DE2631685A1 - Verfahren und system zur gegenseitigen synchronisation eines leitzeitbasissystems und eines lokalen zeitbasissystems - Google Patents

Description

Verfahren und System zur gegenseitigen Synchronisation eines Leitzeitbasissystems und eines lokalen Zeitbasissystems

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Gattung. Sie hat auch ein System zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.

Die Erfindung dient zur gegenseitigen Synchronisation des Leitzeitbasissystems einer Leitstelle oder Befehlszentrale und mindestens eines lokalen Zeitbasissystemes, welche räumlich entfernt voneinander liegen. Es werden der Taktgeber und die Oszillatorfrequenz des Leitzeitbasissystems einerseits und der Taktgeber sowie die OsziL-latorfrequenz des bzw. jedes lokalen Zeitbasissystems andererseits in Synchronismus gebracht bzw. gehalten.

Es sind Gemeinschaftsnavigations- und -Steuersysteme bekannt, welche es gestatten, mehrere eine Operationsgemeinschaft bildende Flugzeuge, Schiffe oder andere Fahrzeuge zu navigieren und durch Navigations- sowie Leitsignale zu steuern, welche von einer Leitstelle oder Be-

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fehlszentrale her empfangen werden, die in einem Flugzeug, Schiff, anderen Fahrzeug oder in einer Bodenstation untergebracht sein kann. Diese Mitglieder der Operations gemeinschaft sind untereinander und mit der Leitstelle bzw. Befehlszentrale über Funk verbunden, wobei digital kodierte Signale zur Identifikation, zur zeitlichen Steuerung von bestimmten Vorgängen oder Ereignissen und zur Datenübermittlung verwendet werden. Die Kursfunksignale ermöglichen die Navigation mit Hilfe von Trilaterätionsberechnungen und übermitteln Leitnavigationsdaten von der Leitstelle bzw. Befehlszentrale zu Jedem anderen Mitglied der Operationsgemeinschaft .

Bei der Übermittlung der digital kodierten Signale durch Funk wird mit Mehrfachzugriff durch Zeitaufteilung gearbeitet, um eine zweibahnige Funkkommunikation zwischen der Leitstelle bzw. Befehls zentrale und den anderen Mitgliedern der Operationsgemeinschaft zu ermöglichen, und um auch die Identifikation der Mitglieder zu erleichtern. Die Zeitbasis für das System ist eine "Ist-Zeit" und besteht aus aufeinanderfolgenden, sich wiederholenden Systemepochen oder Systemzyklen. Jeder Systemzyklus weist eine endliche Dauer auf und ist in eine Anzahl von gleichen Zeitabschnitten unterteilt. Jedes Mitglied und die Leistelle bzw. Befehlsζentrale ist einem gesonderten, unterschiedlichen Zeitabschnitt im Systemzyklus zugeordnet, so daß eine zweibahnige Funkkommunikation zwischen der Leitstelle bzw. Befehlszentrale und jedem Mitglied, also zwischen diesen hin und her, einmal während jedes Systemzyklus stattfinden kann, und zwar während des dem Jeweiligen Mitglied zugeordneten Zeitabschnitts.

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Venn die lokale Zeitbasis eines jeden Mitglieds der Operationsgemeinschaft und die Leitzeitbasis der Leitstelle bzw. Befehlszentrale gegenseitig synchronisiert sind, dann können die digital kodierten Funksignale für die zeitliche Steuerung von Vorgängen bzw. Ereignissen, einschließlich derjenigen zur Erzielung bestimmter Abläufe oder Aufeinanderfolgen von Vorgängen bzw. Ereignissen, verwendet werden, ferner für Schrägentfernungsmessungen zwischen den Hitgliedern und der Leitstelle bzw. Befehlszentrale.

Naturgemäß hängt die Genauigkeit und Betriebszuverlässigkeit bei Systemen dieser Art in starkem Maße vom Grad der Synchronisation zwischen dem Taktsystem bzw. Leitzeitbasissystem der Leitstelle bzw. Befehlszentrale und den lokalen Taktsystemen bzw. Zeitbasissystemen der anderen Mitglieder ab. Da es sich bei den Mitgliedern der Operationsgemeinschaft um Flugzeuge bzw. Schiffe bzw. andere Fahrzeuge handeln kann, ist eine gemeinsame Energieversorgung nicht möglich und muß die Synchronisation der Taktsysteme durch Funksignale bewerkstelligt werden.

Dazu muß die angewendete Synchronisationstechnik nicht nur eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleisten, sondern sie muß auch in mechanisch robuster Bauweise verwirklicht werden können, damit die Verwendung auf dem Lände, zu Wasser und in der Luft möglich ist.

Heben der Verwendung bei Gemeinschaftsnavigationssystemen werden Zeitbasissynchronisationssysteme auch oft zur Synchronisation der lokalen Taktsysteme mehrerer räumlich weit voneinander entfernter Eechner und/oder industrieller Steuersysteme benutzt, um eine gemeinschaftliche

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Rechnerbenutzung bzw. Industriesteuerung zu ermöglichen. Des weiteren werden Zeitbasissynchronisationen bei reinen Ührzeitangabe-Aawendungen angewendet, um nämlich eine oder mehrere räumlich getrennt angeordnete, die Zeit anzeigende Uhren mit einer Leituhr zu synchronisieren, damit an allen Orten eine genaue und somit eine einheitliche Uhrzeit angezeigt wird.

Bekannte Zeitbasissynchronisationssysteme bewerkstelligen im allgemeinen die Zeitbasiskorrektur durch Rücksetzen oder Unterordnung der lokalen Zeitbasis derart, daß der gemessene Zeitfehler innerhalb des Quantisierungsniveaus der Messung zu Null gemacht wird. Dadurch ist die Genauigkeit derartiger Systeme direkt abhängig von der Genauigkeit der diskreten Zeitfehlermessung, welche natürlich durch Rauschen verfälscht und durch Systemfehler beeinträchtigt wird. Da der zeitliche Synchronisationsfehler augenblicklich gemessen wird, ist er großen Abweichungen unter Dauerzustandsbedingungen unterworfen, und zwar wegen der eine Rolle spielenden, inhärent kurzen Zeitkonstanten, und weil die Vorgeschichte frühere Abweichungen und Zeitfehlerkorrekturen nicht bei demjenigen Korrektursignal berücksichtigt wird, welches aus der augenblicklichen Zeitfehlermessung resultiert. Ein derartiges System weist daher nicht den Vorteil der Durchschnittsbildung aus mehrfachen Zeitfehlermessungen zur Erzeugung eines Zeitfehlersignals auf, welches von der Inderungsrate der zeitlichen Synchronisationsfehler in einem kurzen, vergangenen Zeitraum abhängt.

Zusätzlich werden bei den bekannten Systemen generell keine Frequenzkorrekturen bei den lokalen Oszillatoren vorgenommen, welche den wesentlichen Takt erzeugen,

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so daß die Qualität und Genauigkeit der erzeugten, lokalen Zeitbasis sehr von der Qualität des lokalen Oszillators abhängt, welcher jeweils verwendet ist. Die Verwendung relativ billiger, handelsüblicher Oszillatoren geringer Qualität ist daher ausgeschlossen. Einige der bekannten Zeitbasissynchronisationssysteme verwenden Frequenz- und Zeitstandardfunksignale, welche von Sendestationen des NATIONAL BUREAU Oi¹ STANDARDS gesendet werden. Es werden Vergleichsempfänger verwendet, womit die empfangenen Frequenz- und Zeitsignale mit der Frequenz und der Zeit der lokalen Zeitbasissysteme verglichen werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches dann dazu verwendet wird, die lokalen Systeme in Synchronismus mit den übermittelten Frequenz- und Zeitstandards zu bringen. Diese Systeme sind hinsichtlich ihrer Genauigkeit von einer Integration über eine lange Zeitspanne abhängig, was sehr große Durchschnittszeiten erfordert. Die erforderliche Ausrüstung ist sehr verwickelt und teuer und wird deshalb gewöhnlich nur in überwachten Laboratorien verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere die geschilderten Nachteile zu beheben und ein Verfahren sowie ein System zur gegens-eitigen Synchronisation eines lokalen Zeitbasissystems und eines Leitzeitbasissystems, jeweils mit einem oszillatorgetriebenen Taktgeber, zu schaffen, welches im Hinblick auf Funktionsweise, Aufbau und Verwendbarkeit verbessert ist.

Das erfindungsgemäße Synchronisationsverfahren ist daher durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekenn-

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zeichnet. Das erfindungsgemäße Synchronisationssystem zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 6 gekennzeichnet. Weitere Vervollkommnungen sind den restlichen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung vermittelt eine Reihe von Vorteilen. So spiegelt das Synchronisationsfehlersignal die Änderungsrate. der Zeitfehler in einem kurzen, vergangenen Zeitraum wieder, die resultierende Zeitbasiskorrektur also die jüngste Vorgeschichte früherer, erforderlich gewesener Zeitbasiskorrekturen. Weiterhin kann die Erfindung nicht nur zum Unterordnen entfernter, lokaler Taktsysteme unter ein Leittakt syst em verwendet werden, sondern auch zur Durchführung von Frequenz- und Phasenkorrekturen bei lokalen Oszillatoren. Sie ermöglicht ferner das Benutzen verhältnismäßig billiger und handelsüblicher, lokaler Oszillatoren minderer Qualität in dem bzw. jedem lokalen Zeitbasissystem, ohne die Systemgenauigkeit und -Stabilität zu beeinträchtigen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Frequenz- und Zeitkorrekturen von einem Digitalfilter abgeleitet werden können, welcher die Wirkungsweise eines einfachen Kalman. -Filters simuliert. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß eine schnelle und genaue Unterordnung der räumlich entfernten, lokalen Taktgeber und Oszillatoren an den Leittaktgeber und den Leitoszillator unter Verwendung kodierter oder unkodierter Funksignale ermöglicht wird. Hoch ein Vorteil der Erfindung beruht darin, daß die Erfindung mechanisch stabil verwirklicht werden und somit in Flugzeugen, Schiffen und anderen Fahrzeugen verwendet werden kann.

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Die Erfindung erlaubt es, ein oder mehrere lokale Zeitbasissysteme mit jeweils einem oszillatorgetriebenen Taktgeber und ein Leitzeitbasissystem mit einem oszillatorgetriebenen Taktgeber gegenseitig zu synchronisieren. Der zeitliche Synchronisationsfehler zwischen den Systemen wird zu vorbestimmten Abtastzeiten gemessen· Bei Jeder Abtastzeit werden aus dem gemessenen Fehler Frequenz- und Phasenkorrektur signale für die lokalen Oszillatoren und Zeitkorrektursignale für die lokalen Taktgeber abgeleitet. Die Oszillatorkorrektursignale werden dem lokalen Oszillator aufgegeben und die Zeitkorrektursignale werden dem lokalen Taktgeber zugeführt, und zwar mit Verstärkungen, welche eine Funktion der Größe des Fehlers und der Anzahl der Abtastzeiten zwischen Korrekturen sind, so daß Korrekturen gemacht werden, welche auf der Änderungsrate des Fehlers im jüngst vergangenen Korrekturzeitraum basieren, nicht aber nur auf dem bei der jeweiligen Tastzeit gerade gemessenen Fehler.

