DE4037741A1 - Verfahren zur quasi-kohaerenten synchronisation von mindestens zwei unterschiedlichen frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quasikohärenten Synchronisation von mindestens zwei unterschiedlichen Fre­ quenzen.

Zur genauen Entfernungsmessung und auch für die Übertragung von Zeitsignalen müssen von Navigations-Satelliten ausge­ sendete Zeitimpulse sehr genau und konstant sein. Da Zeit und Phase einer Schwingung direkt voneinander abhängen, be­ deutet eine hohe Genauigkeit bezüglich der Zeit eine hohe Genauigkeit in der Einhaltung der Phase. Die Spektrallinie einer solchen Schwingung muß also sehr schmal sein. Solche schmale Spektrallinien können beispielsweise mit Hilfe hy­ perfeiner Resonanzlinien von gasförmigem Cäsium erzeugt wer­ den. Solche Cäsium-Normale werden als sogenannte Atomuhren an Bord von Navigations-Satelliten zur Ableitung hochgenauer Zeitsignale verwendet, die einem UHF-Träger aufmoduliert werden.

Bei dem am weitesten verbreiteten Global Positioning System (GPS) erfolgt eine Modulation nach dem sogenannten Spreiz­ band-Verfahren (spread spectrum system), bei welchem durch ein aus Daten, Zeitmarken und Code binär zusammengesetztes Signal bei jeder Zustandsänderung die Phase des Trägers um 180° geändert wird. (Siehe hierzu Navigation, Journal of the Institute of Navigation (USA), Nr.2, Vol. 25, 1978.) Ein Vorschlag zur Vernetzung von GPS und geostationären Satelli­ ten für ein ziviles Satelliten-Navigationssystem wurde bei­ spielsweise 1984 von S.Starker in "A GPS-NAVASTAR-Supplement as a Possibility for Autonomous Civil Satellite Navigation, 35th Congress of the International Astronautical Federation" in Lausanne vom 07. bis 13.10.1984, gemacht.

Atomuhren bzw. Cäsium-Normale sind schwer, empfindlich und teuer; obendrein verbrauchen sie verhältnismäßig viel elek­ trische Energie. Aus diesen Gründen sind solche Atomuhren bzw. Cäsium-Normale für einen Einsatz an Bord von Satelliten nicht besonders geeignet. Hinzu kommt noch, daß am Ende ihrer Lebensdauer die mit solchen Satelliten ausgestatteten Satelliten für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar werden. Derzeit wird für zivile Zwecke bei Satelliten eine Lebensdau­ er von acht bis fünfzehn Jahren angestrebt, während Cäsium- Normale heutigen Stands nach etwa fünf Jahren verbraucht sind.

In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines zivilen Satel­ liten-Navigationssystems dargestellt, welches im allgemeinen einen geostationären Satelliten 1 für die Navigations-Nutz­ last, mehrere (in Fig. 1 zwei) Navigationssatelliten 2, eine Anzahl Überwachungsstationen 3, zahlreiche Nutzer 4, wie beispielsweise Flugzeuge, Hubschrauber, Schiffe, usw. sowie im allgemeinen eine Kontrollstation 5, eine Speisestation 6 und eine Kommandostation 7 aufweist. Bei einem solchen Satel­ liten-Navigationssystem empfängt die Bodenstation 6 ein Navi­ gationssignal von dem geostationären Satelliten 1; dasselbe gilt auch für alle anderen Nutzer 4 sowie die Überwachungs­ stationen 3. Mit aus dem Navigationssignal gewonnenen Infor­ mationen verändert die Speisestation das von dem Satelliten 1 ausgestrahlte Navigationssignal derart, daß bei den Nut­ zern 4 Zeitmarken so ankommen, als wären sie von einer Atomuhr an Bord des Satel­ liten 1 erzeugt worden. Hierzu muß jedoch

• a) die aus der Satellitenbewegung resultierende Doppler­ verschiebung der Codefrequenz auf dem Weg zur Speise­ station 6 und zurück zu dem geostationären Satelliten 1 in der Speisestation 6 so kompensiert werden, daß das von dem Satelliten 1 empfangene Signal ohne jede Fre­ quenzverschiebung an seinem Transponder-Eingang er­ scheint und
• b) die Phase der Zeitmarken in dem Sinne konstant bleibt, wie es bei einer an Bord befindlichen Atomuhr der Fall wäre.

