DE1523890C - Verfahren und Vorrichtung zum Vergleich der Zeitanzeigen von räumlich weit von einander entfernten sehr genauen Uhren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- mußte die Zeit zwischen den Zeitimpulsen der eigentrichtung zum Vergleich der Zeitanzeigen von räumlich liehen Uhren und den über diesen Verbindungsweg anweit voneinander entfernten sehr genauen Uhren durch langenden Impulsen gemessen werden, die Übertragung von Referenzimpulsen über bereits Dieses Verfahren führt zu eindeutigen Resultaten bestehende breitbandige Fernübertragungssysteme. 5 und ermöglicht die Steigerung der Genauigkeit um Es sind bereits Uhren bekannt, die durch einen 2 bis 3 Größenordnungen. Sein Nachteil besteht jedoch Quantum-Frequenztalon, eine sogenannte »Atomuhr«, in organisatorischen, materiellen und zeitlichen Mängesteuert werden, die eine Genauigkeit des Ganges in geln. Auch ist der Bau einer breitbandigen UKW-Verder Größenordnung von Mikrosekunden pro Tag er- bindungstrasse in beiden Richtungen unwirtschaftlich, reichen können. Diese Tatsache führt zum Bestreben, io Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eine Synchronisierung zwischen den einzelnen Obser- Vergleich der Zeitanzeigen von räumlich weit voneinvatorien mit einer Genauigkeit gleicher Größenord- ander entfernten, sehr genauen Uhren wirtschaftlich nung zu erreichen. Um die einzelnen Uhren synchroni- ohne Inanspruchnahme spezieller Sendezeiten auf den sieren zu können, muß vor allem der Unterschied in benutzten breitbandigen Fernübertragungssystemen deren Zuständen bestimmt werden. Bei Uhren, die 15 durchzuführen und dabei die bereits erzielte Genauigräumlich weit voneinander entfernt sind, muß vor keit der Messung des Zeitunterschiedes in der· .Grö- '· allem die genaue Übertragung von Zeitsignalen ge- ßenordnung von 1 μβ zu erhalten. . sichert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-Die größte Ausbreitung hat die drahtlose radioelek- löst, daß die Abweichungen aller zu vergleichenden trische Übertragung durch die Aussendung verschie- ao Uhren gegenüber einem -aus den im breitbandigen. dener Arten von Zeitsignalen gefunden. Langjährige Fernübertragungssystem verwendeten eigenen Impui-"" Erfahrungen aus der ganzen Welt haben bewiesen, daß sen bestimmten Impuls gemessen-werden und andie Grenzen der Übertragungsgenaüigkeit von Zeit- ~ schließend aus diesen Meßwerten unter Berücksichtisignalen in der Größenordnung von 10~³ bis 10~⁴ s gung der verschiedenen yorausbestjmmten Impulsliegen. Bei Übertragungen im Langwellenbereich ist .25 lauf zeiten zu den jeweiligen Uhren die Abweichungen dabei ein begrenzender Faktor die kleine Breite des.j der Zeitanzeigen der Uhren untereinander berechnet Bandes des Übertragungskanals, welche einen zu lang- ■ werden.

samen Anstieg der Signalfront mit einer Zeitkonstante Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchfühin der Größenordnung von, Millisekunden zur Folge rung des Verfahrens besteht darin, daß der Ausgang hat. Die Übertragung ist jedoch bei sehr langen Wellen 30 der zu vergleichenden Uhr mit dem Start-Eingang regelmäßig, und die Übertragungszeit ist außergewöhn- eines elektronischen Zählgerätes verbunden wird.. Dalich konstant. Beim Übertragen im Kurzwellenbereich bei wird an einen zum Empfang der Signale des breitkann zwar leicht eine größere Bandbreite erreicht wer- bandigen Fernübertragungssystems geeigneten Emden, die Ausbreitung ist dabei sehr unregelmäßig, und pfänger eine Schaltung für die Auswahl des bestimm-Schwankungen in der Höhe der Ionosphäre äußern 35 ten Referenzimpulses angeschlossen, deren Ausgang sich als Schwankungen der effektiven räumlichen Ent- am Stopp-Eingang des elektronischen Zählgerätes liegt, fernung. Dadurch wird eine Schwankung der Über- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der tragungszeit hervorgerufen. Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beUhren an räumlich weit voneinander entfernten Stel- schrieben. Es zeigt

len werden auch dadurch verglichen, daß eine genaue 40 P i g. 1 ein Ballempfangsnetz mit zwei gleichzeitig