Die für jede einzelne Korrektur angewendeten, spezifischen Oszillator- und Taktgeberverstärkungen werden durch einen entsprechenden Steuerzustand des jeweiligen lokalen Synchronisationssystems bestimmt. Für dasselbe ist eine programmierte Steuerzustandsaufeinanderfolge vorgesehen. Für anfänglich große Fehler geschieht ein Übergang von einem auf einen anderen Steuerzustand automatisch für eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Korrekturen. Für kleinere nachfolgende Korrekturen hängt der Übergang von der Größe des Fehlers ab. Die Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen für einen einzelnen Steuerzustand können konstant oder variabel sein, . oder sie können von der Summe einer Konstanten und einer

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Variablen abhängen. Insbesondere kann als Variable die Anzahl an Abtastzeiten zwischen Korrekturen verwendet werden, welche bei einer konstanten Abtastrate tatsächlich ein Maß für die zwischen Korrekturen verstrichene Zeitspanne ist. Zur Erzeugung der Frequenz- und Phasenkorrektursignale für den geweiligen lokalen Oszillator und des Zeitkorrektursignals für den zugehörigen, lokalen Taktgeber wird ein Digitalfilter verwendet, welcher der Arbeitsweise eines einfachen Kalman**Filters angenähert ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß eine Vielzahl von räumlich weit voneinander entfernten, lokalen Zeitbasissystemen mit einem Leitzeitbasissystem mittels digital kodierter Funksignale synchronisiert wird. Alle diese Zeitbasissysteme weisen jeweils einen oszillatorgetriebenen, digitalen Taktgeber auf, welcher eine periodisch wiederkehrende Reihe aufeinanderfolgender Zeitabschnitte erzeugt, welche jeweils dem Leitzeitbasissystem bzw. einem lokalen Zeitbasissystem zugeordnet sind, um einen Mehrfachzugriff durch Zeitaufteilung beim Leitzeitbasissystem für jedes lokale Zeitbasissystem zu gewährleisten. Eine grobe Zeitsynchronisation wird durch die Übermittlung eines Grobsynchronisationssignals vom Leitzeitbasissystem zu jedem lokalen Zeitbasissystem zu Beginn der Reihe von Zeitabschnitten in der Leitzeitbasis des Leitzeitbasissystems erreicht, welches alle lokalen Zeitbasissysteme auf den Beginn der Reihe von Zeitabschnitten zurücksetzt. Die Feinsynchronisation jedes lokalen Zeitbasissystems erfolgt während desjenigen Zeitabschnitts, der dem jeweiligen lokalen Zeitbasissystem zugeordnet ist, durch Übermittlung eines Feinsynchronis ations an frage- und eines Feinsynchronisa-

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tionsantwortsignals. Diese Signale werden dazu verwendet, in dem betreffenden lokalen Zeitbasissystem ein Synchrones at ionsf ehlersignal zu erzeugen.

Das Synchronesationsfehlersignal wird zur Erzeugung einer Frequenz- und einer Phasenkorrektur für den betreffenden, lokalen Oszillator und einer Zeitkorrektur für den lokalen !Taktgeber verwendet, wobei dies entsprechend einer vorgegebenen Steuerzustandsauf einanderfolge geschieht. Dabei sind die Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen für die jeweilige Korrektur durch die Anzahl der Systemzyklen zwischen Feinkorrekturen und die Größe des Synchronisationsfehlers bestimmt. Es kommt erwähntermaßen ein digitaler Filter zur Anwendung, welcher der tfirkungsweise eines einfachen Kaiman-Filters angenähert ist.

Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Verhältnisses von Leitzeitbasis und lokaler Zeitbasis und der Übermittlungsfolge des Grobsynchronisationssignals, des Feinsynchronisationsanfragesignals und des Feinsynchronisationsantwortsignals beim erfindungsgemäßen Zeitbasissynchronisieren;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Zeitbasissynchronisationssystems j

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Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung der Aufeinanderfolge von Steuerzuständen beim Zeitbasissynchronisationssystem gemäß Fig. 2;

Fig. 4-Δ und 4-B jeweils den Ausgang des Sekundärzählers des Leitzeitbasissystems in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Synchronisationsfehler E = 0 bzw. E / 0;

Fig. 5A und 5B jeweils -den Ausgang des Sekundärzahlers eines lokalen Zeitbasissystems in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Synchronisationsfehler E - O bzw." E / O;

Fig. 6A und 6B jeweils den Ausgang des Zeitabschnittgeberteils des Hauptzählers eines lokalen Zeitbasissystems bei einem Synchronisationsfehler E-O bzw. E ji Ο;

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Prozessors eines arithmetischen Bausteines, welcher die Oszillatorfrequenz- und -phasenkorrekturen und die Taktgeberkorrekturen hervorbringt; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zeitbasissynchronisationssystems.

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Im Folgenden ist die Erfindung in Verbindung mit einer Vielzahl von Fahrzeugen, wie Schiffen oder Flugzeugen, beispielsweise erläutert, welche eine Operationsgemeinschaft bilden und zusammen mit einer gemeinsamen Leitstelle oder Befehlszentrale in einem Gemeinschaftsnavigationssystem integriert sind. Der Befehlszentrale ist eine Leitzeitbasis 20 und jedem Fahrzeug ist eine lokale Zeitbasis 21 zugeordnet.

Fig. 1 veranschaulicht das gegenseitige Verhältnis der Leitzeitbasis 20 der Befehlszentrale und der lokalen Zeitbasis 21 eines Fahrzeuges N der Operationsgemeinschaft. Sie in der Befehlszentrale erzeugte Leitzeitbasis 21 besteht aus aufeinanderfolgenden, sich wiederholenden Systemepochen oder -zyklen. Jeder Systemzyklus setzt sich aus einer Serie von beispielsweise 1024 separaten Zeitabschnitten zusammen, von welchen ein Zeitabschnitt der Befehlszentrale und die übrigen Zeitabschnitte jeweils einem Fahrzeug der Operationsgemeinschaft zugeordnet sind, so daß bei dem angenommenen Beispiel 1023 Fahrzeuge teilnehmen können.

Bei dem gewählten Beispiel dauert ein einziger Systemzyklus 2,68 Sekunden, so daß jeder Zeitabschnitt innerhalb des Systemzyklus 2,62 Millisekunden dauert. In Fig. 1 ist die Leitzeitbasis 20 aus Darstellungsgründen verkürzt wiedergegeben. Es sind nur der der Befehlszentrale zugeordnete Zeitabschnitt ¹¹O", der dem Fahrzeug ΪΓ zugeordnete Zeitabschnitt ¹¹N" und der Zeitabschnitt "1023" dargestellt, welcher dem Fahrzeug 1023 der Operationsgemeinschaft zugeteilt ist. Die lokale Zeitbasis 21, die individuell von jedem Fahrzeug der Operationsgemeinschaft selbst erzeugt wird, ist mit der Leitzeitbasis 20 iden-

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tisch, und besteht ebenfalls aus 1024 Zeitabschnitten, von denen jeder 2,62 Millisekunden dauert, während ein Systemzyklus 2,68 Sekunden dauert.

Bei einem solchen Gemeinschaftsnavigationssystem für eine Operationsgemeinschaft ist es wesentlich, daß die lokale Zeitbasis 21 jedes Fahrzeugs möglichst synchron mit der Leitzeitbasis 20 ist, da eine zweibahnige Funkkommunikation zwischen jedem Fahrzeug und der Befehlszentrale während eines einzigen, dem jeweiligen Fahrzeug zugeordneten Zeitabschnittes erfolgt. Die Funkverbindungen zwischen der Befehlszentrale und den Fahrzeugen werden dazu verwendet, die Navigation durch. Trilaterationsberechnungen zu ermöglichen, und zwar unter Anwendung von Funkschrägentfernungsmessungen zwischen den Fahrzeugen und der Befehlszentrale bei verschiedenen Positionen in dem die Operationsgemeinschaft definierenden Navigationsnetz.

Die Synchronation erfolgt über gefunkte Grobsynchronisationssowie Feinsynchronisationsanfrage- und Feinsynchronisationsantwortsignale, welche mit eindeutigen Kodes digital kodiert sind, um sie für das jeweilige Fahrzeug und die Befehlszentrale der Operationsgemeinschaft zu identifizieren. Jedes dieser Signale kann durch Zweiphasen-Modulationstechniken erzeugt werden, und zur Identifikation des jeweiligen Signals kann die "Barker"-Kodierung verwendet werden.

Der "Barker"-Kode kann beispielsweise aus einer aufeinanderfolgend gesendeten Folge von 13 Bits bestehen, tfenn Zweiphasen-Modulationstechniken angewendet werden, dann wird jedes Bit als Vorliegen oder Fehlen einer Pha-

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senverschiebung in dem gesendeten HP-Signal definiert. Die diese Signale empfangenden Funkempfänger können mit Differentialphasendekodierung arbeiten, weiche im Betrieb asynchron ist. ¥ährend der Dekodierung summiert der !Empfänger die Amplituden der empfangenen Impulsfolge über das Impulsfolgeintervall auf, und der sich daraus ergebende Ausgangsimpuls weist eine Amplitude auf, die durch die Anzahl der Bits in dem "Barker"-Kode multipliziert ist. Der sich ergebende Impuls, welcher ein "Timing"-Impuls ist und ein bestimmtes Ereignis initiert, würde in dem Beispiel eine Amplitudenverstärkung von aufweisen, da ein 13-Bit-Kode verwendet wird. Jedoch können die Übermittlung und der Empfang der Synchronisationssignale auf jede beliebige Art und Veise erfolgen, ge nach der speziellen Anwendung der Erfindung.

In Fig. 1 ist die lokale Zeitbasis 21 des Fahrzeugs N der Operationsgemeinschaft als außer Synchronisation mit der Leitzeitbasis 20 der Befehlszentrale dargestellt. Demgemäß liegt bei der lokalen Zeitbasis 21 dann, wenn bei der Leitzeitbasis 20 ein Zeitabschnitt "1023" vorhanden ist, ein Zeitabschnitt "X" vor. Zu Beginn des Zeitabschnittes "0", der der Befehlszentrale der Operationsgemeinschaft zugeteilt ist, sendet die Befehlszentrale ein Grobsynchronisationssignal 22, das von allen Fahrzeugen der Operationsgemeinschaft, einschließlich des Fahrzeugs N, empfangen wird.

Wenn das Grobsynchronisationssignal 22 vom Fahrzeug M" empfangen wird, dann dient es zur Rücksetzung des Fahrzeugtaktgebers auf den Start eines Systemzyklus gemäß Fig. 1. Da das Grobsynchronisationssignal 22 vom Fahrzeug H nach einer Zeitverzögerung t empfangen wird,

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die gleich der EQ?-Laufzeit zwischen der Befehlszentrale und dem Fahrzeug N ist, weist die lokale Zeitbasis 21 des Fahrzeugs Ii einen relativen Synchronisationsfehler E bezüglich der Leitzeitbasis 20 der Befehlszentrale auf, welcher gleich der HP-Laufzeit ist. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Grobsynchronisation zwischen dem Befehlszentrale- und Fahrzeugtaktgeber erreicht.

Im Zuge des Systemzyklus wird der Zeitabschnitt "N" in dem Fahrzeugtaktgeber erreicht. Da dieser Zeitabschnitt "N" nur dem Fahrzeug N zugeteilt ist, sendet das Fahrzeug N ein Feinsynchronisationsanfragesignal 23 zu Beginn seines Zeitabschnittes "N", welches von der Befehlszentrale zum Zeitpunkt T im-Zeitabschnitt "N" der Leitzeitbasis 20 empfangen wird. Beim Empfang mißt die Befehlszentrale die Zeitspanne, welche zwischen dem Beginn ihres Zeitabschnittes ¹¹K" und dem Empfang des Feinsynchronisationsanfragesignals 23 zum Zeitpunkt I verstrichen ist. Die Befehlszentrale sendet dann ein Feinsynchronis at ions antwortsignal 24 zu einem Zeitpunkt (10-T) in ihrem Zeitabschnitt "U", welcher von dem Ende dieses Zeitabschnittes "IS" denselben Abstand hat, wie der Zeitpunkt T vom Beginn-des Abschnitts "H".