Eventuelle Unterschiede in den Ausbreitungsbedingungen bei der Abwärts- und/oder Aufwärtsverbindung können, soweit sie feststellbar sind, durch eine zusätzliche vom Rechner erzeug­ te Regelspannung kompensiert werden; ebenso können andere er­ forderliche Korrekturen auf diese Weise vorgenommen werden.

Der Einfachheit halber soll im Hinblick auf die schematische Darstellung in Fig. 1 ein Fall betrachtet werden, in welchem ein Satellit 1 mit der Speisestation 6 korrespondiert. Hier­ bei soll ein entspreiztes Signal mit genügend hohem Pegel vorhanden sein, damit Regelspannungen unabhängig vom Ein­ gangssignal sind.

Eine nominelle Navigationsfrequenz f_N wird durch eine Bewe­ gung des geostationären Satelliten 1 um eine Dopplerver­ schiebung f_d verändert, wobei die Dopplerverschiebung f_d je nach Satellitenbewegung positiv oder negativ sein kann. Bei der Speisestation 6 kommt also eine Frequenz an, für welche gilt: f₁=f_N+f_d. Zum Ausgleich dieses Betrags und der auf der Aufwärtsstrecke zu erwartenden Dopplerverschiebung gleichen Betrags muß für eine ausgesendete Navigationsfre­ quenz f₂ gelten: f₂=f_N-f_d; das bedeutet bezüglich der Frequenz f₁, daß die Frequenz f₂ spiegelbildlich zu der no­ minellen Navigationsfrequenz f_N liegen muß. Darüber hinaus müßte, wie vorstehend bereits ausgeführt, die Phase der Na­ vigationsfrequenz f₂ starr mit der Phase der Frequenz f₁ des geostationären Satelliten 1 verbunden sein. Zwischen zwei unterschiedlichen Frequenzen läßt sich jedoch bisher im all­ gemeinen keine konstante Phase definieren.

Gemäß der Erfindung soll daher zwischen mindestens zwei un­ terschiedlichen Frequenzen eine starre Phasenbeziehung her­ gestellt und dadurch eine quasi-kohärente Synchronisation zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen geschaffen werden. Gemäß der Erfindung ist dies mittels Ver­ fahren zur quasi-kohärenten Synchronisation von mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder 2 erreicht. Eine Schal­ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 ist Gegenstand des Anspruchs 3 und der auf diesen Anspruch unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Bei der Erfindung ist hierbei von der nachstehend wiederge­ gebenen grundsätzlichen Überlegung ausgegangen:
Für Phasen Φ₁ und Φ₂ zweier unterschiedlicher Frequenzen f₁ und f₂ gilt:

Φ₁ = 2π f₁ t + _d₁ und (1)

Φ₂ = 2π f₂ t + _ϕ₂ (2)

wobei mit _ϕ₁ und _ϕ₂ Anfangsphasen bezeichnet sind.