Uhr von einer Stelle zu einer anderen mittels beson- gespeisten. Fernsehsendern und einer Hilfseinrichtung

derer Mittel, damit die Uhr beim Transportieren nur bei zwei zu vergleichenden Uhren im Bereich der- Sen-

in minimaler'Weise beeinflußt wird, gebracht wird. Ein der,

solcher Vorgang ist schwierig und auch teuer. F i g. 2 ein Blockdiagramm der Schaltung einer

Zum genauen Messen der Unterschiede in den Zu- 45 Hilfsapparatur an einer der zu vergleichenden Uhren

ständen von räumlich weit voneinander entfernten und

Uhren wurden bereits Verbindungswege mit einem ge- F i g. 3 eine Zeitfolge von Impulsen in Zählern ber nügend breiten Band der übertragenen Frequenzen Uhren, deren Zeitangabenunterschied zu messen ist. und mit einer genügend konstanten Zeit der Signal- In F i g. 1 stellen die Blöcke H und 12 zwei Uhren ausbreitung verwendet. Ein solcher Übertragungsweg 50 dar, deren Standorte räumlich voneinander weit entsind Mikrowellen -Ballempfang-CWeitergabe-JRicht- fernt sind und deren Zeitangaben verglichen werden Verbindungen, die z. B. zur. Übertragung von Fernseh- sollen,, d. h., es soll der Unterschied des Zustandes Programmen verwendet werden. Eine Bandbreite von ihrer Zeitangaben gemessen werden. Am Standort der 5 MHz sichert eine kürzere Anstiegszeit der Signal- Uhr 11 kann das vom Fernsehsender 21 aus dem front als 1 μβ. Systematische Messungen auf einer 55 Studio 20 ausgesendete Programm empfangen werden, internationalen Trasse haben die Voraussetzung der in dem sich auch die Quellen der Synchronisierimpulse Stabilität der Impulslaufzeit in der Größenordnung befinden. Am Standort der Uhr 12 kann das vom Fernvon 1 μβ bewiesen. Weitere Untersuchungen haben ge- sehsender 22 ausgesendete Programm empfangen werzeigt, daß die gemessene Impulslaufzeit sehr gut mit , den. Dieser Sender ist über die Ballempfangs-Linie 3 der aus geographischen Koordinaten und der Licht- 60 mit den Endstationen 31 und 32 ebenfalls an das Stugeschwindigkeit berechneten Zeit der einzelnen Punkte dio 20 angeschlossen. Am Standort der Uhr 11 ist die der Trasse übereinstimmt. Zum Zweck des Zeitver- Einrichtung 41 angeordnet, welche aus dem Fernsehgleichs mußte die Ballempfangs-Trasse beiderseitig bis signal des Senders 21 einen Vergleichsimpuls herauszu den Standorten der zu vergleichenden Uhren ver- nehmen kann. Eine ähnliche Einrichtung 42 befindet längert und für die Messung freigegeben werden. Da- 65 sich bei der Uhr 12.

bei mußte die Messung in beiden Richtungen durch- Die Auswahleinrichtungen 41 und 42 sind in F i g. 2

geführt werden, d. h., aus beiden Uhren mußten Zeit- größer dargestellt. Der Block 4 stellt einen üblichen

signale ausgesendet werden, und an beiden Seiten Fernsehempfänger dar, aus dem z. B. die Zeilen-Syn-

chronisierimpulse herausgeführt werden, welche dem Eingang der Schaltung 5 zugeführt werden. Diese Schaltung ist derart gestaltet, daß sie einen einzigen Zeilen-Synchronisierimpuls aus dem Intervall eines Teilbildes auswählen kann. Schaltungen dieser Art sind bekannt und werden z. B. zur Auswahl einer bestimmten einzigen Zeile aus jedem Teilbild eines Fernsehsignals in Fernsehoszillographen zum Zweck einer durchlaufenden Kontrolle und Messung von Übertragungsparametern angewendet. Gewöhnlich wird auf diese Weise eine sogenannte Testzeile ausgewählt, die gewöhnlich zwischen dem 15. und 20. Zeilenimpuls eines jeden Teilbildes vorkommt.. Eine Beschreibung der Schaltung 5 ist also überflüssig. Der durch eine solche Schaltung 5 ausgewählte Zeilen-Synchronisierimpuls wird dem Eingang »Stop« des Zählers 6 zugeführt, an dessen Eingang »Start« der Ausgang der Zeitimpulse der Vergleichsuhr 1 angeschlossen ist. Gestrichelt ist die Verbindung des Ausgangs der Zeitimpulse der Uhr 1 mit der Auswahlschaltung 5 angedeutet, die es ermöglicht, den dem Zeitimpuls der Uhr 1 nächsten Zeichen-Synchronisierimpuls auszuwählen.