Wenn das Feinsynchronisationsantwortsignal 24 vom Fahrzeug N empfangen wird, mißt das Fahrzeug N die Zeitspanne, welche zwischen dem Empfang des Feinsynchronisationsantwortsignals 24 und dem Ende seines Abschnittes "N" verstreicht. Die Größe der so gemessenen, verstrichenen Zeitspanne ist gleich dem Zweifachen des Synchronisationsfehlers E zwischen dem Fahrzeug- und dem Befehlszentralentaktgeber. Da das Fahrzeug N nun eine Information über die Größe des verdoppelten Fehlers E

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bekommen hat, kann die lokale Zeitbasis 21 mit der Hälfte des Meßergebnisses angepaßt werden, um dadurch die lokale Zeitbasis 21 des Fahrzeugs N in Synchronisation mit der Leitzeitbasis 20 zu bringen.

Gemäß Fig. 1 ist die lokale Zeitbasis 21 des Fahrzeugs TS beispielsweise um zwei Einheiten eines Zeitabschnitts von zehn Einheiten außer Synchronismus mit der Leitzeitbasis 20. Unter der Annahme, daß die HF-Laufzeit t zwischen der Befehlszentrale und dem Fahr-

zeug N ebenfalls zwei Einheiten eines Zeitabschnitts beträgt, wird das Feinsynchronisationsänfragesignal 23, welches vom Fahrzeug TS gesendet wird, durch die Befehlszentrale zum Zeitpunkt T empfangen, welcher vier Einheiten vom Beginn des Zeitabschnittes "N" entfernt ist. Die Befehlszentrale sendet dann, das Feinsynchronisationsantwortsignal 24 zu einem Zeitpunkt, welcher vier Einheiten vom Ende des Zeitabschnittes "N" entfernt ist, so daß das Feinsynchronisationsantwortsignal 24 vom Fahrzeug N zu einem Zeitpunkt empfangen wird, welcher vier Einheiten vom Ende seines Zeitabschnittes "N" entfernt ist.

Das Fahrzeug N mißt dann die Zeitspanne von vier Einheiten, welche zwischen dem Empfang des Feinsynchronisationsantwortsignals 24 bis zum Ende seines Zeitabschnittes "N" verstrichen ist, und stellt seinen Taktgeber entspreehend einem Faktor ein, der gleich der Hälfte dieses Meßergebnisses ist, also entsprechend einem Faktor von zwei Einheiten. Somit wird der Taktgeber des Fahrzeuges N so eingestellt, daß die Übermittlung des nächsten Zeitabschnittes beginnt, wenn acht Einheiten seines Zeitabschnittes "N" verstrichen sind, so daß also seine korrigierte, lokale Zeitbasis 25 mit der Leitzeitbasis 20 der

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Befehls zentrale synchronisiert ist. Bas Feinsynchronisationsanfrage- und das Feinsynchronisationsantwortsignal 23 bzw. 24· wird vom Fahrzeug IT bzw. von der Befehlszentrale einmal während jedes vollständigen Systemzyklus gesendet, so daß der Synchronisationsfehler E einmal während Beetes Systemzyklus gemessen wird, also einmal alle 2,68 Sekunden.

Wenn die erste Feinsynchronisation der lokalen Zeitbasis 21 zur Leitzeitbasis 20 erfolgt ist, dann wird das durch die Befehlszentrale zu Beginn des Zeitabschnittes "0" gesendete Grobsynchronisationssignal 22 nicht mehr verwendet, da dies automatisch einen Synchronisationsverlust zwischen der lokalen Zeitbasis 21 des Fahrzeugs H und der Leitzeitbasis 20 der Befehlszentrale zur Folge haben würde, der gleich der HF-Laufzeit des Grobsynchronisationssignals 22 ist. Demgemäß wird das GrobsynchronisationssignalR22 auf dem Fahrzeug Ή nur verwendet, wenn die erste Synchronisation vorgenommen wird, also zum Beispiel, wenn das Fahrzeug N sich zum ersten Male der durch die Befehlszentrale gesteuerten Operationsgemeinschaft anschließt.

Das erfindungsgemäße Synchronisationssystem, dessen Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt ist, kann sowohl für die Befehlszentrale als auch für ein Fahrzeug der Operationsgemeinschaft verwendet werden. Venn das Synchronisationssystem für die Befehlszentrale der Operationsgemeinschaft verwendet wird, dann muß die noch zu schildernde Zeitbasiskorrekturlogik abgeschaltet werden, weil die Leitzeitbasis 20 den Bezug für die gesamte Operationsgemeinschaft bildet, so daß keine Korrektur notwendig ist. Demgemäß wird das in Fig. 2 dargestellte

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Synchronisationssystem hauptsächlich im Hinblick auf die Verwendung bei einem Fahrzeug der Operationsgemeinschaft beschrieben.

Ein digitaler Hauptzähler 30 und- eis. spannungsgesteuerter Sägezahngenerator bzw· Oszillator 31 dienen zur Erzeugung der lokalen Zeitbasis 21 bei jedem Fahrzeug der Operationsgemeinschaft und bilden zusammen einen Taktgeber für das geweilige Fahrzeug, welcher zu dessen Navigationsausrüstung gehört und in Synchronismus mit dem korrespondierenden Taktgeber der Befehlszentrale gehalten werden muß. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators 31» bei dem es sich um einen Oszillator relativ geringer Qualität handeln kann, ist durch eine Spannung gesteuert, welche dem Oszillator 31 vom Ausgang eines Digital/Analog-Umsetzers 32 zugeführt wird. Der Digital/Analog-Ümsetzer 32 wird mit dem digitalen Ausgang eines Zählers 33 beaufschlagt, welcher vorwärts und rückwärts zählt. Der Zähler 33 wird anfänglich auf den Mittenbereich gesetzt und zählt entsprechend einer Serie von Impulsen hoch oder herunter, die proportional dem gemessenen Synchronisationsfehler E ist·

Die Eingangssignale des Zählers 33 steuern die Oszillatorfrequenz und -phase, ferner das Vorzeichen oder die Richtung der Korrektur. Die Verstärkung der Oszillatorkorrektur wird durch den Abgriff an dem Zähler 33 bestimmt, an welchen das Korrekttursignal, wie nachfolgend noch erläutert, angelegt wird. Ein "Timing"-Ausgang 34· des Hauptzählers 30 erzeugt die lokale Zeitbasis 21, welche in Synchronismus mit der Leitzeitbasis 20 der Befehlszentrale gehalten werden muß. Dieser "Timing"-Ausgang 34 des jeweiligen Fahrzeugs ist an die Sen-

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delogik gekoppelt, welche bewirkt, daß das Feinsynehronisations anfrage signal 23 zu Beginn desjenigen Zeitabschnitts übertragen wird, welcher dem jeweiligen Fahrzeug zugeteilt ist. Bei der Befehlszentrale bewirkt der "iDiming"-Ausgang 3²J-* daß die Sendelogik das Grobsynchronisationssignal 22 zu Beginn des Zeitabschnittes "0" erzeugt, welcher der Befehlszentrale zugeordnet ist.

Ein Sekundär zähl er 35 wird in dem Synchronisationssystem zur Durchführung von mehreren Funktionen verwendet. Es handelt sich um einen Arbeitszähler, welcher die Synchronisationsfehlermessungen bei dem jeweiligen Fahrzeug der Operationsgemeinschaft durchführt und diejenige Zeitspanne mißt, welche zwischen dem Smpfang des Feinsynchronisationsantwortsignals 24 und dem Ende desjenigen Zeitabschnittes verstreicht, welcher dem jeweiligen Fahrzeug zugeteilt ist. Demgemäß weist der Sekundärzähler 35 einen Ausgang 36 auf, welcher den gemessenen Synchronisationsfehler E in digitaler Form liefert.

Bei der Befehlszentrale der Operationsgemeinschaft hat der Sekundär zähl er 35 einen "iDiming^lt-Ausgang 37» welcher an die Sendelogik angeschlossen ist und bewirkt, daß das Feinsynchronisationsantwortsignal 24 zum erforderlichen Zeitpunkt vor dem Ende des dem jeweiligen Fahrzeug zugeteilten Zeitabschnittes erzeugt wird· Diese Funktion des Sekundärzählers 35 wird abgeschaltet, wenn das Synchronisationssystem in einem Fahrzeug verwendet wird. Die dritte Funktion des Sekundärzählers 35 besteht in der Durchführung von Schrägentfernungsmessungen zur Abstandsbestimmung zwischen operierenden Fahrzeugen der Operationsgemeinschaft über die erwähnten Trilat er ationsb er echnungen ·

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Sowohl der Hauptzähler 30 als auch der Selcundärzähler 35 kann als bekannter, digitaler Frequenzteiler ausgebildet sein. Der Hauptzähler 30 kann beispielsweise einen digitalen 28-Bit-Teiler aufweisen, welcher durch einen lOO-Mhz-Frequenz-Ausgang des Oszillators 31 getrieben wird· Die Systemzyklusdauer wird dann durch die Periode des signifikantesten Bits in dem Hauptzähler 30 bestimmt, und die Hessungsauflösung von nahezu zehn Nanosekunden wird durch die Periode des 100-Mhz-Oszillators 31 bestimmt·

Die zehn signifikantesten Bits des Hauptzählers 30 werden für das Zeitabschnittzählen verwendet, und die achtzehn am wenigsten signifikanten Bits sind für das Zeitabschnitt-Iiming reserviert. Venn bei einem Fahrzeug ein Synchronisationsfehler E gemessen wird, müssen die Phase und die Frequenz des lokalen Taktgebers derart angepaßt werden, daß der Zustand seines Hauptzählers 30 zu jeder Zeit der gleiche ist, wie der Zustand des Hauptzählers 30 der Befehlszentrale. Dies wird durch Einstellung der Gesamtphase der Frequenzquelle und des Teilers und durch Einstellung der Frequenz der Frequenzquelle erreicht. In Fig. 2 ist gezeigt, daß die Auegangsfrequenz 38 des Oszillators 31 zur Speisung sowohl des Hauptzählers 30 als auch des Sekundärzahlers 35 verwendet wird.

Der Best des in Fig. 2 dargestellten Synchronisationssystems dient zur Erzeugung der Frequenz- und Phasenkorrektursignale für den Oszillator 31 und der Zeitkorrektursignale für den Hauptzähler 30. Er programmiert bzw. bestimmt Steuerzustände und wirkt als Digitalfilter, um Zeit- und Frequenzkorrekturen als eine Funktion des gemessenen Synchronisationsfehlers und der seit

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der letzten Korrektur verstrichenen Zeitspanne hervorzubringen. Wie nachfolgend noch erklärt wird, entspricht der Algorithmus dieses Filters annähernd der Operation eines einfachen Kaiman-Filters, welcher im wesentlichen ein linearer Filter mit zeitvariierender Verstärkung ist, Die Filterlogik nimmt einen gemessenen Zeitbasissynchronisationsf ehler auf und verarbeitet ihn entsprechend des Filteralgorithmus, um ein Zeitkorrektursignal für den Hauptzähler 30 und Frequenz- sowie Phasenkorrektursigna-Ie für den Oszillator 31 zu erzeugen. Der Filteralgorithmus glättet die Zeit-, Frequenz- und Phasenkorrekturen, um einen engen Synchronismus zwischen dem Oszillator 31 und dem Hauptzähler 30 des jeweiligen Fahrzeuges und dem Oszillator 31 und dem Hauptzähler 30 der Befehlszentrale zu erzeugen.