Werden nun die Phasen Φ₁ und Φ₂ gleichgesetzt, so daß gilt: Φ₁=Φ₂, so ergibt sich:

2π f₁ t - 2π f₂ + _ϕ1-ϕ2 = 0 (3)

Da die Phase 0 nicht von 2π und Mehrfachen von 2π zu un­ terscheiden ist, kann Gl. (3) erweitert werden in:

2π f₁ t - 2π f₂ t + _ϕ1-ϕ2 = 0 + 2nπ (n = 0, 1, 2 . . .) (4)

Aus den Gl.′en (3) und (4) ist zu ersehen, daß es offen­ sichtlich Zeitpunkte t gibt, an welchen die Phasen Φ₁ und Φ₂ bis auf Vielfache n (n=1, 2, 3 . . .) von 2π gleich sind. Aus Gl. (4) folgt dann für einen solchen Zeitpunkt t:

Nun sei zu einem Zeitpunkt t₁ die Vielfache n=1 und zu einem Zeitpunkt t₂ die Vielfache n=2. Aus Gl. (5) wird dann:

Für ein Zeitintervall T zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichen Phasenzuständen ergibt sich somit:

Folglich ist das Zeitintervall T unabhängig von den Anfangs­ phasen ϕ₁ und ϕ₂. Die Zustände gleicher Phasen wiederholen sich mit einer Frequenz F, für welche dann gilt:

Mit den vorstehend angenommenen Werten für f₁=f_N+f_d und für f₂=f_N-f_d ergibt sich dann für (f₁-f₂):

f₁-f₂= 2 f_d (10)

und damit aus Gl. (8) für das Zeitintervall T:

Wenn also jeweils nach den Zeitintervallen T die Phasen der unterschiedlichen Frequenzen f₁ und f₂ gemessen werden, wird bei Quasi-Kohärenz eine Phasengleichheit festgestellt. Wei­ chen die Phasen voneinander ab, so läßt sich hieraus eine Regelspannung ableiten, die dann zu Φ₂=Φ₁ {t_n} führt. Auch ist es immer möglich, aus beispielsweise zwei verschiedenen Frequenzen eine aktuelle Mittenfrequenz und damit eine Spie­ gelfrequenz zur quasi-kohärenten Synchronisation zu erzeu­ gen. Die vorstehenden Ausführungen gelten grundsätzlich auch für mehr als zwei unterschiedliche Frequenzen, sobald be­ stimmten Bedingungen genügt ist, die hier jedoch nicht näher untersucht und erläutert werden sollen.

In Fig. 2 ist schematisch ein Blockschaltbild zur Realisie­ rung einer quasikohärenten Synchronisation von Signalen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen dargestellt. Das Naviga­ tions-Eingangssignal s(f₁) ist von allen Modulationsresten befreit und hat nur die Form einer sich mit der Dopp­ lerfrequenz f_d ändernden sinusförmigen Schwingung. Seine Fre­ quenz f₁ wird in einem Zähler 1 gemessen und anschließend in einem nachgeordneten Rechner 2 mit einer gespeicherten, nomi­ nellen Navigationsfrequenz f_N verglichen. Die sich durch den Vergleich zwischen der Frequenz f₁ des Navigations-Eingangs­ signals s(f₁) und der nominellen Navigationsfrequenz f_N erge­ bende Dopplerverschiebung f_d beeinflußt über einen Digital- Analog-Wandler 3 und ein diesem nachgeordnetes Summierglied 4 einen spannungsgesteuerten Oszillator 5. Der Oszillator 5 mit einer der nominellen Navigationsfrequenz f_N entspre­ chenden Mittenfrequenz f_N wird dadurch so beeinflußt, daß er (5) genau auf der Spiegelfrequenz zu der Frequenz f₁ des Na­ vigationssignals s(f₁) und somit auf einer Frequenz f₂ schwingt, für welche gilt f₂=f_N-f_d.

Mit dem den Vergleich durchführenden Rechner 2 ist eine Tor­ steuerung 6 verbunden, an welche der Rechner 2 den Wert

anlegt. Die Torsteuerung 6 öffnet nach diesen dem Wert T entsprechenden Intervallen zwei mit ihr (6) ver­ bundene Torschaltungen 7 und 8. In den Zeiten, während wel­ cher die beiden Torschaltungen 7 und 8 von der Torsteuerung 6 aus geöffnet sind, werden die Signale mit Frequenzen f₁ und f₂ von dem spannungsgesteuerten Oszillator 5 aus an einen Phasendetektor 9 angelegt, dessen Ausgangsspannung je­ weils der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen mit den Frequenzen f₁ und f₂ entspricht. Während der durch die Torschaltungen 7 und 8 gesteuerten Öffnungszeit vergleicht er die Phasen der Frequenzen f₁ und f₂ und leitet daraus die Regelspannung zur Nachsteuerung der Phase der Spiegelfre­ quenz ab, so daß jeweils zur Zeit t_n die Phasen Φ2 und Φ1 gleich sind.

Dem Phasendetektor 9 ist ein Meßwertspeicher 10 nachgeschal­ tet, welcher bis zur nächsten Phasenmessung den gerade mit­ tels des Phasendetektors ermittelten Wert speichert, so daß während der Sperrzeiten der Torschaltungen 7 und 8 keine Einbrüche in der Regelspannung erfolgen. Die im Phasendetek­ tor 9 ermittelte Ausgangsspannung wird zur Glättung über einen Tiefpaß 11 geleitet. Die geglättete Regelspannung wird über das Summierglied 4 an den spannungsgesteuerten Oszilla­ tor 5 angelegt, wodurch dann in dem Oszillator 5 in bekann­ ter Weise die starre Phasenanbindung der Frequenz f₂ an die Frequenz f₁ erzwungen wird.

Die Zeitspanne, während welcher die beiden Torschaltungen 7 und 8 geöffnet sind, wird mit abnehmender Dopplerfrequenz f_d größer, so daß bei einer Dopplerverschiebung f_d=0 die Tor­ schaltungen 6 und 7 wegen der Gleichheit der Frequenzen of­ fen sein können.

Um möglicherweise störende Phasenverschiebungen auszuglei­ chen, wird das Eingangssignal s(f₁) über ein Laufzeitglied 12 an die eine Torschaltung 8 angelegt. Ferner kann durch eine Rückführung der in dem spannungsgesteuerten Oszillator 5 erzeugten Spiegelfrequenz f₂ auf den Zähler 1 eine genaue Überprüfung der ausgesendeten Frequenz f₂ durchgeführt wer­ den.

Mit Hilfe der Bahndaten des Satelliten 1 können die hieraus berechneten Dopplerabweichungen mit den gemessenen Doppler­ verschiebungen verglichen und erforderlichenfalls entspre­ chende Korrekturen vorgenommen werden.

In Fig. 3 ist in Form eines Teil-Blockschaltbilds eine Vari­ ante zu Fig. 2 wiedergegeben, wobei lediglich der geänderte rechte Teil des Blockschaltbilds der Fig. 2 dargestellt ist. Anstelle der Torschaltungen 7 und 8 der Schaltungsanordnung in Fig. 2 sind Zeitintervallmesser 13 und 14 vorgesehen, die mittels vom Rechner 2 gesteuerter, in einer Einheit 17 er­ zeugter Impulse zu den Zeiten t_n gestartet werden und bei den nächsten Nulldurchgängen der Frequenzen f₁ und f₂ wieder gestoppt werden. Die beiden Zeitintervallmesser 13 und 14 sind mit einem weiteren Rechner 15 verbunden, wobei der Rechner 15 und der Rechner 2 eine Einheit bilden können. Mit Hilfe dieses Rechners 15 werden sofort die entsprechenden Phasen erhalten. In einem dem Rechner 15 nachgeordneten Di­ gital-Analog-Wandler 16 wird hieraus die erforderliche Re­ gelspannung erzeugt, welche durch das nachgeordnete Tiefpaß­ filter 11 geglättet und über das Summierglied als Regelspan­ nung an den spannungsgesteuerten Oszillator 5 angelegt wird.

Zur Vereinfachung der Akquisition wird beispielsweise am An­ fang eine Frequenz f₂ gesendet, welche gleich der nominellen Navigationsfrequenz f_N ist, so daß gilt: f₂=f_N. In diesem Fall ist dann je nach Satellitenbewegung die empfangene Fre­ quenz f₁-f_N±2f_d. Der Rechner 2 gibt dann den Wert der Dopplerverschiebung f_d mit dem erforderlichen Vorzeichen an den nachgeordneten Digital-Analog-Wandler 3 weiter, so daß dann der spannungsgesteuerte Oszillator 5 die zu der Fre­ quenz f₁ passende, richtige Spiegelfrequenz f₂=f_N±f_d er­ zeugt.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafter Wei­ se beispielsweise zur Synchronisation von Stromversorgungs­ netzen unterschiedlicher Frequenzen oder auch zu einer qua­ si-kohärenten Synchronisation von unterschiedlichen festen Frequenzen sowie zur quasi-kohärenten Synchronisation von sich gleichmäßig oder ungleichmäßig ändernden, unterschied­ lichen Frequenzen angewendet werden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise zum Ersatz von Frequenz-Normalen in Form der sogenannten Atomuhren an Bord von Navigations-Satelliten eingesetzt wer­ den, indem mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Naviga­ tions- und Zeitsignale für Navigations-Satelliten von der Erde aus erzeugt werden. Durch die vorstehend angeführte An­ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit die Le­ bensdauer von Navigations-Satelliten inbesondere dadurch verlängert werden, daß die Navigations- und Zeitsignale am Boden erzeugt und von dort an die Navigations-Satelliten ge­ sendet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur quasi-kohärenten Synchronisation von minde­ stens zwei unterschiedlichen Frequenzen, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß eine Frequenz (f₁) eines vorzugsweise sinusförmigen Signals (s(f₁)) gemessen und mit einer nominellen, einer Mittenfrequenz zwischen der Frequenz (f₁) des einen Ein­ gangssignals (s(f₁)) und einer Frequenz (f₂) eines zweiten sinusförmigen Signals (s(f₂)) entsprechenden Bezugsfrequenz (f_N) verglichen wird, wodurch eine Verschiebungsfrequenz (f_v) mit einem entsprechenden Vorzeichen erhalten wird;
daß ein spannungsgesteuerter Oszillator (5) mit einer der nominellen Bezugsfrequenz entsprechenden Mittenfrequenz (f_N) so beeinflußt wird, daß er (5) auf einer bezüglich der Mit­ tenfrequenz (f_N) um die Verschiebungsfrequenz (f_v) geänder­ ten spiegelbildlichen Frequenz (f₂=f_N-f_v bzw. f₂=f_N+f_v) schwingt;
daß die zu der nominellen Bezugsfrequenz (f_N) spiegelbildli­ chen Frequenzen (f₁ und f₂) nach zu der zweifachen absoluten Verschiebungsfrequenz (f_v) umgekehrt proportionalen Zeitin­ tervallen (T) über entsprechend gesteuerte Torschaltungen (7, 8) an einen Phasenvergleicher (9) angelegt werden, des­ sen Ausgangsspannung zu den Zeiten (t_n) proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden zueinander spiegelbild­ lichen Frequenzen (f₁, f₂) ist, und
daß durch Anlegen einer geglätteten Ausgangsspannung des Phasendetektors (9) an den spannungsgesteuerten Oszillator (5) in diesem jeweils eine phasenstarre Anbindung zwischen den beiden Signalfrequenzen (f₁ und f₂) erzwungen wird.

2. Verfahren zur quasikohärenten Synchronisation von minde­ stens zwei unterschiedlichen Frequenzen, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß eine Frequenz (f₁) eines vorzugsweise von allen Modula­ tionsresten befreiten, sich mit einer Dopplerfrequenz (f_d) ändernden sinusförmigen Signals (s(f₁)) gemessen und mit einer einer nominellen Navigationssignal-Frequenz entspre­ chenden Bezugsfrequenz (f_N) verglichen wird;
daß ein spannungsgesteuerter Oszillator (5) mit einer der nominellen Bezugsfrequenz entsprechenden Mittenfrequenz (f_N) so beeinflußt wird, daß er (5) auf einer bezüglich der Mit­ tenfrequenz (f_N) um die Dopplerfrequenz (f_d) geänderten spiegelbildlichen Frequenz (f₂=f_N-f_d bzw. f₂=f_N+f_d) schwingt;
daß die zu der nominellen Bezugsfrequenz (f_N) spiegelbildli­ chen Frequenzen (f₁, f₂) nach zu der zweifachen, absoluten Dopplerfrequenz (f_d) umgekehrt proportionalen Zeitinterval­ len über entsprechend gesteuerte Torschaltungen (7, 8) an einen Phasendetektor (9) angelegt werden, dessen Ausgangsspannung zu den Zeiten (t_n) proportional zur Phasen­ differenz zwischen den beiden zueinander spiegelbildlichen Frequenzen (f₁, f₂) ist, und
daß durch Anlegen der geglätteten Ausgangsspannung des Pha­ sendetektors (9) an den spannungsgesteuerten Oszillator (5) in diesem jeweils eine phasenstarre Anbindung zwischen den beiden Signalfrequenzen (f₁, f₂) erzwungen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch einen Zähler (1) zum Messen einer Frequenz (f₁) des sich mit einer Dopplerverschiebung (f_d) ändernden sinusför­ migen Eingangssignals (s(f₁)), dem (1) zum Vergleich der Frequenz (f₁) des Eingangssignals (s(f₁)) mit einer einer nominellen Navigations-Signalfrequenz entsprechenden Bezugs­ frequenz (f_N) ein Rechner (2) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal für die Dopplerverschiebung (f_d) über einen Digital-Analog-Wandler (3) und ein Summierglied (4) derart an einen spannungsgesteuerten Oszillator (5) mit einer der Bezugsfrequenz entsprechenden Mittenfrequenz (f_N) angelegt wird, daß er (5) dadurch auf einer zur Frequenz (f₁=f_N± f_d) des Eingangssignals (s(f₁)) spiegelbildlichen Frequenz (f₂=f_N±f_d) schwingt;
durch ein von dem Rechner (2) in Intervallen beeinflußte Torsteuerung (6), welche mit weiteren Tor­ schaltungen (7, 8) verbunden ist, von denen die eine (8) mit dem Eingangssignal (s(f₁)) und die andere (7) mit dessen bei der Spiegelfrequenz (f₂) liegenden Signal (s(f₂)) angesteu­ ert ist;
durch einen mit den weiteren Torschaltungen (7, 8) verbundenen Phasendetektor (9), dessen zur - Phasendifferenz zwischen den beiden zueinander spiegelbildlichen Frequenzen (f₁, f₂) proportionale - Ausgangsspannung über einen Meßwert­ speicher (10) ein Glättungselement (11) und das Summierglied (4) an den spannungsgesteuerten Oszillator (5) angelegt ist, so daß in diesem (5) eine phasenstarre Anbindung zwischen den beiden Signalfrequenzen (f₁ und f₂) erzwungen wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Ausgleich störender Phasen­ verschiebungen das Eingangssignal (s(f₁)) über ein Laufzeit­ glied (12) an die eine Torschaltung (8) angelegt ist.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung der Fre­ quenz (f₂) diese an den Zähler (1) rückgeführt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß statt der weiteren Torschaltun­ gen (7, 8) Zeitintervallmeßanordnungen (13, 14) oder Ampli­ tudenmeßanordnungen vorgesehen sind, die durch vom Rechner (2) gesteuerte Impulse zu den Zeitpunkten (t_n) angesteuert sind und denen ein Rechner (15) sowie ein Digital-Analog- Wandler (16) nachgeschaltet sind.