Fig. 3 zeigt eine Impulsfolge .bei den Uhren 11 und 12 an entsprechend zugeordneten Zeitachsen. Der Zeitimpuls der Uhr 11 erscheint am Eingang »Start« des entsprechenden Zählers 6 in der Einrichtung 41 im Augenblick I₁₁ und der dieser Zeitangabe entsprechende Zeitimpuls der Uhr 12 erscheint am Eingang »Start« des entsprechenden Zählers 6 in der Einrichtung 42 im Augenblick i₁₂. Die Entfernung Δ t zwischen diesen Zeitimpulsen ist die Differenz der Zeitangaben der beiden verglichenen Uhren. Man stellt sich nun vor, daß ein gewisser Synchronisierimpuls im Studio 20 im Augenblick t₀ entsteht. Dieser Impuls gelangt über den Sender 21 und die Hilfseinrichtung 41 an den Eingang »Stop« des entsprechenden Zählers 6 bei der Uhr 11 im Augenblick /₄₁. Derselbe Impuls gelangt aber über die Ballempfangslinie 31, 3, 32, den Verstärker 22 und die Hilfseinrichtung 42 an den Eingang »Stop« des entsprechenden Zählers 6 bei der Uhr 12 im Augenblick /«.

Es ist klar, daß der Zähler 6 in der Einrichtung 41 bei der Uhf 11 die Angabe A, und der Zähler 6 in der Einrichtung 42 bei der Uhr 12 die Angabe B anzeigt oder druckt. .

Aus dem Diagramm kann leicht abgeleitet werden, daß

Δ t = A — B + Δ tu ■
wobei

Δ t_L — J₄₂ — J₄₁.

Falls die Impulslaufzeit des Signals /₄₁ aus dem Studio 20 zur Uhr 11 und die Zeit t_i2 aus dem Studio 20 zur Uhr 12, die im voraus der Länge der Übertragungstrassen und der Geschwindigkeit der elektrischen Signale über diese Trassen gemessen oder errechnet werden kann, ist es möglich, den gesuchten Unterschied der Zustände der beiden Uhren 11 und 12 auf einfache Weise zu errechnen.

Zur Richtigkeit und Eindeutigkeit der Messung njuß nicht nur die Impulslaufzeit bekannt sein, sondern es muß auch gesichert werden, daß die Zeitungewißheit zwischen den Meßpunkten (den Standorten der einzelnen zu vergleichenden Uhren) wesentlich kleiner als 20 ms ist, was durch Rückbeziehung auf ein einfaches Zeitsignal in einem entsprechenden Zeitpunkt im Tonfrequenz-Ausgangsteil des Hilfs-Fernsehempfängers leicht erfüllt werden kann.

Gemäß dem gegenwärtigen Zustand kann angenommen werden, daß die Zeitungewißheit zwischen den einzelnen Observatorien des ersten Ranges höchstens einige wenige Millisekunden beträgt. Das bedeutet, daß man zur Erfüllung der Bedingung einer eindeutigen Rückbeziehung auf bloß einen bestimmten Synchronisierimpuls nicht ohne weiteres Zeilen-Synchronisierimpulse anwenden kann, deren Wiederholungszeit im Falle der üblichen Normen 40 bis

ίο 100 μβ beträgt. Demgegenüber erfüllt die Vorrichtung, die Bildsynchronisierimpulse anwendet, die im Intervall folgen, welches der Anzahl der Halbbilder pro Sekunde (z. B. 20 ms) entspricht, die geforderte ein- ' deutige Rückbeziehung auf nur einen bestimmten Impuls.