Die Entwicklung dieses Filters wird für dieses Synchronisationssystem nun beschrieben. Bei der Entwicklung des Kaiman-Filters können die Fehler aufgrund der konstanten Oszillatordrift durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

(1) tü^³" ^n I^{+ 0}^ ^* ^^

(2) θ£ - G^₁ + O)^₁ Λ * + 1/2 ώ (At)².

Dabei bedeuten: 63 den Frequenzfehler zum Zeitpunkt t aufgrund von Oezillatordrift; Θ® den Phasenfehler zum Zeitpunkt t aufgrund von Oszillatordrift; OJ die Oszillatordriftgeschwindigkeit und .<^t das Tastintervall. Das statische Rauschen des Oszillators kann durch einen Markov-Prozeß mit einer Zeitkonstanten T (Autokorrelationszeit) dargestellt werden. Die Fehler zu jeder lastzeit können

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durch folgende Gleichungen dargestellt werden? (3) ω J. K₀ (J^₁ +E₁V. und

wobei Kq » e~ ,

und

(_At - T

1-e - At/JT)

Dabei bedeuten 63^ den Frequenzfehler zum Zeitpunkt-"t aufgrund des statistischen Rauschens des Oszillators; G^ den Phasenfehler zum Zeitpunkt t_n aufgrund des statistischen Rauschens des Oszillators*, R_n eine Gauß'sche Zufallsvariable mit NulldurfeChschnitt und Standardfrequenzhub gleich dem statistischen Rauschen des Oszillators, 3~ die Autokorrelations zeit des Rauschens und At das las tint ervall. Der Phasen- bzw. der Frequenzgesamtfehler kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

(6) Cd_n « (J^ + CJ _n .

Mit diesen Gleichungen kann die Fehlerdynamik in Matrixform angegeben werden, wie folgt:

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-CJn

pi O K₀ At 1/2(ZVt)²H R^I Γκ_ζΊ . pS~j

I O O

	i	ar -. O	0	Eo	O
^n	O	0	O	1
\ώ L	L0	O	O	O

. j

*n-1 ί f "3

WS

'n-1 Π ^A1

pSj

L⁰J

Die Messung der Zeit in Bezug auf den Bezugstaktgeber der Befehlszentrale kann bei Vernachlässigung der Quantisierung vie folgt dargestellt werden:

j 1 0 0 ί.0

θΊ

M9

ω,

»s

L* J

φ
Dabei bedeuten: θ die Phasenmessung zum Zeitpunkt t und V eine Gauß¹sehe Zufallsvariable, welche den statistischen Meßfehler darstellt.

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Obige Zustande- und Hessungsgleichungen enthalten ein lineares System der folgenden Form:

(9)

(10)

Für diese Gleichungssätze kann ein Kaiman-Filter verwendet werden, um eine rekursive, optimale Schätzung des Zustandsvektors 2. zu erhalten, welcher sich aus den Beobachtungen Y ergibt. Die Zustandsschätzung für jeden Synchronisations- bzw. AufrechnungsZeitpunkt η ergibt sich durch:

(11)

F	Vi +	H	F

Dabei bedeuten: Z die Zustandsschätzung zu dem ZeitΓ

punkt t

eine Verstärkungsmatrix und Y_n die Beobachtung oder Messung. Wenn nach jeder Messung der Phasen- und der Frequenzgesamtfehler des Systems jeweils in einem Ausmaß korrigiert werden, welches gleich der zugehörigen Zustandsschätzung ist, dann ergibt sich folgende Schätzungsgleichung:

(12)

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Γ h1 Γ 1 Ί

da Γ h1 Γ 1 Ί X_11-1 zu Null gemacht wurde. Ziel ist also hier die Korrektur der Phasen- und Frequenzgesamtfehler (Θ und (J), bei gegebener Phasenmessung (9 )· Die Korrekturen sind das Negative der gefundenen Zustandsschätzungen, basierend auf den obigen Gleichungen:

(13) G_n- E_c θ*

(14)

Dabei bedeuten K und K die Verstärkungen für den Taktgeber bzw. den Oszillator. Die optimalen Werte dieser Verstärkungen sind zeitvariabel und von der Tastgeschwindigkeit ebenso abhängig, wie von den Kovarianzmatrixunbestimmtheiten, welche allen fünf Zuständen zugeordnet sind.

Unter Anwendung des geschilderten, linearen Modells zum Entwurf für das Erreichen einer brauchbaren Näherung an die optimalen Verstärkungswerte lassen sich Matrixwerte der Kaiman-Verstärkung berechnen, und zwar mit Hilfe der folgenden Gleichungen:

H Ινί H ■ ♦ H H H

(17) [P_n] - [1] - [K_n] [H]

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Dabei bedeuten: I IL I die Zustandskovarianzmatrix zum

"Λ Λ. φ

Zeitpunkt t oder E(X_X ), wobei alle Beobachtungen bis einschließlich Y gegeben sind, [~M ~| die Zustandskovarianzmatrix zum Zeitpunkt t oder E(XI ), wobei alle Beobachtungen bis einschließlich Y_n * gegeben sind, Q die Matrix des konstanten, statistischen Rauschens des Oszillators, welche gegeben ist durch E(U U ) für jedes beliebige n, und 6 den konstanten, statistischen Zeitmeßfehler, der durch E(V ) für jedes beliebige η gegeben ist.

Bei der geschilderten Kovarianz können für das aufgezeigte Synchronisationsproblem ein anfänglicher Frequenzfehler mit 1 Hz, 1 6 und ein anfänglicher Phasenfehler von 600 ms zwischen dem Fahrzeug- und dem Befehlszentraletaktgeber angenommen werden, und zwar zusammen mit einem statistischen Oszillatorrauschen von 0.1 Hz EMS, einem langfristigen Driftwert von 1 Hz pro Tagesmaximum und einer Korrelationszeit für das statistische Oszillatorrauschen von 4 Stunden. Mit diesen Parametern können die optimalen Verstärkungen für die Oszillator- und Taktgeberkorrekturen bei den verwendeten Tastintervallen bestimmt werden.

Bei dem oben beschriebenen Synchronisationssystem stellt die Systemzyklusdauer von 2,68 Sekunden die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Synchronisationen eines jeden Fahrzeugs der Operationsgemeinschaft dar, also das Tastintervall. Für dieses Tastintervall wurden folgende Verstärkungsvariationen gefunden:

7 O 9 8 D 7 / 1 2 1 9

	Tabelle I	Ec
Synchrones at ions- Hummer	Eo	1
1	0	1
2, 3, 4, 5	ho eh.	niedrig plus Variable als eine Funktion von N
6, 7	tief

Dabei bedeutet N die Zahl der Systemzyklen zwischen Synchronisationen. Eine Phasen- oder Zeitkorrektur /\ θ gemäß der Gleichung (13) wird dem (Taktgeber zugefügt und eine Frequenzkorrektur Δ 60 gemäß der Gleichung (14) wird dem Oszillator nach jeder Synchronisation zugefügt. Die Taktgeberkorrektur wird auf die Digitalisationszeit des Taktgebers abgerundet, welche in dem oben beschriebenen Beispiel zehn Manosekunden beträgt. Dem Abrundungsrest kann durch eine Phasenkorrektur beim Oszillator Rechnung getragen werden.

Tabelle I zeigt, wie die Oszillator- und Taktgeberverstärkungen variiert werden können, wenn das Synchronisationssystem aufeinanderfolgende Synchronisationen durchläuft. Nachdem die lokale Zeitbasis 21 eines Fahrzeugs durch das Grobsynchronisationssignal 22 ausgelöst worden ist, erfolgt die erste Synchronisation, wenn der dem geweiligen Fahrzeug zugeordnete Zeitabschnitt im Systemzyklus erreicht wird. Mährend der ersten Synchronisation, welche durch das Feiasynchronisationsanfragesignal 23 und das Feinsynchronisationsantwortsignal 04 in dem Zeitabschnitt des geweiligen Fahrzeugs in diesem Systemzyklus hervorgebracht wird, ist die Taktgeb erver Stärkung

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■ 1 und die Oszillatorverstärkung E_Q » 0. Während der nächsten vier aufeinanderfolgenden Synchronisationen 2, 3» 4- und 5 bleibt die Takt geb erver Stärkung Eq- 1, während die Oszillatorverstärkung Eq. ansteigt. Bei der sechsten Synchronisation wird die Taktgeberverstärkung Eq um eine Eonstante und eine Variable vermindert, welche von der Anzahl Ν der ausgelassenen Synchronisationen abhängt, und die Oszillatorverstärkung Eq wird auf einen niedrigen Wert verringert.

Die Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen E_Q bzw. Eq verbleiben während der siebten und allen nachfolgenden Synchronisationen bei diesen Werten, wenn der gemessene Synchronisationsfehler E gleich oder geringer als ein vorbestimmter Zählwert ist. Wenn bei einer nachfolgenden Synchronisation der Synchronisationsfehler E den vorbestimmten Zählwert für diese Synchronisation überschreitet, und wenn bei der nächsten, folgenden Synchronisation der Synchronisationsfehler E immer noch den vorgegebenen Zählwert überschreitet, dann wird das System in einen Zustand gebracht, wobei höhere Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Eq bzw. Eq vorliegen können. Wenn der den vorgegebenen Zählwert übersteigende Synchronisationsfehler E nicht bei den genannten beiden aufeinanderfolgenden Synchronisationen wiederholt wird, dann bleiben die Verstärkungen Eq und Eq auf den bei der sechsten und siebten Synchronisation verwendeten Werten, weil angenommen wird, daß der hohe Synchronisationsfehler E nur vorübergehend aufgetreten ist.

Wenn der Synchronisationsfehler E den vorgegebenen Zählwert in großem Ausmaß übersteigt und bei zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationen wiederholt wird,

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darm werden die Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Kq bzw. Kq auf jene hohen Werte wieder eingestellt, welche bereits bei den Synchronisationen 2, 3, 4 und 5 verwendet wurden, und die Steuerzustandsaufeinanderfolge für diese und folgende Synchronisationen wird wiederum wiederholt. Venn der Synchronisationsfehler Έ zwar größer als der vorgegebene Zählwert ist, jedoch nicht in einem solchen Ausmaß, und wenn der Synchronisationsfehler E bei den beiden aufeinanderfolgenden Synchronisationen wiederholt wird, dann kann das System auf einen Steuerzustand mit dazwischenliegenden Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Kq bzw. Kq rückgeführt werden.

Die spezifischen Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Kq bzw. Kq, welche bei einem spezifischen System verwendet werden, hängen im allgemeinen von dem Algorithmus des in diesem System verwendeten Kaiman-Filters ab, welcher Algorithmus wiederum von den Systemparametern abhängt. Beispielsweise können für die oben angegebenen Systemparameter und Komponentencharakteristiken und bei einem Systemzyklus mit einer Dauer von 2,68 Sekunden sowie mit 1024 Zeitabschnitten die in der folgenden Tabelle II angegebenen Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Kq bzw. Kq verwendet werden:

Tabelle II

Synchronisations- Kq
Hummer

10 1

2, 3, 4, 5 1/4 1

6, 7 1/256 1/8 + N/32.

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Dabei stellt N wiederum die Anzahl der Systemzyklen zwischen Synchronisationen dar. Die vorstehenden Verstärkungswerte sind Annäherungen, welche durch Simulation für die zuvor diskutierten Systemparameter ermittelt worden sind.

In Pig. 3 ist ein Steuerzustandsauf einanderfolgediagramm für die Tabelle II dargestellt, wobei die verschiedenen vom Synchronisationssystem eines Fahrzeuges angenommenen Steuerzustände durch die Taktgeberverstärkung Kq, die Oszillatorverstärkung Kq, den Synchronisationsfehler-Zählwert und die Anzahl N der Systemzyklen zwischen - Synchronisationen veranschaulicht sind.

Beim Anschalten des Synchronisationssystems des Fahrzeugs wird es in einen Wartezustand 40 versetzt, in welchem es den Empfang des G-robsynchronisationssignales 22 von der Befehlszentrale erwartet. Nach dessen Eapf ang wird die lokale Zeitbasis 21 des jeweiligen Fahrzeugs rückgesetzt, so daß ein neuer Systemzyklus mit dem Zeitabschnitt "0" beginnt. Das System des Fahrzeugs wird für die erste Feinsynchronisation in den Steuerzustand 41 versetzt, wobei die Taktgeberverstärkung K_c » 1 und die Oszillatorverstärkung Kq »0, um die Korrektur eines großen, anfänglichen Phasenfehlers zu ermöglichen.

Bei der zweiten, dritten, vierten und fünften Synchronisation durchläuft das System des Fahrzeugs die Steuerzustände 42, 43, 44 und 45, wobei die Taktgeberverstärkung K_Q « 1 bleibt, während die Oszillatorverstärkung Kq sich auf 1/4 erhöht. Die Zunahme der Oszillatorverstärkung Kq während der zweiten bis fünften Synchronisation

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erlaubt die Korrektur großer, anfänglicher Frequenzfehler. Bei der sechsten Synchronisation gelangt das System des Fahrzeugs in den Steuerzustand 46, bei welchem die laktgeb eisverstärkung Kq » 1/8 + H/32, also vermindert ist. Die Oszillationsverstärkung Kq wird auf einen kleinen Dauerzustandswert von K_Q =» 1/256 vermindert.

Die Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Kq bzw. Kq des Steuerzustandes 46 bei der sechsten Synchronisation werden aufrechterhalten, bis der Synchronisationsfehler E gleich oder kleiner als 2 wird. Dann geht das System in den Steuerzustand 47 über, wobei die Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen K_Q bzw. K_Q sich gegenüber dem Steuerzustand 46 nicht geändert haben. Sie werden auf diesem Pegel und in diesem Steuerzustand gehalten, bis der Synchronisationsfehler E größer als 2 wird. Dann geht das System des Fahrzeugs in den Steuerzustand 48 über, bei welchem wiederum dieselben Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen Kq bzw. Kq ständig aufrechterhalten werden, wie bei den Steuerzuständen 46 und 47.

Wenn bei der nächsten Synchronisation der Synchronisationsfehler E gleich oder kleiner als 2 ist, dann wird das System des Fahrzeugs zurück in den Steuerzustand 47 gesetzt, und zwar unter der Annahme, daß der höhere Synchronisationsfehler E lediglich vorübergehend aufgetreten ist und daher auch nicht bei nachfolgenden Synchronisationen wiederholt wurde. Wenn andererseits der Synchronisationsfehler E dann, wenn das System sich im Steuerzustand 48 befindet, größer als 2 ist, dann wird das System in einen der früheren Steuer-

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zustände in Abhängigkeit von der Größe des Synchronisationsfehlers E zurückversetzt. Wenn der Synchronisationsfehler E größer als 2 aber gleich oder geringer als 20 ist, dann wird das System in den St euer zustand 46 zurückversetzt, bei welchem jene Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen K₀ bzw. Kq ständig aufrechterhalten werden, die für kleine Korrekturen geeignet sind. Wenn der Synchronisationsfehler E des Systems im Steuerzustand größer als 20 ist, dann wird das System in den Steuerzustand 42 zurückgesetzt, wobei die höheren Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen K^ bzw. Kq vorliegen, welche für größere Synchronisationsfehler E geeignet sind. Sann folgt das System der vorgegebenen Aufeinanderfolge von Steuerzuständen 42, 43, 44, 45, 46 und 47, bis der Synchronisationsfehler E auf einen annehmbaren Wert vermindert ist.

Es ist also offensichtlich, daß der digitale Filter zur Erzeugung von Zeit- und Frequenzkorrekturdaten als Funktion vom gemessenen Synchronisationsfehler E und von der seit der letzten Korrektur bzw. Synchronisation verstrichenen Zeitspanne dient. Es handelt sich im wesentlichen um einen einfachen, linearen Filter mit zeitvariierenden Verstärkungen.

In Verbindung mit Fig. 2 wird nun die Funktion des !Digitalfilters an Hand der Systemkomponenten beschrieben. Ein Grobsynchronisationssignal 50 und ein Feinsynchronisationsantwortsignal 51 werden einer Synchronisationszustandsteuerlogik 52 zugeführt. Bas Grobsynchronisationssignal 50 ist ein Impuls, welcher das digital kodierte HF-Signal darstellt, das von der Befehlszentrale gesendet worden ist. Wenn das digital

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kodierte HF-Grobsynchronisationssignal 22 vom Fahrzeug empfangen wird, dann wird es dekodiert, um einen das Signal darstellenden Ausgangsimpuls zu erzeugen. Es kann beispielsweise ein Dekodierer mit bekannten Digitalkomparatorschaltkreisen verwendet werden, welche ein bekanntes, digitales Signal mit einem unbekannten Signal Bit für Bit vergleichen und einen Ausgangsimpuls liefern, wenn vollständige Identität der digitalen Informationen gegeben ist.

In ähnlicher Weise wird das HF-Feinsynchronisationsantwortsignal 24 dekodiert, um einen Impuls zu erzeugen, welcher das Peinsynchronisationsantwortsignal 51 darstellt. Die Synchronisationszustandsteuerlogik 52 empfängt also nur die Impulse, welche die empfangenen Grobsynchronisations- und Feinsynchronisationsantwortsignal 22 bzw. 24 darstellen. Die Synchronisationszustandsteuerlogik 52 steuert die Verstärkung der Oszillator- und Taktgeberkorrekturen und empfängt demzufolge Eingänge von einer Aufeinanderfolgelogik 53 und einer Fehlergrenzelogik 54, da die Taktgeber- und Oszillatorverstärkungen E₀ bzw. E₀ von dem Steuerzustand, in welchem sich das System des jeweiligen Fahrzeugs befindet, von der Anzahl N der Systemzyklen zwischen Synchronisationen und von den vorbestimmten Zählwerten des Synchronisationsfehlersignals E abhängen. Das Feinsynchronisationssignal 51 wird nicht nur der Synchronisationszustandsteuerlogik 52 und der Aufeinanderfolgelogik 53» sondern auch einem arithmetischen Baustein 5*?y dem Sekundärzähler 35 und dem Haupt zähler 30 zugeführt. Der arithmetische Baustein ^ spricht auch auf den gemessenen Synchronisationsfehler E vom Sekundär zähl er 35 aa und wird auch von der Aufeinanderfolgelogik 53 gesteuert.

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Er liefert Ausgangssignale, welche die Größe und das Vorzeichen der erforderlichen Korrekturen darstellen und er beaufschlagt mit diesen eine Inkrementsteuerung 56, welche Frequenz- und Phaseneinsteilungen für den Zähler 33 und Zeiteinsteilungen für den Hauptzähler 30 bewirkt.

Während der anfänglichen Synchronisation dann, wenn das geweilige Fahrzeug erstmals in die Operationsgemeinschaft eintritt, dient die Eingabe des Grobsynchronisationssignals 50 zur Rücksetzung des Hauptzählers 30 und der Synchronisationszustandsteuerlogik 52, so daß ein vollständiger Systemzyklus mit dem Anfang zu erzeugen begonnen wird. Diese Korrektur wird mit hoher Verstärkung durchgeführt, indem eine direkte Korrektur des HauptZählers 30 erfolgt. Wenn der Hauptzähler 30 des jeweiligen Fahrzeugs den Anfang desjenigen individuellen Zeitabschnittes erreicht, welcher diesem Fahrzeug zugeordnet ist, dann veranlaßt der "Timing"-Ausgang 34· des HauptZählers 30 das Senden des Feinsynchronisationsanfragesignals 23 an die Befehlszentrale, worauf diese das Feinsynchronisationsantwortsignal 24- sendet. Nach Empfang desselben durch das Fahrzeug wird der Sekundärzähler 35? welcher einen Synchronisationsfehlerzähler darstellt, gestoppt und der gemessene Synchronisationsfehler E dem arithmetischen Baustein 55 zugeführt. Dieser und die Aufeinanderfolgelogik 53 bewirken in Kombination mit der Inkrementensteuerung 56 die Erzeugung von Frequenz-, Zeit- und Phasenkorrektursignalen über den Filteralgorithmus, welcher als Funktion der Anzahl N an Systemzyklen zwischen Synchronisierungen modifiziert wird.

Zuerst wird der Oszillator 31 frequenzmäßig durch den Digital/Analog-Konverter 32 und den Zähler 33₅ gesteuert durch die Inkrementensteuerung 56, angepaßt. Dann erhöht oder verringert die Inkrementensteuerung 56 den Zählerstand des

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Haiiptzahlers 30 zur Anpassung der Zeit. Schließlich werden Zeitteilkorrekturen oder Phasenkorrekturen durch Einstellung der Phase des Oszillators 31 bewirkt, indem ein Frequenzversatz für eine bekannte Zeitperiode erfolgt.

In Fig. 4A ist die Betriebweise des Sekundärzählers 35 der Befehlszentrale für den Fall dargestellt, daß der Synchronisationsfehler E zwischen der Befehlszentrale und dem in Betracht gezogenen Fahrzeug gleich Null ist, wobei die Verzögerung durch die Funkübermittlung vernachlässigt ist. Der Zählwert bzw. Ausgang des Sekundärzählers 35 ist als Funktion der Zeit dargestellt. Die Sekundärzählerperiode der Befehlszentrale ist dem Systemzyklus angepaßt, wie durch die gestrichelte Kurve 60 veranschaulicht, so daß der Sekundärzähler 35 zwei volle Zyklen während jedes vom Hauptzähler 30 in der Befehlszentrale erzeugten Fahrzeugzeitabschnittes hat. Der Sekundärzähler 35 zählt von Null beim Beginn des Zeitabschnittes im Zeitpunkt T_Q und erreicht ein Maximum beim mittleren Zeitpunkt Q?_M des Zeitabschnittes, wo er auf Null zurückfällt und wieder beginnt, während der zweiten Hälfte desselben Zeitabschnittes zu zählen. Zum Zeitpunkt T_g am Ende des Zeitabschnittes läuft der Sekundärzähler 35 über und beginnt er wiederum das Zählen im neuen Zyklus.

Wenn das Feinsynchronisationsanfragesignal 23 durch die Befehlszentrale zum Zeitpunkt T_Rq des erwähnten Zeitabschnitts empfangen wird, dann geschieht dies nicht zum Zeitpunkt Tq am Beginn des Zeitabschnittes, wie zunächst bei einem Synchronisationsfehler E » 0 und bei vernachlässigter Übermittlungsdauer erwartet werden könnte. Der nominale Empfangszeitpunkt n?_RQ ist um eine Distanz vom Beginn des Zeitabschnittes versetzt, um den Fall zu erfassen, daß das Fahrzeug vor dem Beginn des Zeitabschnittes sendet, weil

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seine Oszillatorfrequenz den Nominalwert übersteigt. Nach Empfang des Feinsynchronisationsanfragesignals 23 durch die Befehlszentrale wird der Sekundärzähler 35 angehalten, bis der mittlere Zeitpunkt T^ des Zeitabschnittes erreicht wird, wie die Kurve 61 zeigt. Dann geht die Zählung weiter, wie die Kurve 62 veranschaulicht.

Wenn der Sekundär zähl er 35 seine Kapazität erreicht, dann läuft er zum Zeitpunkt T^q über, und der Zählerstand geht zurück auf Null. Da der Sekundärzähler 35 so aufgebaut ist, daß er zwei Zyklen während jedes Zeitabschnittes durchläuft, dann weist der Überlauf Zeitpunkt Τ_χ0 von dem Bade des Zeitabschnittes einen Abstand auf, welcher gleich dem Abstand des Zeitpunktes TgQ vom Beginn des Zeitabschnittes ist, wenn das Zählen zum Zeitpunkt T™ angehalten wird und erst bei Erreichen des mittleren Zeitpunktes T™ weitergezählt wird. Wenn das Feinsynchronisationsantwortsignal 24 von der Befehlszentrale zum Zeitpunkt Ty-Q gesendet wird, dann geschieht dies also in einem Abstand vom Ende des Zeitabschnittes, welcher gleich dem Abstand zwischen dem Beginn des Zeitabschnittes und dem Empfang des Feinsynchronisationsanfragesignals 23 ist.

In Fig. 4B ist die Arbeitsweise des Sekundärzählers 35 der Befehlszentrale für den Fall dargestellt, daß der Synchronisationsfehler E nicht gleich Null ist. Dabei stellen die Kurven 61, 62 und 63 wiederum den Zählerausgang für einen Synchronisationsfehler E = O dar, während die Kurve 64 den Zählerausgang beim Empfang eines frühen Feinsynchronisationsanfragesignals 23 zum Zeitpunkt T^g und die Kurve 65 den Zählerausgang beim Empfang eines späten Feinsynchronisationsanfragesignals 23 zum Zeitpunkt T^ veranschaulichen. Diese Kurven 64 und 65 verdeutlichen, daß die Zeitspanne zwischen dem Beginn des Zeitabschnittes zum Zeitpunkt Tq und dem

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Empfangszeitpunkt T^ des frühen Feinsynchronisationsanfragesignals 23 gleich der Zeitspanne zwischen dem Sendezeitpunkt T^, für das Feinsynchronisationsantwortsignal und dem Zeitpunkt T_ß am Ende des Zeitabschnittes ist, und daß dasselbe bezüglich des Etapfengs Zeitpunkt es T-gr eines späten Feinsynchronisationsanfragesignals 23 und dem Sendezeitpunkt TjT des zugehörigen Feinsynchronisationsantwortsignals 24 der Fall ist.

In Fig. 5A ist die Betriebsweise des Sekundärzählers 35 eines Fahrzeuges der Operationsgemeinschaft veranschaulicht, und zwar für den Fall eines Synchronisationsfehlers E=O, wobei die HF-Übermittlungsdauer vernachlässigt ist. Der Sekundärzähl·er 35 kann so eingestellt werden, daß er am Anfang eines typischen Fahrzeugzeitabschnittes zum Zeitpunkt tD_Q zu zählen beginnt und bis zum Ende des Zeitabschnittes zum Zeitpunkt I_g weiterzählt, um dann überzulaufen und wieder mit dem Zählen zu beginnen. Bei Empfang des Feinsynchronisationsantwortsignals 24 durch das in Betracht gezogene Fahrzeug wird der Sekundärzähler 35 gestoppt. Das Zählergebnis stellt den Zeitpunkt T^q des Empfanges dar. Da die Zeitspanne zwischen dem EmpfangsZeitpunkt Q?_Xq und dem das Ende des Zeitabschnittes definierenden Zeitpunkt T_g gleich dem Zweifachen des Synchronisationsfehlers E ist, würde beim Einsatz des Sekundärzählers 35 des Fahrzeugs in dieser Art der Empfangszeitpunkt T^q mit dem Zeitpunkt T„ am Ende des Zeitabschnittes zusammenfallen, so daß nur negative Synchronisationsfehler E in dem Fahrzeugzeitabschnitt gemessen werden könnten.

Um also sowohl positive als auch negative Synchronisationsfehler E messen zu können, wird der Sekundärzähler des jeweiligen Fahrzeugs vorgeladen, wie in Fig. 5A dargestellt, so daß er am Anfang des Fahrzeugzeitabschnittes zum

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Zeitpunkt T_Q einen bestimmten Zählerstand erreicht hat und zum Zeitpunkt T^₀ überläuft, welcher eine bestimmte Zeitspanne von dem Zeitpunkt T_ß am Ende des Zeitabschnittes liegt. Dies veranschaulichen die Säge ζ ahnkurven 7,0 und 71 in SIg. 5A. Darin ist auch angegeben, daß das Fahrzeug sein Feinsynchronisationsanfragesignal 23 zum Zeitpunkt !^sendet und bei einem Synchronisationsfehler E=O und unter Vernachlässigung der HF-Übermittlungsdauer das von der Befehlszentrale gesendete Feinsynchronisationsantwortsignal zum Zeitpunkt Τ_χ0 empfängt, wenn der Sekundärzahler 35 des Fahrzeugs normalerweise überlaufen würde, so daß dessen Zählerstand Null sein würde.

In Fig. 5B ist der Empfang des Feinsynchronisationsantwortsignals 24 zu einem Zeitpunkt T^-j. vor und zu einem Zeitpunkt T_x^, nach dem nominalen Empfangszeitpunkt T-^q dargestellt, was einen negativen bzw. positiven Synchronisationsfehler E bedeutet. Es sei daran erinnert, daß das Feinsynchronisationsanfragesignal 23 durch das jeweilige Fahrzeug stets zum Zeitpunkt T^q in dessen eigenem, ihm individuell zugeordneten Zeitabschnitt übermittelt wird. Wenn das Feinsynchronisationsantwortsignal 24- durch das Fahrzeug zu einem Zeitpunkt T^r empfangen wird, welcher zeitlich vor dem nominalen Empfangszeitpunkt Ty₀ liegt, dann wird der Sekundärzähler 35 des Fahrzeugs an irgendeinem Punkt der Eurve 70 gestoppt, wie durch die ausgezogene Linie 72 dargestellt, woraus sich ergibt, daß ein negativer Synchronisationsfehler E vorliegt, dessen Größe dem im Sekundärzahler 35 gespeicherten Zählergebnis entspricht. Wird das Feinsynchronisationsantwortsignal 24 vom Fahrzeug zu einem Zeitpunkt T^ empfangen, welcher zeitlich hinter dem nominalen Empfangszeitpunkt 3L,q liegt, dann wird der Sekundärzähler 35 an irgendeinem Punkt der Kurve 71 gestoppt, wie durch die ausgezogene Linie 73 dargestellt, was einen posi-

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tiven Synchronisationsfehler E ausweist, dessen Größe dem gespeicherten Zählergebnis entspricht.

Unter Vernachlässigung der HF-Übermittlungsdauer wird ein Synchronisationsfehler E=O durch den Zählerstand Null des Sekundärzählers 35 angezeigt, da dieser normalerweise zum Zeitpunkt T^₀ überläuft. Wenn der Zählerstand bzw. das Zählergebnis im Bereich zwischen Hull und dem vorgeladenen Zählerstand bzw. Zählergebnis PC liegt, dann bedeutet dies einen positiven Synchronisationsfehler E. Ein negativer Synchronisationsfehler E wird durch einen Zähl erstand bzw. ein Zählergebnis repräsentiert, das im Bereich zwischen dem vorgeladenen Zählerstand bzw. Zählergebnis PC und dem maximalen Zählerstand bzw. Zählergebnis MG liegt, welches beim Überlaufen erreicht wird. Somit können also sowohl die Größe als auch das Vorzeichen des jeweiligen Synchronisationsfehlers E durch den Sekundärzähler 35 des geweiligen Fahrzeuges bestimmt werden. Positive Synchronisationsfehler E können durch binäre Kennzeichnung und negative Synchronisationsfehler E können durch Zweierkomplementkennzeichnung dargestellt werden. Der sich ergebende Synchronisationsfehler E kann durch das Digitalfilter verarbeitet werden.

Bei der anfänglichen Synchronisation kann der Synchronisationsfehler E groß sein und können die Zeitanpassungen bzw. -einsteilungen mit der Verstärkung von 1 Einheit direkt durch den Hauptzähler 30 des jeweiligen Fahrzeugs der Operationsgemeinschaft vorgenommen werden. Gemäß Fig. 6A beginnt der Zeitabschnittgeberteil des HauptZählers 30 des Fahrzeugs zum Zeitpunkt Tq des Fahrzeugzeitabschnittes zu zählen, um einen vorbestimmten Zählerstand bzw. Zählwert zum Zeitpunkt Tg am Ende des Zeitabschnittes zu erreichen, wie die Sägezahnkurve 75 verdeutlicht, wenn ein Synchroni-

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sationsf ehler E-O angenommen und die HF-Übermittlungsdauer vernachlässigt wird. Der Zeitabschnittgeberteil des Fahrzeugs ist so aufgebaut, daß er in Zweierschritten zu einem höheren Zähl er endstand bzw. Zählerendergebnis zahlt, wenn ein Feinsynchronis at ions antwortsignal 24 zum Zeitpunkt 37-go empfangen wird, wie in Fig. 6A durch die gestrichelte Kurve 76 dargestellt. Weist die Kurve 75 eine Steigung M auf, dann ergibt sich für die Kurve 76 die Steigung 2 χ M, und zwar wegen der Zweierschrittzählung. Da in Fig. 6A ein Synchronisationsfehler EsO angenommen ist, wird keine Anpassung zum Zeitpunkt Tg am Ende des Zeitabschnittes vorgenommen, und es findet zu diesem Zeitpunkt Tg ein Überlaufen statt.

In Fig. 6B ist die Betriebsweise des Zeitabschnittgeberteils des Hauptzählers 30 des jeweiligen Fahrzeugs dargestellt, wenn ein negativer bzw. positiver Synchronisationsfehler E besteht. Wenn durch das Fahrzeug bei einem negativen Synchronisationsfehler E ein Feinsynchronisationsantwortsignal 24 zum Zeitpunkt Ty₁₁ empfangen wird, dann ist die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten T₂J₁ und. T-^q gleich dem Zweifachen des Synchronisationsfehlers E, wie oben erwähnt. Beim Empfang dieses Feinsynchronisationsantwortsignals 24 beginnt der Zeitabschnittgeberteil des Hauptzählers 30 des Fahrzeugs mit der Zweierschrittzählung, wie durch die gestrichelte Kurve 77 dargestellt, bis das höhere Zählendergebnis für die Steigung 2 χ Μ erreicht wird und der Haupt zähl er 30 zum Zeitpunkt Tg^ überläuft. Da die Steigung der Kurve 77 doppelt so groß wie die Steigung der Kurve 75 ist, muß die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten Tg₁ und Tg genau gleich dem Synchronisationsfehler E sein.

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Analog ist beim Empfang eines Feinsynchronisationsantwortsignals 24 durch das jeweilige fahrzeug zum Zeitpunkt ΤχΕ» ^{was 8}^⁰-⁰¹¹ positiven Synchronisationsfehler E bedeutet, die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten Tjq und T-JQ₂ gleich dem Zweifachen des Synchronisationsfehlers E. Beim Empfang beginnt der Zeitabschnittgeberteil des Hauptzählers 30 des Fahrzeugs mit der Zählung in Zweierschritten, wie die strichpunktierte Kurve 78 zeigt, bis das höhere Zähl ender gebnis erreicht ist und der Zähler zum Zeitpunkt Tgj> überläuft. Dieser Zeitpunkt Tg_E ist vom nominalen Zeitpunkt Tg am Ende des Fahrzeugzeitabschnittes durch eine Zeitspanne getrennt, welche gleich dem Synchronisationsfehler E ist.

Auf diese Weise kann also der festgestellte, verdoppelte Synchronisationsfehler 2 χ Ε direkt zur Vornahme einer Zeitabschnittkorrektur verwendet werden, welche genau gleich dem Synchronesationsfehler E ist, wenn das Zählendergebnis erreicht ist. Dies vereinfacht die wesentliche Ausbildung des digitalen Filters beträchtlich.

In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild für den Prozessor des arithmetischen Bausteines des Digitalfilters dargestellt, welcher die Frequenz-, Phasen- und Taktgeberkorrekturen für das jeweilige Fahrzeug der Operationsgemeinschaft erzeugt. Der Prozessor gewährleistet den zuvor beschriebenen Filteralgorithmus und wirkt im wesentlichen als ein Serienprozessor, welcher die Frequenz-, Taktgeber- und Phasenkorrekturen bei einem Durchgang erzeugt. Die Größe und das Vorzeichen des Synchronisationsfehlers E werden dem Prozessor zugeführt. Der Synchronisationsfehler E wird durch ein Gatter 80 geschoben, welches die Ausgänge eines 8-Bit-Paralleleingangsschiebere-

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gisters 81 und eines Vorzeichenbitspeichers 82 empfängt. Weiter wird durch einen Volladdierer 83 geschoben, dessen Ausgang einem 5-Bit-Schieberegister 84 aufgegeben wird. Das Gatter 80, der Volladdierer 83 und ein zugehöriges Leitflipflop 85 ermöglichen es, die Größe des negativen Synchronisationsfehlers E zu erhalten. Das Leitflipflop 85 spricht auf ein vorzeichenbitgesteuertes Gatter 86 an.

Nach den ersten fünf Verschiebungen wird die Größe des Synchronisationsfehlers E im Schieberegister 81 gespeichert und dazu verwendet, die Frequenzanpassung bzw. -einstellung des Oszillators 31 gemäß Fig. 2 vorzunehmen. Die Größe und das Vorzeichen des Synchronisationsfehlers E werden der Inkrementensteuerung 56 aufgegeben, welche die Frequenzkorrekturen für den Oszillator 31 durch den Zähler 33 und den Digital/Analog-Umsetzer 32 vermittelt. Für einen nach Größe und Vorzeichen gegebenen Synchronisationsfehler E stellt die Inkrementensteuerung ^S nebst Korrekturlogik den Zähler 33 mit einem Impuls für jedes Zählergebnis im Synchronisationsfehler E ein. Die Verstärkung der Frequenzkorrektur kann durch Auswahl des Bits in dem Zähler 33 dort, wo die Korrekturimpulse eingesetzt werden, bestimmt werden. Mit den in Tabelle II angegebenen Oszillatorverstärkungen Kq wurden die beiden in dem Zähler 33 verwendeten Einsatzpunkte Oszillatorverstärkungen Kq von 1/4 und 1/256 entsprechen.

Nach der Korrektur der Oszillatorfrequenz wird der Synchronisationsfehler E weiter durch einen Multiplizierer mit einem Gatter 87, einem Volladdierer 88 mit zugehörigem Leitflipflop 89 und einem Voll addier er 90

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mit zugehörigem Leitflipflop 91 geschoben. Die Eingänge des Multiplizierers werden durch einen 5-Bit-Synchronis at ions ausl aß zäh 3. er 92 gesteuert, welcher an das Gatter 87 gekoppelt ist und dessen Eingänge mit dem das Feinsynchronisationsanfragesignal repräsentierenden Impuls und mit dem das Feinsynchronisationsantwortsignal repräsentierenden Impuls beaufschlagt werden. Damit wird eine wirksame Annäherung einer Verstärkung erzielt, welche als eine Funktion der Zeit zwischen Feinsynchronisationen variiert. Der Ausgang des genannten Multiplizierers wird dem Schieberegister 81 zugeführt, wo die am wenigsten signifikanten Bits eine Teilsteuerung des am wenigsten signifikanten Bits des Hauptzählers 30 im Synchronisationssystem des jeweiligen Fahrzeugs darstellen. Die am wenigsten signifikanten Bits, welche in das Schieberegister 81 geschoben werden, werden ebenfalls in das Schieberegister 84 und in ein zugehöriges 3-Bit-Schieberegister 93 geschoben, wo sie für die nachfolgende Verwendung zur Steuerung der Phase des Oszillators 31 gespeichert werden. Die genannte Verschiebung geht solange weiter, bis der ganzzahlige Vert des Filterausgangs im Schieberegister 84 vorliegt, um der Korrekturlogik und der Incrementensteuerung 56 zugeführt zu werden, so daß das Zählergebnis im Hauptzähler 30 eingestellt wird, um die Taktgeber- oder Zeitkorrektur zu liefern.

Die Phasenkorrekturen des Oszillators 31 werden durch Integration der Oszillatorfrequenz über ein bekanntes Zeitintervall vorgenommen und können durch Einführung einer Frequenzänderung von /\f für eine bekannte Zeitperiode T und anschließende Beseitigung des Frequenzinkrementes erzielt werden. Die Wirkung dieser Einstellung besteht darin, daß die Phase 0 um einen Betrag -Δ 0 ver-

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schoben wird, welcher gleich dem Produkt des Frequenzinkrementes /\.ϊ (Hertz) und der Integrations zeit T (Sekunden) ist. Das Einfügen der Irequenzinkremente Δί erfolgt an den passenden Verstärkungsabgriff en des Zählers 33. Die zeitliche Steuerung der Entfernung oder Beendigung der eingesetzten Frequenzinkremente /S.f wird durch die Aufeinanderfolgelogik 53 gesteuert.

Aus Vorstehendem ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Synchronisationssystem, die Synchronisation eines oder mehrerer lokaler Taktgeber bzw. Zeitbasen mit dem Taktgeber einer Leitstelle bzw. Befehlszentrale bzw. mit einer Leitzeitbasis auf einfache und wirksame Weise gewährleistet. Es wird nicht nur der lokale Taktgeber, sondern auch die frequenz und die Phase des lokalen Sägezahngenerators bzw. Oszillators korrigiert, welcher zum Antrieb des lokalen Taktgebers dient. Dies erlaubt es, bei den lokalen Taktsystemen Oszillatoren mit relativ billigem, kommerziellen Aufbau zu verwenden, welche lediglich eine nominale irequenzstabilitätscharakteristik haben müssen.

Erfindungsgemäß sind mehrere Steuerzustände vorgesehen, welche variable Taktgeber- und Oszillatorkorrekturverstärkungen aufweisen. Die für die Korrekturen verwendeten Verstärkungen hängen von den ausgelassenen Synchronisationen oder der Anzahl der Systemepochen bzw. -zyklen zwischen Synchronisationen ab, so daß die Vorgeschichte der jeweils vergangenen Pehlerkorrekturen bei den Korrekturen jeder Synchronisation verwendet wird und die Korrekturen nicht allein auf dem augenblicklichen, bei der jeweiligen Synchronisation gerade vorliegenden Synchronisationsfehler E basieren. Tatsächlich basieren

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die Korrekturen auf einem Mittel- oder Durchschnittswert des Zeitbasisfehlers statt auf dem momentanen Synchronisationsfehler.

Obwohl die erfindungsgemäße Zeitbasissynchronisation an Hand eines Gemeinschaftsnavigationssystems beschrieben worden ist, bei welchem eine Vielzahl von Fahrzeug- bzw. lokalen Taktsystemen einem Leitstellen- bzw. Befehlszentraletaktsystem untergeordnet ist, sind auch andere Anwendungen möglich. Beispielsweise können mehrere weit voneinander entfernte, lokale Eechnertaktsysteme dem Taktsystem eines Leitrechners untergeordnet werden, um so gemeinsam arbeiten zu können. Dabei können die digital kodierten, durch Funk übermittelten Grob-, Feinanfrage- und Feinantwortsynchronisationssignale durch einfache Impulse ersetzt werden, welche durch Telefonleitungen übermittelt werden, die das Leitrechnertakt system mit den lokalen Eechnertaktsystemen verbinden. Bei Uhrzeitanzeigesystemen können entfernt angeordnete, die Zeit anzeigende Uhren über Leitungen oder Funksignale mit einer Leituhr verbunden und erfindungsgemäß in Synchronismus gehalten werden.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher ein geeigneter, handelsüblicher Eechner verwendet werden kann, welcher die Fehlerverarbeitung und Steuerung übernimmt. Bei dieser Ausführungsform sind ebenfalls ein. Hauptzähler 30% ein spannungsgesteuerter Oszillator 31', ein Digital/Analog-Umsetzer 32', ein vorwärts und rückwärts zählender Zähler 33'» ein. Sekundärzähler 35' und eine Inkrementensteuerung 56' vorgesehen, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Ein Eechner 100 erfüllt die Funktionen der Syn-

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chronisationszustandssteuerlogik 52, der Aufeinanderfolgelogik 53, der Fehl ergrenz elogik 54· und des arithmetischen Bausteins 55 der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Bei der Software für den Computer 100 würde die beschriebene Kaiman-Filter-Technik verwendet werden. Die Steuerzustandsauf einanderfolge für das System würde unter Anwendung bekannter Programmierungstechniken vermittelt und gewährleistet werden.

Abänderungen des erfindungsgemäßen Synchronisationssystems sind möglich, insbesondere hinsichtlich der geschilderten Verstärkungen und Steuerzustände entsprechend den Besonderheiten der jeweiligen Anwendung und den Oharakterikstiken anderer, gegebenenfalls verwendeter Takt systeme.

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Claims (14)

1. Patentansprüche

   Iy Verfahren zur gegenseitigen Synchronisation eines lokalen Zeitbasissystems mit einem oszillatorgetriebenen Taktgeber und eines Leitzeitbasissystems mit einem oszillatorgetriebenen Taktgeber, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

   a) Messung des zeitlichen Synchronisationsfehlers E zwischen den Systemen zu vorgegebenen Tastzeitenj

   b) Ableitung von Korrektursignalen für den lokalen Oszillator (31 j 31') und von Korrektursignalen für den lokalen Taktgeber vom gemessenen Synchronisationsfehler E während jeder Tastzeit j und

   c) Eingabe der Oszillatorkorrektursignale in den lokalen Oszillator (31; 31') "und der Taktgeberkorrektursignale in den lokalen Taktgeber mit Verstärkungen Ko bzw. Kc, welche jeweils eine Funktion der Größe des Synchronisationsfehlers E und der Anzahl Ή der Tastzeiten zwischen Korrekturen sind.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oszillatorkorrektursignale Frequenz- und Phasenkorrektursignale und als Taktgeberkorrektursignale Zeitkorrektursignale verwendet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei jeder Korrektur angewendeten Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc durch den

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   Steuerzustand (42 bzw. 43 bzw. 44 bzw. 45 bzw. 46 bzw. 47 bzw. 48) in einer vorgegebenen Steuerzustandsaufeinanderfolge bestimmt werden, wobei der Übergang zwischen ßteuerzuständen (42 bis 45) für große, anfängliche Synchronisationsfehler E automatisch für eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Korrekturen erfolgt, während er für anschließende Korrekturen von der Größe des Synchronisationsfehlers E abhängt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß bei den Steuerzuständen (42 bis 45) für die Korrektur der großen, anfänglichen ßynchronisationsfehler E mit großen Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc gearbeitet wird, während bei den Steuerzuständen (46 bis 48) für die folgenden Dauerzustandskorrekturen mit geringeren Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc gearbeitet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von störenden Korrekturen für vorübergehende, große ßynchronisationsfehler E der Übergang von den Steuerzuständen (46 bis 48) mit niedrigen Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc auf die Steuerzustände (42 bis 45) mit hohen Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc dann erfolgt, wenn der Synchronisationsfehler E bei zwei aufeinanderfolgenden Korrekturen eine vorgegebene, obere Grenze übersteigt.
6. 6. Synchronisationssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bausteine (35; 35') zur periodischen Messung des Synchronisationsfehlers E zwischen der lokalen Zeitbasis und der Leitzeitbasis zu vorbestimmten Tastzeiten, an den lokalen Oszillator (31; 31') angeschlossene Bausteine (32, 33, 56; 32', 33', 56') zur Einstellung der Frequenz und da?Phase

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   desselben sowie an den lokalen Taktgeber angeschlossene Bausteine (56; 56') zur Zeiteinstellung desselben, ferner durch Bausteine (52; 100), welche mit den Bausteinen zur Oszillator- und Taktgebereinstellung und den Bausteinen zur Synchronisationsfehlermessung verbunden sind und eine vorbestimmte Anzahl von Steuerzuständen (40 bis 48) mit verschiedenen Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc bestimmen, von denen mindestens einige von der Anzahl N der Tastzeiten zwischen Fehlerkorrekturen abhängen, und schließlich durch Bausteine (53, 54, 55» 100), welche mit den Bausteinen zur Steuerzustandsbestimmung und denen zur Synchronisationsfehlermessung verbunden sind und eine vorgegebene Steuerzustandsaufeinanderfolge bei der Korrektur der Oszillator- und Taktgeberfehler gewährleisten, welche Aufeinanderfolge die Betriebsweise eines linearen Filters mit zeitvariierenden Verstärkungen entsprechend einer Kaimanübertragungsfunktion simuliert.
7. 7. Synchronisationssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine (53, 54, 55» 100) eine Steuerzustandsaufeinanderfolge bestimmen, wobei für die Verminderung eines großen, anfänglichen Synchronisationsfehlers E Steuerzustände (42 bis 45) mit hohen Oszillator- und Taktgeberkorrekturveräärkungen Ko bzw. Kc und für die Verminderung kleinerer, im Dauerzustand gegebener Synchronisationsfehler E Steuerzustände (46 bis 48) mit niedrigen Oszillator- und Taktgeberkorrekturverstärkungen Ko bzw. Kc vorgesehen sind.
8. 8. Synchronis ationssyst em nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine (53* 54, 55; 100) derart ausgestaltet sind, daß zur Verminderung großer, anfänglicher Synchronisationsfehler E ein automatischer Übergang zwischen den Steuerzuständen (42 bis 45) mit den hohen Korrekturver-

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   Stärkungen Ko und Kc für eine vorbestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Fehlerkorrekturen und zur Verminderung kleinerer, im Dauerzustand gegebener Synchronisationsfehler E ein Übergang zwischen den Steuerzuständen (46 bis 48) mit den niedrigen Korrekturverstärkungen Ko und Kc in Abhängigkeit von der Größe des Synchronisationsfehlers E erfolgt.
9. 9. Synchronisationssystem nach. Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung störender Korrekturen für vorübergehende, große Synchronisationsfehler E die Bausteine (53, 54, 55; 100) so ausgebildet sind, daß der Übergang von den Steuerzuständen (46 bis 48) mit niedrigen Korrekturverstärkungen Ko und Kc zu den St euer zuständen (42 bis 45) mit hohen Korrekturverstärkungen Ko und Kc dann erfolgt, wenn der Synchronisationsfehler E eine obere Grenze bei einer vorbestimmten Anzahl von aufeinanderfolgenden Fehlerkorrekturen während der Verminderung der kleineren Synchronisationsfehler E überschreitet.
10. 10. Synchronisationssystem nach, einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Oszillator (31» 31') spannungsgesteuert ist, daß der lokale !Paktgeber von einem digitalen Zähler (30j 30') gebildet ist, daß die Bausteine zur Synchronisationsfehlermessung von einem digitalen Zähler (35; 35') gebildet sind, daß die Bausteine (52; 100) zur Steuerzustandsbestimmung und die Bausteine (53 > 54, 55» 100) zur Bestimmung der Steuerzustandsaufeinanderfolge digitale Korrekturimpulse für den lokalen Oszillator (31; 31') und laktgeber liefern, und daß die Bausteine zur Einstellung der Phase und der Frequenz des lokalen Oszillators (31; 31') von einem vorwärts und rückwärts zählenden Digit al zähl er (33; 33') "und einem diesen ausgangssei tig mit dem Steuerspannungseingang des lokalen Oszillators

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    (31? 31') verbindenden Digital/Analog-Umsetzer (32; 32') gebildet sind, wobei die Größe der Ausgangsfrequenz des lokalen Oszillators (31; 31' ) durch Hochstellen oder Herunterstellen des Zählers (33; 33') eingestellt und die Frequenzkorrekturverstärkung des lokalen Oszillators (31; 31') durch Steuerung desjenigen Bits in dem Zähler (33; 33') gesteuert wird, bei welchem die digitalen Korrekturimpulse eingesetzt werden.
11. 11. Synchronisationssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phaseneinstellung des lokalen Oszillators (31; 31') dessen Ausgangsfrequenz um ein bestimmtes Frequenzinkrement &f für eine bestimmte Zeitdauer verändert wird, so daß die Phase des Oszillatorausgangs sich entsprechend dem Produkt aus der inkrementalen !Frequenzänderung und der Zeitdauer verändert.
12. 12. Synchronisations system, insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 11, zur Synchronisation einer lokalen Zeitbasis mit einer zyklisch wiederkehrenden Reihe aufeinanderfolgender Zeitabschnitte, welche von einem spannungsgesteuerten, lokalen Oszillator'und einem lokalen, digitalen Hauptzähler erzeugt wird, mit einer Leitzeitbasis mit einer zyklisch wiederkehrenden Reihe aufeinanderfolgender Zeitabschnitte, welche von einem Oszillator und einem digitalen Hauptzähler des Leitzeitbasissystems erzeugt wird, gekennzeichnet durch Grob- und Feinsynchronisationseinrichtungen, wobei

    a) die Grobsynchronisationseinrichtung mit dem Hauptzähler (30 j 30') des Leitzeitbasissystems verbunden ist und ein Grobsynchronisationssignal (22) zu Beginn des ersten Zeitabschnittes "0" in der Zeitabschnittsreihe des Leitzeitbasissystems erzeugt, ferner mit dem lokalen Hauptzähler (30; 30') verbun-

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    den ist, auf das Grobsynchronisations signal (22) anspricht und beim Empfang des Grobsynchronisationssignals (22) den lokalen Hauptzähler (30; 30') so einstellt, daß er den ersten Zeitabschnitt "0" in der Zeitabschnitbsreihe des lokalen Zeitbasissystems zu erzeugen beginnt, während

    b) die Feinsynchronisationseinrichtung mit dem lokalen Hauptzähler (30; 30') verbunden ist und ein Feinsynchronisationsanfragesignal (23) zu Beginn eines vorbestimmten, weiteren Zeitabschnitts der lokalen Zeitbasis erzeugt, ferner einen mit dem Hauptzähler (30; 30') des Leitzeitbasissystems verbundenen Sekundärzähler (35; 35') aufweist, welcher die Zeitspanne zwischen dem Empfang des Feinsynchronisationsanfragesignals (23) durch das Leitzeitbasissystem und dem Beginn des besagten, vorbestimmten Zeitabschnitts der Leitzeitbasis mißt und ein Feinsynchronisationsantwortsignal (24) zu einem Zeitpunkt entsprechend der Zeitspanne vor dem Ende desselben Zeitabschnittes des Leitzeitbasissystems erzeugt, weiterhin mit einem lokalen Sekundärzähler (35» 35') versehen ist, welcher an den lokalen Hauptzähler (30; 30^f) angeschlossen ist und die Zeitspanne zwischen dem Empfang des Feinsynchronisationsantwortsignals (24) und dem Ende des zugehörigen Zeitabschnittes des lokalen Zeitbasissystems mißt sowie ein digitales Synchronisationsfehlersignal erzeugt, darüber hinaus Bausteine aufweist, die mit dem lokalen Oszillator (31; 31') zur Einstellung der Frequenz und der Phase desselben entsprechend den Oszillatorkorrektursignalen gekoppelt sind bzw. mit dem lokalen Haupt zähl er (30; 30') zur Einstellung der Zeit entsprechend den .Korrektursignalen für den lokalen Hauptzähler (30; 30')

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    verbunden sind, außerdem mit einer Steuerzustandslogik (52; 100) versehen ist, welche an den Sekundärzähler (35; 35') "und die besagten Bausteine angeschlossen ist und eine Vielzahl von Steuerzuständen (40 bis 48) gewährleistet, bei denen die besagten Korrektursignale für den lokalen Oszillator (31; 31') und den lokalen Hauptzähler (30; 30') vom Synchronisationsfehlersignal jeweils entsprechend einem Kalman-Filteralgorithmus mit zeitvariierenden, von der .Anzahl der Zeitabschnittszyklen zwischen Fehlerkorrekturen abhängenden Korrekturverstärkungen abgeleitet werden, ferner eine Fehlergrenzelogik (54; 100) aufweist, welche mit dem Sekundärzähler (35$ 35') des lokalen Zeitbasissystems verbunden ist und Fehlergrenzensignale bei Überschreiten eines bestimmten Bereiches durch den gemessenen Synchronisationsfehler E erzeugt, und schließlich mit einer Aufeinanderfolgelogik (53; 100) versehen ist, welche an die Steuerzustandslogik (52$ 100) und die Fehlergrenzelogik (54; 100) angekoppelt ist und auf die Feinsynchronisationsund Fehlergrenzensignale anspricht, um Steuersignale für die Steuerzustandslogik (52; 100) zu erzeugen, so daß das Synchronisationssystem einer vorgegebenen Steuerzustandsaufeinanderfolge folgt, bei welcher für große, anfängliche Synchronisationsfehler E ein automatischer übergang zwischen den St euer zuständen (42 bis 45) über eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Korrekturen und für anschließende Korrekturen in Abhängigkeit von der Größe des Synchronisationsfehlers E erfolgt.
13. 13. Synchronisationssystem nach. Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Grob- und Feinsynchronisationssignale (22; und 24) zwischen dem lokalen Zeitbasissystem und dem Leit-

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    zeitbasissystem durch Leitungen oder über Funk übermittelt werden.
14. 14. Synchronisationssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lokalen Zeitbasissystem und dem Leitzeitbasissystem digital kodierte lunksignale (22; 23 und 24) übermittelt werden.

    15· Synchronisationssystem nach Anspruch 12, 13 oder gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung des lokalen Hauptzählers (30| 30') zur Zeitkorrektur, daß er bei Enpfang des Feinsynchronisationsantwortsignales (24) für Steuerzustände mit großen Hauptzählerkorrekturverstärkungen Kc mit dem Doppelten der normalen Geschwindigkeit zählt.

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