zu den Standorten der zu vergleichenden Uhren verlängert und die Strecke in bestimmten Zeitabständen für die Messung freigegeben werden. Weiter musste die Messung in beiden Richtungen durchgeführt werden, d. h. von beiden Uhren mussten Zeitsignale ausgesendet und die Zeit zwischen dem
<Desc/Clms Page number 2>
Aussenden und der Ankunft der Signale gemessen werden.
Dieses Verfahren führt zu eindeutigen Resultaten und ermöglicht eine Steigerung der Genauigkeit um 2 bis 3 Grössenordnungen. Seine Nachteile sind die notwendige Arbeitsorganisation und der grosse materielle und zeitliche Aufwand. Auch der Bau einer breitbandi- gen UKW-Verbindungsstrecke für beide Richtungen ist unökonomisch.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen mit einem Kreis für die Auswahl von Vergleichsimpulsen verbundenen Empfänger für Signale des Breitband-Fernübertragungssystems und einen mit dem Ausgang dieses Kreises und mit dem Ausgang des Zeitimpulsgebers der zu vergleichenden Uhr verbundenen Zähler.
Ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die üblicherweise über das Breitband-Fernübertragungssystem ausgesendeten Impulse als Referenzimpulse verwendet werden.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erklärt werden.
Fig. 1 zeigt ein Ballempfangsnetz mit zwei gleichzeitig gespeisten Fernsehsendern und einer Vorrichtung gemäss der Erfindung bei zwei zu vergleichenden Uhren im Bereich der Sender.
Fig. 2 zeigt das Blockdiagramm der Schaltung einer Hilfsapparatur bei einer der zu vergleichenden Uhren. Fig. 3 zeigt die Zeitfolge von Impulsen in den Zählern von Uhren, deren Zeitangabeunterschied gemessen werden soll.
In Fig. 1 stellen die Blöcke 11 und 12 zwei Uhren dar, deren Standorte voneinander sehr entfernt sind und deren Zeitangaben verglichen werden sollen. Am Standort der Uhr 11 kann das von einem Fernsehsender 21 aus einem Studio 20 ausgesendete Programm, =das zugleich die Quellen der Synchronisierimpulse enthält, empfangen werden. Am Standort der Uhr 12 kann :das von einem Fernsehsender 22 ausgesendete Programm empfangen werden. Dieser Sender ist über die Ball- empfangs-Linie 3 mit den Endstationen 31 und 32 ebenfalls an das Studio 20 angeschlossen.
Am Standort der Uhr 11 befindet sich eine Einrichtung 41, welche dem Fernsehsignal des Senders 21 einen Vergleichsimpuls entnehmen kann. Eine ähnliche Einrichtung 42 befindet sich bei der Uhr 12.
Die Auswahleinrichtungen 41 und 42 sind in Fig. 2 in grösserer Einzelheit dargestellt. Der Block 4 stellt einen üblichen Fernsehempfänger dar, aus dem z. $. der Ausgang des Trennkreises (Separators) des Synchroni- siergemisches herausgeführt wird, welches Gemisch dem Eingang des Kreises 5 zugeführt wird. Dieser Kreis ist derart gestaltet, dass er einen vorherbestimmten einzigen Zeilen-Synchronisierimpuls aus .dem Intervall eines Teilbildes auswählen kann. Kreise dieser Art sind bekannt und werden z.
B. zur Auswahl einer bestimmten Zeile aus jedem Teilbild eines Fernsehsignals in Fernsehoszillographen zum Zweck einer durchlaufenden Kontrolle und Messung von Übertragungsparametern verwendet. Normalerweise wird auf diese Weise eine sogenannte Testzeile ausgewählt, die zwischen dem 15. und 20. Zeilenimpuls jedes Teilbildes vorkommt. Der durch den Kreis 5 ausgewählte Zeilen-Synchronisierimpuls wird dem Eingang Stop eines Zählers 6 zugeführt, an dessen Eingang Start der Ausgang der Zeitimpulse einer Vergleichsuhr 1 angeschlossen ist.
Der Ausgang des Zeitimpulses der Uhr 1 ist mit dem Auswahlkreis 5 verbunden, wodurch erreicht wird, den dem Zeitimpuls der Uhr 1 nächsten Zeilen-Synchronisierimpuls auszuwählen.
Fig. 3 zeigt eine Impulsfolge der Uhren 11 und 12 längs entsprechend bezeichneter Zeitachsen. Der Zeitimpuls der Uhr 11 erscheint am Eingang Start des entsprechenden Zählers 6 in der Einrichtung 41 zum Zeitpunkt t11 auf der Achse 11, und der dieser Zeitangabe entsprechende Zeitimpuls der Uhr 12 erscheint am Eingang Start des entsprechenden Zählers 6 in der Einrichtung 42 zum Zeitpunkt t12 auf der Achse 12. Die Entfernung dt zwischen diesen Zeitimpulsen ist die Differenz der Zeitangaben der beiden zu vergleichenden Uhren.
Es ist angenommen, dass im Studio 20 ein bestimmter Synchronisierimpuls im Augenblick to erzeugt wird. Dieser Impuls gelangt über den Sender 21 und die Hilfseinrichtung 41 zum Zeitpunkt t11 auf der Achse 11 an den Eingang Stop des zugehörigen Zählers 6 bei der Uhr 11. Derselbe Impuls gelangt aber über die Ballempfangslinie 31, 3, 32, den Verstärker 22 und die Hilfseinrichtung 42 zum Zeitpunkt t42 auf der Achse 12 an den Eingang Stop des zugehörigen Zählers 6 bei der Uhr 11.
Es versteht sich, dass dann der Zähler 6 in der Einrichtung 41 bei der Uhr 11 die Angabe A, und der Zähler 6 in der Einrichtung 42 bei der Uhr 12 die Angabe B anzeigt bzw. druckt.
Aus dem Diagramm kann leicht abgeleitet werden, dass dt=A-B+dtL wobei AL = t42 - t41 ist.
Aus der Übertragungszeit des .Signals t11 vom Studio 20 zur Uhr 11 und der Übertragungszeit t.12 vom Studio 20 zur Uhr 12, die beide im voraus aus der Länge der Übertragungswege und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale über diese Wege gemessen oder .errechnet werden können, ist der gesuchte Unterschied der Zustände der beiden Uhren 11 und 12 auf einfache Weise errechenbar.
Für eine richtige und eindeutige Messung ist es nicht nur wichtig, die Übertragungszeit ,zu kennen, sondern es sollte auch vorteilhafterweise sichergestellt sein, dass die Zeitungewissenheit .zwischen den Messpunkten (den Standorten der einzelnen zu vergleichenden Uhren) wesentlich kleiner als 20 ursec ist, was durch Rückbeziehung auf ein einfaches Zeitsignal zu einem entsprechenden Zeitpunkt im Tonfrequenz-Ausgangsteil des Hilfs- Fernsehempfängers leicht geprüft werden kann.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt kann angenommen werden, dass die Zeitungewissheit zwischen den bekann- testen Observatorien höchstens einige ursec beträgt. Das bedeutet, dass für eine eindeutige Beziehung auf einen bestimmten Synchronisierimpuls Zeichen-Synchronisier- impulse, deren Widerholungszeit bei den üblichen Normen 40-100 ysec beträgt, nicht ohne weiteres verwendet werden können.
Dagegen wird die geforderte eindeutige Rückbeziehung auf einen bestimmten Impuls bei der Verwendung von Bildsynchronisierimpulsen, die in Intervallen aufeinanderfolgen, welches der Anzahl der Halbbilder per Sekunde (z. B. 20 ursec) entsprechen, durchaus erfüllt.
<Desc/Clms Page number 3>
Weiters muss durch eine vorausgehende Absprache gesichert werden, dass die Messungen zu bestimmten, vorherbestimmten Zeitpunkten, die mit einer Genauigkeit von 1 sec definiert werden, durchgeführt wird. Die ganze Messung reduziert sich dann darauf, die entsprechenden Angaben des Zählers 6 abzulesen und aufzuschreiben (bzw. auszudrücken).
Jede einzelne ablesbare Angabe gibt dann das Intervall zwischen dem Zeitimpuls der lokalen Uhr und dem Zeitpunkt der Ankunft eines ausgewählten Referenzimpulses an. Die Observatorien können dann untereinander, z. B. mittels Fernschreiber, die Angaben über die gemessenen Intervalle austauschen. Aus den gegenseitigen Unterschieden der gemessenen Intervalle werden nach der Korrektion durch eine vorbekannte Übertragungszeit zwischen den entsprechenden Messsorten die gesuchten Unterschiede der Zeitangaben der Uhren auf einfache Weise errechnet. Durch Korrektion dieser Zeitangaben, z.
B. mittels eines geeigneten Phasenverschiebers, kann eine vollkommene Synchronisierung im gesamten Gebiet erreicht werden.
Das Messverfahren wird bei voneinander entfernten Uhren im Bereich eines gleichen Fernsehsenders insbesondere einfach. Es können aber auch Uhren, deren Standpunkt in verschiedenen Staaten liegt, bei gemeinsamer internationaler Übertragung von Programmen verglichen werden. Das Übertragungsnetz kann dann gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten einfachen Beispiel viel verzweigter sein.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht ein kompatibiles System mit doppelter Verwendbarkeit des Übertragungsweges. Sie kann allgemein in einem beliebigen Übertragungssystem verwendet werden, insofern dieses die folgenden Voraussetzungen erfüllt: 1. Eine genügende Bandbreite für den steilen Anlauf der Impulsfront.
2. Eine definierte und konstante Übertragungszeit der Impulse im System.
3. Leichte Zugänglichkeit des Systems in allen Punkten, in denen die Messung ausgeführt werden soll. Wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, genügt es, die Übertragungszeit zwischen beliebigen Messpunkten einmal entweder durch (Impuls-)-Messung oder 'geodätisch zu bestimmen. Statt beiderseitiger Impulsübertragung bei jeder Messung, kann auch bloss mit der Übertragung in einer Richtung und von einem einzigen Impulsgenerator aus zu allen Messpunkten gearbeitet werden. Dabei ist es ersichtlicherweise im Prinzip gleichgültig, an welcher Stelle des Übertragungssystems der Impulsgenerator angeordnet ist.
Wenn gesichert ist, dass die Messsorte stets den gleichen Impuls aufnehmen und auf diesen Impuls zurückbezogen werden können, kann auch die Impulswiederholungsfolge beliebig sein, wobei aber zwei Impulse in keinem kürzeren Intervall aufeinanderfolgen dürfen als das Intervall der Zeitungewiss- heit an den einzelnen Messorten ist.
Die Anforderungen eines breiten Bandes und einer konstanten Übertragungszeit werden am besten von einem beliebigen System für die Übertragung von Informationen im UKW- oder Mikrowellen- (bzw. optischen) Bereich des Frequenzspektrums der elektromagnetischen Wellen erfüllt.
Die Kompatibilität könnte besonders bei interkontinentalen Synchronisierungen mittels stationärer Sate- liten vorteilhaft verwendet werden, bei denen eine besondere Übertragung der Zeitimpulse sehr teuer wäre.