Weiter muß durch ein vorausgehendes Abkommen gesichert werden, daß die Messung in bestimmten, im voraus festgelegten Augenblicken durchgeführt wird, die mit einer Genauigkeit von 1 Sekunde definiert wer-

ao den. Die ganze Messung reduziert sich dann darauf, daß die entsprechenden Angaben des Zählers 6 abge·^ lesen bzw. selbsttätig gedruckt werden. Jede einzelne abgelesene Angabe stellt also, wie ersichtlich, das ι Intervall zwischen dem Zeitimpuls-derJokalen Uhr und dem Augenblick der Ankunft eines ausgewählten Referenzimpulses dar. Die Meßpunkte tauschen untereinander, z. B. mittels Fernschreiber, die Angaben über die gemessenen Intervalle aus. Aus den gegenseitigen Unterschieden der gemessenen Intervalle werden nach Korrektion auf eine vorbekannte Impulslaufzeit zwischen den entsprechenden Meßpunkten die gesuchten Unterschiede der Zustände aller Uhren auf einfache Weise errechnet. Durch Korrektion dieser Zustände, z. B. mittels eines geeigneten Phasenschiebers, erreicht man eine vollkommene Synchronisierung im gesamten Gebiet.

Die Angelegenheit wird besonders einfach bei räumlich voneinander entfernten Uhren im Bereich eines Fernsehsenders. Es können aber auch Uhren, die ihren Ständpunkt in verschiedenen Staaten haben, bei gemeinsamer internationaler Übertragung von Programmen verglichen werden. Das Übertragungsnetz .kann dann im Vergleich mit dem in F i g. 1 dargestellten einfachen Beispiel viel verzweigter sein.

Die Erfindung erzielt ein kompatibiles System mit doppelter Verwendbarkeit des Übertragungsweges.

Die Erfindung kann allgemein in einem beliebige» Übertragungssystem angewendet werden, wenn dieses System die folgenden Voraussetzungen erfüllt:

1. Eine genügende Bandbreite für den steilen Anstieg der Impulsstirn aufweist,

. 2. eine definierte und konstante Laufzeit der Impulse ' im Übertragungssystem besitzt und

3. in allen Punkten, in denen die Messung ausgeführt werden soll, leicht zugänglich ist.

. Falls diese Voraussetzungen erfüllt sind, genügt es, die Impulslaufzeit zwischen beliebigen Meßpunkten einmal entweder durch Impuls- oder geometrische Messung zu bestimmen. Statt beiderseitiger Impulsübertragung bei jeder Messung kann auch nur mit Übertragung in einer Richtung von einem einzigen Impulsgenerator gearbeitet werden. Dabei ist es ersichtlicherweise im Prinzip gleichgültig, an welcher Stelle des Übertragungssystems der Impulsgenerator angeordnet ist. Wenn gesichert ist, daß die Meßpunkte stets ein und denselben Impuls unterscheiden und auf

diesen Impuls rückbezogen werden können, kann auch die Impulswiederholungsfolge eine beliebige sein, d. h., zwei Impulse" dürfen in keinem kürzeren Intervall aufeinanderfolgen, als das Intervall der Zeitungewißheit in den einzelnen Meßpunkten ist. Ansonsten ist der Zweck, dem die übertragenen Impulse ursprünglich dienten, von keiner Bedeutung.

Vom praktischen Standpunkt aus gesehen entspricht der Anforderung eines breiten Bandes und einer konstanten Impulslaufzeit am besten ein beliebiges System lp zur Übertragung von Informationen im UKW- oder Mikrowellen- bzw. optischen Gebiet des Frequenzspektrums der elektromagnetischen Wellen.

Der Vorteil der Kompatibilität könnte besonders bei interkontinentaler Synchronisierung mittels stationärer Sateliten zur Geltung kommen, da eine besondere Übertragung nur für Zeitimpulse sicherlich sehr teuer wäre.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vergleich der Zeitanzeigen von räumlich weit voneinander entfernten sehr genauen

20 Uhren durch die Übertragung von Referenzimpulsen über bereits bestehende breitbandige Fernübertragungssysteme, 'dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen aller zu vergleichenden Uhren gegenüber einem aus den im breitbandigen Fernübertragungssystem verwendeten eigenen Impulsen bestimmten Impuls gemessen werden und anschließend aus diesen Meßwerten unter Berücksichtigung der verschiedenen vorausbsstimmten Impulslaufzeiten zu den jeweiligen Uhren die Abweichungen der Zeitanzeigen der Uhren untereinander berechnet werden. ,

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der zu vergleichenden Uhr (1) mit dem Start-Eingang eines elektronischen Zählgerätes (6) verbunden ist und daß an einen zum Empfang der Signale des breitbandigen Fernübertragungssystems geeigneten Empfängsr (4) eine Schaltung (5) für die Auswahl des bestimmten Referenzimpulses angeschlossen ist, deren-Ausgang am Stop-ELigang^- des elektronischen Zählgerätes (6) liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen