DE69937625T2

DE69937625T2 - Gerät zum Austausch von Funksignalen die Zeitanzeiger behalten zur Synchronisierung von Zeitstandarden

Info

Publication number: DE69937625T2
Application number: DE69937625T
Authority: DE
Inventors: Thierry Potier
Original assignee: Thales Systemes Aeroportes SA
Current assignee: Thales Systemes Aeroportes SA
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: EP0998064A1; FR2785110A1; CA2287653A1; US6870819B1; FR2785110B1; CA2287653C; ATE379885T1; DE69937625D1; EP0998064B1

Description

Die Erfindung betrifft die Funkübertragung von chronometrischen Informationen.
Um chronometrische Impulse auf dem Funkweg zu übertragen, wird meist eine Trägerwelle verwendet, die mit einem wiederholbaren Muster versehen ist, das einen Zeitmarkierer bildet, der einem kurzen Impuls gleichwertig ist. Der Zeitmarkierer ist zum Beispiel ein Code vom pseudozufälligen Typ oder vom Typ "Pseudorauschen".
Es ist vorteilhaft, diese Technik auf die Synchronisation von sehr genauen Taktgebern anzuwenden, die sich zum Beispiel der eine am Boden und der andere an Bord eines Satelliten befinden. Es geht dann darum, die Zeitverschiebung zwischen den jeweiligen Übergängen dieser Atomtaktgeber präzise zu messen. Allgemeiner geht es darum, die Zeitverschiebung zwischen zwei gleichzeitigen Ereignissen zu suchen, die in fernen Stationen im Raum auftreten, wobei das Wort "Station" hier nicht die Unbeweglichkeit bedeutet.
Eine der Stationen überträgt an die andere einen Zeitmarkierer, der mit ihrem eigenen Ereignis verbunden ist. Unter der Bedingung, dass die Zeit des realen Wegs der Wellen bekannt ist, erlaubt die Abweichung, die in der anderen Station zwischen dem empfangenen Zeitmarkierer und dem lokalen Ereignis (oder einem mit diesem verbundenen Zeitmarkierer) gemessen wird, den Zugriff auf die gesuchte Zeitverschiebung. Außerdem kann man dafür sorgen, dass der Träger frequenzmäßig mit dem Zeitmarkierer verbunden ist; die Phase des Trägers verbessert die Präzision.
Um die von den Funkwellen zurückgelegte Strecke zu kennen, benötigt man eine zweite Übertragung, diese im Hin- und Rückweg. In den meisten Fällen muss diese zweite Übertragung gleichzeitig mit der ersten stattfinden. Man kann also zwei Sendevorgänge und einen Empfang für eine der Stationen haben, während die andere Station der Sitz eines Sendevorgangs und von zwei Empfangsvorgängen ist.
Außerdem ist das Übertragungsmedium selten perfekt und häufig dispersiv. Insbesondere im Fall einer Übertragung Erde-Satellit beobachtet man starke Störungen beim Durchqueren der Ionosphäre und der Troposphäre. Diese Störungen sind kurzfristig variabel und dispersiv für die Ionosphäre.
Die klassische Lösung würde darin bestehen, verschiedene Trägerfrequenzen für die zwei Übertragungen zu verwenden. Dies ist aber problematisch, insbesondere auf der Ebene der Frequenzzuweisung.
Es bleibt also nur die Möglichkeit, die zwei Übertragungen mit der gleichen Trägerfrequenz durchzuführen. Dies setzt aber ein Time Sharing voraus, was immer schwierig ist aufgrund der Interferenzgefahren. Da die Streckenzeit der Wellen zwischen den zwei Stationen länger ist als die Wiederholperiode des Zeitmarkierers, kommt es außerdem vor, dass das empfangene Signal mit einem Sendezeitpunkt zusammenfällt und folglich durch Verdeckung verloren geht, was nicht akzeptabel ist.
Es gibt derzeit also keine wirklich zufriedenstellende Lösung für den Funkaustausch von chronometrischen Signalen zwischen zwei fernen Stationen, siehe zum Beispiel FR-A-2726412 (CNES).
Die vorliegende Erfindung verbessert die Situation. Sie geht von einer Vorrichtung aus, die Funk-Sende-/Empfangsmittel aufweist, mit denen einerseits ein Generator eines zu sendenden Signals und andererseits eine empfangsseitige Verarbeitungsschaltung gekoppelt sind, die ein empfangenes Signal verarbeiten kann.
Die Erfindung behält die Idee bei, die Funk-Sende-/Empfangsmittel im Wesentlichen sende- und empfangsseitig mit der gleichen Trägerfrequenz arbeiten zu lassen.
Sie überwindet die oben erwähnten Schwierigkeiten, indem sie vorsieht, unterschiedliche Zeitabschnitte zu definieren, deren zeitliche Positionierung (Anfang und/oder Ende) im Wesentlichen zufällig ist. Das Senden ist nur während dieser Abschnitte erlaubt, während der Empfang nur außerhalb dieser Abschnitte erlaubt ist. Dies ermöglicht es, die Zeitmarkierer der Signale auszuwerten, ohne dass die Verdeckungswirkung des Empfangs durch das Senden wiederkehrend ist.
Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Ablaufsteuerungsmittel aufweisen, die in der Lage sind, die Zeitabschnitte zu definieren, und die einen Schalter steuern, der so montiert ist, dass die Sende-/Empfangsmittel mit dem Sendekanal nur während der Sende-Zeitabschnitte gekoppelt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Sende-Startzeitpunkte ebenso wie die Sende-Endzeitpunkte zufällig gewählt. Die Ablaufsteuerungsmittel sind aber so eingerichtet, dass sie eine mittlere Wiederholung der Sende-Startzeitpunkte definieren. So haben die Sende-Zeitabschnitte einen Zufallstakt, aber zentriert um einen mittleren Takt. Die Empfangs-Zeitabschnitte sind ihrerseits komplementär zu den Sende-Abschnitten, so dass der Empfang im Wesentlichen beginnt, wenn das Senden endet. Vorzugsweise haben die Empfangs-Zeitabschnitte eine mittlere Dauer im Wesentlichen gleich der mittleren Dauer der Sende-Abschnitte.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen, als Beispiel angegebenen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1 schematisch einen Austausch von drei Signalen zwischen einer Bodenstation und einer Orbitalstation,
2 schematisch die Geschwindigkeit von zwei Signalen, die im gleichen Kanal gesendet werden,
3A ausführlicher den Signalgenerator und die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung der Vorrichtungen an Bord und am Boden der 1,
3B den Signalgenerator und die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung der Vorrichtungen an Bord und am Boden, die einen Austausch von vier Signalen e1, r1, e2 und r2 ermöglichen,
4 teilweise in Form einer Schaltung ein Ausführungsbeispiel eines Generators von zu sendenden Signalen, mit Ablaufsteuerungsmitteln des erwähnten Typs,
5A ausführlicher ein Ausführungsbeispiel einer Ausrüstung der Orbitalstation für den Austausch von drei Signalen,
5B ausführlicher ein Ausführungsbeispiel einer Ausrüstung der Bodenstation für einen Austausch von drei Signalen mit der in 5A dargestellten Orbitalstation, und
6 teilweise ein Ausführungsbeispiel eines Demodulators DEMOD, der in den Empfangskanälen der in den 5A und 5B gezeigten Schaltungen vorgesehen ist.
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die dazu gehörenden Zeichnungen enthalten hauptsächlich Elemente von bestimmtem Charakter. Die Zeichnungen können also nicht nur zum besseren Verständnis der Erfindung dienen, sondern auch ggf. zu ihrer Definition beitragen.
Nachfolgend wird angenommen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung an die präzise Messung einer Zeitverschiebung zwischen zwei fernen Atomtaktgebern angewendet wird. Die gesuchte Präzision für diese Messung liegt in der Größenordnung der Picosekunde. Die zwei Atomtaktgeber H1 und H2 sind zum Beispiel Taktgeber mit gekühlten Cäsium-Ionen.
Wie es 1 zeigt, befindet sich der Taktgeber H2 an Bord eines Satelliten 2 in erdnaher Umlaufbahn. Der andere Taktgeber H1 ist am Boden. Das ist der Kontext der Satelliten-Experimente mit der Bezeichnung "Alpha-Station".
Üblicherweise wird die Messung der Verschiebung zwischen einem fernen Taktgeber und einem lokalen Taktgeber auf optischem Weg durchgeführt. Man verwendet einen Laserstrahl mit Impulsen allgemein mit einer Wellenlänge nahe 532 Nanometer. Die Absorption und die Streuung dieses Strahls durch die Wolken in der Atmosphäre führen aber dazu, dass die Verarbeitungsbedingungen empfangsseitig nicht immer korrekt sind.
Um diesen Nachteil zu beheben, kann man vorsehen, einen Austausch von Signalen im Hochfrequenzbereich durchzuführen, die weniger Absorption und/oder Streuung erfahren können als ein optischer Strahl.
Die Messung der Verschiebung zwischen einem fernen Taktgeber und einem lokalen Taktgeber auf dem Funkweg ist komplexer: Man muss mindestens drei Signale austauschen. Zum Beispiel, um am Boden die Zeit des Taktgebers H2 (oder Bordzeit) zu messen, sind diese drei Signale:

– ein Signal e1, aus H1 entnommen, das die Bodenstation 1 sendet,
– ein Signal r1, aus e1 entnommen, das die Orbitalstation 2 (oder Alpha-Station) zurückschickt, und
– ein Signal e2, aus H2 entnommen, das die Alpha-Station 2 sendet.

Die gewählte Trägerfrequenz ist zum Beispiel nahe 13,5 GHz. Jede andere Frequenz kann geeignet sein, wenn sie wenig von einer wolkigen Atmosphäre absorbiert wird. Das Problem ist, dass eine Hochfrequenzverbindung zwischen dem Boden und einem Satelliten in der Umlaufbahn Ausbreitungsstörungen aufgrund der Durchquerung bestimmter atmosphärischer Schichten erfährt. Zum Beispiel induziert die Ionosphäre 3 (1) bezüglich der theoretischen Ausbreitung in gerader Linie eine Verlängerung der Streckenzeit oder Verzögerung, die im Wesentlichen proportional zum Kehrwert des Quadrats der Frequenz, also dispersiv ist. Für eine Trägerfrequenz nahe 10 GHz kann diese Verlängerung bei schrägem Einfall einige Nanosekunden (einige zehn Zentimeter in der äquivalenten Entfernung) erreichen. Die Troposphäre 4 induziert ebenfalls eine Verzögerung, die aber nicht oder nur wenig von der Trägerfrequenz abhängt.
Um die dispersive Wirkung der Ionosphäre auf Träger im Bereich der Hochfrequenzen zu überwinden, kann man eine geeignete Wahl von drei unterschiedlichen Trägerfrequenzen durchführen, die es ermöglichen, den Austausch der Signale durchzuführen (siehe zum Beispiel den Artikel "Performance Data of Space and Ground Hydrogen Masers and Ionospheric Studies for High-Accuracy Comparisons between Space and Ground Clocks", R. F. C. VESSOT & M. W, LEVINE, Proc. of the 28th Annual Symp. an Freq. Contr., Ft. Monmouth, N. J., 1974, pp 408–414). Typischerweise gibt es eine mathematische Beziehung zwischen den drei Trägerfrequenzen, aber es ist ebenfalls schwierig, sogar unmöglich, eine Zuweisung von Frequenzen zu erhalten, die drei unterschiedliche Frequenzen abdeckt, die von diesem Verfahren gefordert werden. Außerdem erfordert der Austausch von Signalen auf drei verschiedenen Trägerfrequenzen die Verwendung, für jede Station, entweder einer Antenne mit sehr breitem Band, oder von mindestens drei Antennen, deren relative Stellungen perfekt beherrscht werden (bis auf die Ebene der Phasenmitte).
Die vorliegende Erfindung schlägt dann den Austausch von mindestens drei Signalen mit gleicher Trägerfrequenz vor, die aus dem Bereich der Hochfrequenzen ausgewählt wird und Zeitmarkierer, im Prinzip periodische, trägt, die jedes Mal mit der zu übertragenden Zeit verbunden sind. Das Senden der gleichen Frequenz auf drei Kanälen im Wesentlichen im gleichen Zeitpunkt ermöglicht es, die Ausbreitungsstörungen zu kompensieren, wie man sehen wird.
In einer Station ist der Sendezeitpunkt einem lokalen Zeitmarkierer zugeordnet. Dieser Ausdruck "Zeitmarkierer" deckt den Zeitmarkierer selbst ab. Er deckt auch jedes Zeitsignal ab, das in Phase und Frequenz mit diesem Zeitmarkierer verbunden ist: Ein solches Signal wird als "synchron" mit dem Zeitmarkierer bezeichnet; ihre jeweiligen Frequenzen befinden sich in einem Verhältnis gleich einer rationalen Zahl.
Der Empfang jedes Signals enthält die Einstellung eines lokalen Zeitmarkierers auf den empfangenen Zeitmarkierer. Wenn der Träger zeitlich mit dem Zeitmarkierer verbunden ist, der ihn moduliert, wird diese Einstellung präziser gemacht, indem die Phase des Trägers wie empfangen verwendet wird. Dies liefert eine "Messung des Empfangszeitpunkts".
In einem Beispiel ist die ferne Station ein Satellit in erdnaher Umlaufbahn, typischerweise zwischen 300 km und 1000 km über dem Boden (nicht geostationär). Die Satellitenstation wird häufig verdeckt, da die Sichtbarkeitsdauern des Satelliten an einem gegebenen Erdpunkt höchstens 300 Sekunden bei mehreren Umläufen mit einem Abstand von etwa 90 Minuten für eine Umlaufbahn in einer mittleren Höhe von 300 km beträgt.
In 1 sendet die Antenne A2 der Satellitenstation 2 ein Signal e2 in Richtung der Bodenstation 1. Die Antenne A1 am Boden sendet ein Signal e1, das von der Antenne A2 des Satelliten zurückgeschickt wird (r1). Man wählt vorzugsweise Antennen A1 und A2 mit einer Bandbreite gleich etwa 10% der zentralen Frequenz. In einem spezielleren Beispiel ist die Bodenantenne A1 eine Parabolantenne, die zum Satelliten gerichtet ist, während die Satellitenantenne A2 eine Vierdraht-Wendelantenne mit einer Apertur von etwa 60° ist. Vorteilhafterweise ist die Polarisation der verwendeten elektromagnetischen Wellen zirkular oder allgemeiner elliptisch.
Man kennt also in der Bodenstation:

– den Sendezeitpunkt des Signals e1,
– den Empfangszeitpunkt des zurückgeschickten Signals r1, und
– den Empfangszeitpunkt des Signals e2.

Die zwei Signale e1 und r1 werden als Bezugssignale betrachtet. Im Moment werden die inneren zeitlichen Verschiebungen der Elektronikschaltungen außer Acht gelassen, insbesondere die Verschiebung, auf die man am anderen Ende trifft, um das Signal r1 ausgehend von e1 wie empfangen neu zu erzeugen; es ist nämlich möglich, diese Verschiebungen zu kennen oder zu korrigieren, wie man weiter unten sehen wird.
Die zeitliche Verschiebung zwischen dem Sendezeitpunkt von e1 und dem Empfangszeitpunkt von r1 ist gleich dem Doppelten der Ausbreitungszeit über die Entfernung Boden/Umlaufbahn (einschließlich der Wirkung der erwähnten Ausbreitungsanomalien). Diese zeitliche Verschiebung wird mit 2·T_er bezeichnet. Sie wird Modulo Tsi gemessen, wobei Tsi die Periode oder "Epoche" der verwendeten Zeitmarkierer ist.
Seinerseits trägt der Empfangszeitpunkt Tee des Signals e2 die Information über die Zeit des Taktgebers H2 in der Umlaufbahn, einmal erhöht um die Ausbreitungszeit über die Entfernung Boden/Umlaufbahn (einschließlich der erwähnten Ausbreitungsanomalien). Der Zeitpunkt Tee wird ebenfalls Modulo Tsi gemessen.
Dem Fachmann ist klar, dass die Größe T_e2–T_er nur die Zeit des fernen Taktgebers H2 trägt. So hat man Zugriff auf die Verschiebung zwischen dem lokalen Taktgeber H1 und dem fernen Taktgeber H2.
Die Anmelderin war mit mehreren Schwierigkeiten konfrontiert, um die Signalaustauschvorgänge auf der gleichen Trägerfrequenz durchzuführen.
Zunächst, aufgrund der empfangsseitig erforderlichen großen Verstärkung, ist es in der Praxis unmöglich, gleichzeitig auf der gleichen Trägerfrequenz und im gleichen Punkt zu senden und zu empfangen. Für jede Antenne sieht die Erfindung vor, dass die Sende- und Empfangsvorgänge auf voneinander getrennte Zeitfenster (oder Zeitabschnitte) verteilt sind.
Es ist relativ einfach, die zeitliche Verschiebung zwischen zwei fernen Taktgebern zu messen, wenn man eine kontinuierliche Verfolgung dieser Verschiebung durch Dauerverbindungen zwischen den Stationen durchführen kann. Sobald aber die Sende- und Empfangsvorgänge der Signale intermittierend sind, ist es schwierig, auf die zeitliche Verschiebung zwischen zwei fernen Taktgebern zuzugreifen nur durch Verfolgung der Phasenabweichung zwischen diesen zwei Taktgebern ausgehend von einem gemeinsamen Bezugspunkt, unter Berücksichtigung der Veränderung der Entfernung Boden-Satellit und möglicher kleiner Differenzen zwischen den Taktgeberfrequenzen.
Es ist außerdem bekannt, dass die Zeitmessungen a priori einer intrinsischen Mehrdeutigkeit unterworfen sind, die gleich der Periode des verwendeten Zeitmarkierers ist.
Es gibt aber noch eine Schwierigkeit auf einer anderen Ebene, die die Fachleute auf dem Gebiet des Radars manchmal als "Mehrdeutigkeit von Impuls zu Impuls" nennen: Man betrachtet eine Folge von gesendeten Impulsen und von Rückimpulsen, die von dem Zurückschicken dieser gesendeten Impulse von einem fernen Gegenstand stammen, wenn die Hin- und Rückstreckenzeit geringer als die Periode zwischen Impulsen ist, kommt jeder Rückimpuls von dem gesendeten Impuls, der ihm direkt vorausgeht; anders ist es im gegenteiligen Fall; und es kann vorkommen, dass der Rückimpuls mit einem gesendeten Impuls zusammenfällt, was ihn unauswertbar macht. Die Anmelderin hat festgestellt, dass diese "Verdeckungs"-Wirkung bei den chronometrischen Anwendungen sehr störend ist.
Die Erfindung sieht vor, dass:

– die Antennen A1 und/oder A2 im Durchschnitt alle 100 μs senden, und
– die Sendezeitfenster Positionen und/oder Dauern haben, die eine Zufallskomponente aufweisen, mit vorzugsweise einer Dauer von im Durchschnitt 50 μs. Dies kann durchgeführt werden, indem die Anfangszeitpunkte und/oder Endzeitpunkte der Sendezeitfenster zufällig festgelegt werden.

Seinerseits findet der Empfang während der Zeitfenster statt, die im Durchschnitt im Wesentlichen komplementär zu 100 μs sind. So haben die empfangsseitigen Zeitfenster ebenfalls eine Zufallsdauer, im Durchschnitt gleich etwas weniger als etwa 50 μs, wie man sehen wird.
Mittels des Sendens und des Empfangs der Signale in jeweils zufälligen Zeitpositionsfenstern vermeidet man eine periodische Verdeckung des Empfangs durch das Senden.
Indem auch die Dauern der Sendefenster zufällig gemacht werden, verhindert man, dass das Spektrum der empfangenen Signale zu ausgeprägte und dem Rest des Trägers nahe Spitzen hat. Anders gesagt, man breitet die spektrale Dichte der empfangenen Signale aus, und die Erfassungsbedingungen des Trägers Fp werden dadurch verbessert.
In der Praxis, um die Sende- und Empfangsprioritäten zu steuern, weisen die Signalaustauschvorrichtungen einen Schalter SW1 (oder SW2) mit drei Kanälen: Senden, Pause, Empfangen (3A und 3B) auf. Zwischen dem Senden (50 μs im Durchschnitt) und dem Empfang (48 μs im Durchschnitt) sind nämlich 2 μs für eine Pause reserviert, die es zum Beispiel erlaubt, den Empfang eines vorzeitig von einem Flugzeug reflektierten Signals zu vermeiden.
Der Schalter SW wird von einer Ablaufsteuerung gesteuert, von der eine Ausführungsform in 4 veranschaulicht ist. Sie weist einen Generator eines weißen Gauß'schen Rauschens 50, gefolgt von einem Bandpassfilter 51 auf, dessen Transferfunktion H(f) folgendermaßen geschrieben wird: H(f) = K sin2(nτf)/(nτf)wobei τ von der mittleren Wiederholungsfrequenz der Sendefenster abhängt (τ = 0,421/Fr) und die Bandbreite des Filters definiert. Am Ausgang des Filters 51 ist ein Komparator 52 vorgesehen, dessen Kippschwelle gewählt wird, um ein mittleres zyklisches Verhältnis von η ≈ 50% (durchschnittlich 50 μs Sendung bei einem Durchschnitt von 100 μs) zu verfeinern.
In einer Variante kann man die aufeinanderfolgenden Zeitpunkte des Anfangs und des Endes der Sende-Zeitfenster mit Hilfe von Generatoren eines pseudozufälligen Codes (oder Code PRN) oder auf jede andere gleichwertige Weise, einschließlich der völlig zufälligen, definieren.
Man stellt auch fest, dass es nicht notwendig ist, dass die ferne Station den Veränderlichkeitsmodus kennt, der für die Sendepositionen und/oder Sendedauern verwendet ist, da es reziprok vorgesehen ist, dass die ferne Station im Durchschnitt während 50 μs und im Durchschnitt alle 100 μs sendet und den Rest der Zeit empfängt, bis auf die Totzeiten. So ist der Empfang nicht immer erfolgreich, aber statistisch verfügt man immer über einen ausreichenden Anteil von erfolgreichen Empfängen, um das empfangene Signal verarbeiten zu können.
Die Anmelderin musste außerdem eine zweite Schwierigkeit bekämpfen, die mit dem gleichzeitigen Senden und Empfang von zwei Signalen mit der gleichen Trägerfrequenz r1 und e2 (1) und über den gleichen Kanal zusammenhängen, wie man weiter unten sehen wird.
4 ist das Prinzipschaltbild des Generators G von zu sendenden Signalen e1 oder e2 in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform. Der Atomtaktgeber 9 (oder Hat) liefert Taktimpulse (oder Tops) der Frequenz Fat (typischerweise nahe 100 MHz). In einem ersten Kanal formt ein Frequenzvervielfacher 53 ein Signal mit einer Zwischenfrequenz Fi, hier nahe 1,5 GHz. In einem zweiten Kanal liefert ein Komparator 54 ein periodisches Signal mit Rechteckimpulsen von 10 ns; man betrachtet die Übergänge dieser Rechteckimpulse in einer der beiden möglichen Richtungen; davon ausgehend wählt ein Folgegenerator 55 (CODE) pseudozufällig alle 80 ns einen Impulstartzeitpunkt unter N möglichen Startzeitpunkten (N = 8 im Diagramm der 2). Diese N möglichen Startzeitpunkte haben einen Abstand von 10 ns, was einer Frequenz von 100 MHz entspricht, d. h. etwa einem Fünfzehntel von Fi.
Der mittlere Takt der so erzeugten Rechteckimpulse liegt nahe 12,5 MHz. Ausgehend von jedem Rechteckimpuls erzeugt ein Integrationsfilter 56 einen Gauß'schen Impulse einer Dauer nahe 10 ns im Beispiel. Dieser Gauß'sche Impuls geht als Modulationseingangssignal an einen Modulator 57, der als zu modulierendes Signal das Signal mit Zwischenfrequenz Fi des ersten Kanals empfängt. Das Ausgangssignal des Modulators 57 entspricht dem zu sendenden Signal e.
Die so erzeugte Folge von Gauß'schen Impulsen bildet ein Muster, das mit dem Zeitmarkierer der sendenden Station verbunden ist. Die Modulation durch Impulse, deren Profil im Wesentlichen eine Gauß'sche Funktion ist, ermöglicht vorteilhafterweise, eine spektrale Dichte zu erhalten, die außerhalb des Nutzbandes schnell abnimmt.
Im Beispiel der 2 haben die erzeugten Signale eine Folge von Impulsen mit Dauern nahe 10 ns, alle 80 ns. Die zeitliche Position jedes Gauß'schen Impulses wird pseudozufällig in N Verschiebungsebenen (N = 8 im Beispiel) mit einem Abstand von 10 ns gewählt. Die Wiederholungsrate dieser Impulse ist im Durchschnitt konstant, vorzugsweise nahe 12,5 MHz. Die mittlere Abweichung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen beträgt etwa 80 ns, während die maximale Abweichung zwischen diesen zwei Impulsen etwa 150 ns beträgt. Allgemein sind die zeitlichen Positionen von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen um eine Dauer geringer als ein Schwellwert getrennt, hier von 150 ns.
So:

– wird der Träger jedes zu sendenden Signals von einer Folge von Impulsen moduliert, von denen jeder eine Hülle in Form eines Gauß'schen Impulses ("Gauß'sche Impulse") hat,
– haben diese Gauß'schen Impulse alle die gleiche vorbestimmte Dauer Timp,
– ist die Folge von Impulsen periodisch, mit einer Periode Tsi,
– sind innerhalb dieser Periode Tsi die jeweiligen zeitlichen Positionen der Gauß'schen Impulse im Wesentlichen zufällig, gemäß einem "Muster" der Dauer Tsi, das vorab ausgewählt wird,
– wird das Muster ohne zeitliche Unterbrechung während der ganzen Dauer wiederholt, während der das Senden erlaubt ist; folglich präsentieren die erzeugten Signale sich wie eine periodische Folge von Gauß'schen Impulsen, in der die Startzeitpunkte der Impulse pseudozufällig gewählt werden,
– bleiben, da die Erzeugung des Musters in der betrachteten Station permanent ist, die gesendeten Teile dieses Musters von einem Sendefenster zum nächsten kohärent. Außerdem sind die Gauß'schen Impulse hier "von Impuls zu Impuls kohärent", d. h. dass die Phase der Trägerwelle über die Gesamtheit dieser Impulse beibehalten wird (einschließlich von einem Sendeabschnitt zum nächsten).

Die Folge von Mustern der Periode Tsi kann als äquivalent einer Folge von Taktimpulsen der Periode Tsi angesehen werden. Ein Impuls ist zum Beispiel dem Anfang jeder Wiederholung des Musters (oder jedem anderen festgelegten Zeitpunkt des Musters, vorausgesetzt diese Regelung ist fixiert und bekannt) zugeordnet.
Die verschiedenen verwendeten Muster werden gewählt, um bestimmte Bedingungen zu beachten:

– die Korrelation zwischen zwei Signalen mit unterschiedlichen Mustern ergibt nichts (nur Rauschen);
– die Korrelation zwischen zwei Signalen mit dem gleichen Muster hängt von der Synchronisation zwischen den zwei Signalen ab. Sie ist maximal, wenn die zeitliche Position des Musters in den beiden Signalen im Wesentlichen die gleiche ist (Modulo Tsi). Diese Korrelation ermöglicht es, einen kleinen zeitlichen Abstand (bis auf die Mehrdeutigkeit) zu verarbeiten, der in der Größenordnung der Breite auf halber Höhe eines Gauß'schen Impulses liegt.

Um durch Korrelation empfangsseitig die ausgetauschten Signale unterscheiden zu können, ist es notwendig, dass die Muster bekannt sind, entweder vollständig oder in Form einer Darstellung, die es ermöglicht, sie zu erzeugen. Da die pseudozufällige zeitliche Verteilung der Gauß'schen Impulse bezüglich eines Bezugszeitpunkts vorbestimmt ist, kann man also daraus Repliken für die Korrelation erzeugen.
Wie bereits gesagt, bevorzugt die Anmelderin derzeit eine Modulation der Trägerwelle durch Impulse in Form einer Gauß'schen Welle und von pseudozufälligen zeitlichen Positionen aufgrund der Vorteile, die sie darstellen. In einer Variante könnte man aber andere Typen von Zeitmarkierern verwenden, die zum Beispiel auf pseudozufälligen Codes beruhen, die bei der Modulation durch Phasenumkehr des Trägers (Modulation des Typs "BPSK" für Binary Phase Shift Keying) intervenieren.
Nachfolgend wird "Code" das erwähnte Verteilungsmuster der Gauß'schen Impulse oder jedes äquivalente Signal genannt.
Gemäß einem anderen interessanten Merkmal der Erfindung werden zwei unterschiedliche Codes verwendet, der eine, um das Signal e1 zu senden oder das Signal r1 zurückzuschicken, und der andere zum Senden des Signals e2, wobei diese Codes empfangsseitig in der Umlaufbahn und am Boden bekannt sind. So weist jedes ausgetauschte Signal außer seinem HF-Träger einen Zeitmarkierer auf, der mit einem durch Korrelation unterscheidbaren Code verbunden ist. Um die zwei empfangenen Signale r1 und e2 am Boden zu unterscheiden, wird eine Kenntniskorrelation ihrer jeweiligen Codes von der empfangsseitigen Verarbeitungsschaltung C1 durchgeführt. Man stellt fest, dass die Sendeleistungen sich hier unter dem Rauschen befinden. Außerdem genügen Dauern Tsi nahe 10 μs in dieser Anwendung, was vorteilhafterweise empfangsseitig relativ kurze Verarbeitungszeiten durch Korrelation erlaubt, typischerweise in der Größenordnung von 20 s für den Bordempfänger des Satelliten gegenüber 2 s am Boden, wobei die Position des Satelliten und die Phase seines Taktgebers mit einer guten Näherung bekannt sind.
Die 3A und 3B sind Prinzipschaltbilder der Austauschvorgänge zwischen den Bodenstation und der Orbitalstation, jeweils mit drei und vier ausgetauschten Signalen. Diese Figuren veranschaulichen Modulatoren (MOD) und Demodulatoren (DEMOD), die weiter unten ausführlicher beschrieben werden.
In 3A verbindet der Schalter SW1 der Bodenstation 1 die Antenne A1 entweder mit der empfangsseitigen Verarbeitungsschaltung C1 oder mit dem Signalgenerator G1.
Der Signalgenerator G1 weist den Boden-Taktgeber 91 (oder H1) auf, der eine Frequenz F1 liefert, um die Modulatoreinheit 811 (oder MOD) zu steuern. Diese liefert ein Signal e1, das nach Verstärkung 200 am Schalter SW1 ankommt. Es wird daran erinnert, dass dieses Signal e1 von der Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz Fp mit dem Muster oder Code ("am Boden") stammt, das diesem Signal e1 zugeordnet ist.
Die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung C1 beginnt mit einer empfangsseitigen Verstärkungsstufe 100, die mit SW1 verbunden ist. Der Ausgang dieses Verstärkers 200 geht über zwei Demodulatoreinheiten 813 und 814 (oder DEMOD), die die Codes der zwei Signale e2 bzw. r1 verarbeiten. Wie man weiter unten sehen wird, weist die Verarbeitung DEMOD eine kohärente Demodulation des Trägers und eine Synchronisation der Codes durch Korrelation auf.
Beim Empfang äußert sich die Ausbreitungszeit der Welle sowohl durch eine zeitliche Verschiebung des Musters als auch durch eine Phasenverschiebung des Trägers. Die Korrelation wird an vorbestimmten Musterlängen mit Hilfe einer Messung einer Trägerphasenabweichung durchgeführt und kann einen Wert einer zeitlichen Verschiebung zwischen den Signalen r1 und e1 einerseits und e2 und e1 andererseits ergeben. Dann erinnern die Komparatoren 815 und 816 symbolisch daran, dass die Zeitmarkierer der empfangenen Signale mit dem lokalen Atomtaktgeber des Bodens H1 verglichen werden.
Der Schalter SW2 der Orbitalstation 2 verbindet die Antenne A2 entweder mit der empfangsseitigen Verarbeitungsschaltung C2 oder mit dem Signalgenerator G2.
Die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung C2 beginnt mit einer empfangsseitigen Verstärkungsstufe 100, die mit SW2 verbunden ist. Der Ausgang dieses Verstärkers 200 geht zu einer Demodulatoreinheit 824, die den Code des empfangenen Signals e1 verarbeitet.
Der Signalgenerator G2 enthält den Satelliten-Taktgeber 92 (oder H2), der eine Frequenz F2 liefert, um die Modulatoreinheit 821 (oder MOD) zu steuern. Diese liefert ein Signal e2, dessen Modulationsmuster sich vom Muster von e1 unterscheidet. Außerdem wird das Ausgangssignal des Demodulators 824 an einen anderen Modulator 822 angelegt, um das wieder auszugebende Signal r1 zu erstellen. Eine Verbindung 827 vereint die zwei Signale e2 und r1 (vorzugsweise mit gegenseitigem Ausschluss, wie man sehen wird), um sie an die Sendeverstärkung 200 anzulegen. Die Signale r1 und e2 werden von der Antenne A2 der Orbitalstation gesendet.
Die Verstärkung 200 (in beiden Fällen) muss ausreichend linear sein, um eine Phasenverzerrung insbesondere des Trägers zu vermeiden, und um die Verstärkungsvariationen einzudämmen, indem die maximale Amplitude (oder Spitze) der Signale gestützt wird. Außerdem können im Signalgenerator G2 zwei den gesendeten Signalen r1 bzw. e2 zugeordnete Impulse einander überlappen. Man kann bestimmen, dass der zuerst angekommene Impuls prioritär ist und alleine für das Senden ausgewählt wird (Diagramm der 2). Das gleichzeitige Senden von zwei Impulsen, das als Variante in Betracht gezogen werden kann, würde besonders genaue Linearitätsmerkmale in Höhe des Verstärkers 200 von G2 erfordern.
Die 5A, 5B und 6 sind detaillierte Schaltbilder im Fall von drei ausgetauschten Signalen. Sie unterscheiden sich von den schematischen Schaltbildern hauptsächlich durch das Eingreifen von Frequenzänderungen und durch eine "verteilte" Anwendung der Schaltungen SW1 und SW2.
5A betrifft die Ausrüstung, die in der angestrebten Anwendung an Bord des Satelliten vorgesehen ist. Auf die Antenne A2 folgt ein Antennen-Bandpassfilter 101, das das Sende-/Empfangsnutzband begrenzt, gefolgt von einem Zirkulator 102 für die Trennung in zwei Sende- E und Empfangskanäle R.
Auf der Empfangsseite R durchquert das Signal e1 den gesteuerten Unterbrecher 103, dann den Verstärker 104, und das Bandpassfilter 105, um die Mischstufe 106 zu erreichen, die außerdem über den Schalter SW2 ein Frequenzsignal F2 empfängt, das der Synthetisierer 11 des lokalen Oszillators (Bord-Taktgeber H2) liefert. Der Ausgang der Mischstufe 106 wird von einem Bandpassfilter 107 auf die Komponente Fp–F2 beschränkt. Nach der Verstärkung in 108 wird das resultierende Signal an den Demodulator 824 angelegt, auf den später zurückgekommen wird. Dieser liefert ein wiederhergestelltes Signal I2 (Muster der Impulsfolge des Signals e1) im Kanal 171, und ein wiederhergestelltes Signal P2 der Frequenz Fp–F2 im Kanal 161. Mit ΦI2 und ΦP2 werden die Messungen der zeitlichen Positionen oder "Phasen" der Signale I2 bzw. P2 bezeichnet.
Zum Senden erarbeitet ein Signalgenerator 121 ein Signal I0 der Phase ΦI0, das das Muster einer Impulsfolge aus Rechteckimpulsen (Muster des Signals e2) aufweist, ausgehend von einer Frequenz F2, synchron mit dem Bord-Atomtaktgeber H2. In gleicher Weise liefert ein Signalgenerator 122 ein Signal PO der Frequenz Fp–F2 gleich der Zwischenfrequenz Fi, und mit der Phase ΦP0. So werden die Frequenzen und die Phasen der zwei Komponenten I0 (Kanal 172) und P0 (Kanal 173) des Signals e2 aus dem Bord-Taktgeber H2 entnommen.
Die zwei Eingänge eines Antikoinzidenz-Filters 14 empfangen die wiederhergestellte Impulsfolge I2 (stammend vom empfangenen e1) bzw. die lokale Impulsfolge I0 (Muster e2, stammend vom Bord-Taktgeber), die getrennt an zwei Ausgängen austreten, im Prinzip unverändert. Wenn jedoch zwei Impulse von I0 bzw. I2 einander überlappen, unterdrückt das Filter 14 den Impuls, der bezüglich des anderen verzögert ist. Die zwei Impulsfolgen I2 und I0 werden anschließend an Integratorfilter 141 bzw. 142 angelegt, um Impulse mit einem Gauß'schen Wellenprofil zu formen. Die verarbeitete Impulsfolge I2 wird in 151 von dem wiederhergestellten Signal P2 moduliert, und die verarbeitete Impulsfolge I0 wird in 152 von dem Signal P0 der Frequenz Fp–F2 moduliert, das aus dem Bord-Taktgeber H2 entnommen wird.
Die Funktionen des Modulators 822 der 3A werden von den Elementen 141, 151 und dem Kanal I2 des Elements 14 gewährleistet. Die Funktionen des Modulators 821 der 3A werden von den Elementen 142, 152 und dem Kanal I0 des Elements 14 gewährleistet. Man kann annehmen, dass die Elemente 121 und 122 Teil des Modulators 821 oder allgemeiner des Generators G2 der 3A sind.
In diesem Stadium ist das Signal am Ausgang des Modulators 151 für das Signal r1 repräsentativ, aber mit einer Trägerfrequenz äquivalent zu Fp–F2. In gleicher Weise ist das Signal am Ausgang des Modulators 152 repräsentativ für das Signal e2, aber mit einer Trägerfrequenz äquivalent zu Fp–F2, entnommen aus dem Bord-Taktgeber.
Die Verbindung 827 erstellt anschließend die Summe der zwei Signale am Ausgang der Modulatoren 151 und 152. Nach Durchquerung des Unterbrechers 209 wird diese Summe in 207 verstärkt und dann in 206 mit dem anderen Ausgang des Schalters SW2 gemischt, als lokaler Oszillator der Frequenz F2. Der Ausgang der Mischstufe 206 wird auf die Trägerfrequenz-Komponente Fp von einem Bandpassfilter 205 beschränkt, dann in 204 verstärkt. Nach Durchquerung des Unterbrechers 203 und des Verstärkers 201 kommt das Signal an den Sendeeingang des Duplexers oder Zirkulators 102.
Der Hauptschalter SW2 wird von einer Sende-/Empfangs-Ablaufsteuerung 10 gesteuert, wie weiter oben erwähnt, in Abhängigkeit von der Frequenz des Bord-Taktgebers F2. Vorzugsweise sieht man außerdem Unterbrecher 103, 203, 109 und 209 vor. Wenn die zwei Unterbrecher 103 und 109 geschlossen (offen) sind, sind die Unterbrecher 203 und 209 offen (geschlossen) und der Schalter SW2 ist mit dem Empfangskanal R (Sendekanal E) verbunden. Die Ablaufsteuerung 10 weist zum Beispiel den Rauschgenerator 50, das Filter 51 und die Kippstufe 52 der 4 auf.
Der Fachmann versteht, dass die Verstärker 100 und 200 des Prinzipschaltbilds der 3A den Verstärkungsfolgen 104 und 108 einerseits bzw. 207, 204 und 201 andererseits entsprechen.
Allgemein ist der Signalgenerator der Orbitalstation fähig:

– selbst ein gesendetes Signal e2 zu erzeugen, dessen Zeitmarkierer auf den lokalen Atomtaktgeber H2 eingestellt ist, und
– mit der empfangsseitigen Verarbeitungsschaltung zusammenzuwirken, um ein zurückzuschickendes Signal r1 zu erzeugen, dessen Zeitmarkierer auf das empfangene Signal e1 eingestellt ist.

Das Wort "eingestellt" versteht sich unter Vorbehalt der Verzögerungen in den Verarbeitungsschaltungen, die bestimmbar sind.
Die Satellitenstation der 5A arbeitet mit der am Boden vorgesehenen Ausrüstung der 5B. Nach der Antenne A1 und ihrem Filter 101 findet man wie in 5A einen Empfangskanal R und einen Sendekanal E. Die gleichen Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben.
Die Unterschiede sind:

– einerseits, dass die verarbeiteten Signale e1 sendeseitig und r1 und e2 empfangsseitig sind, und
– andererseits, dass die Ablaufsteuerung 10 und der lokale Oszillator 11 bezüglich des Atomtaktgebers am Boden H1 definiert sind.

Im Block 811 liefert der Signalgenerator 111 ein Signal I1 repräsentativ für die Gauß'sche Impulsfolge gemäß dem Muster am Boden und abhängig von der Frequenz F1 des Taktgebers am Boden, und der Signalgenerator 112 liefert ein Signal P1 der Frequenz Fp–F1, das aus dem Taktgeber am Boden entnommen wird. Die Funktionen des Modulators 811 der 3A werden von den Elementen 111, 112, 142 und 152 der 5B gewährleistet. Man kann annehmen, dass die Elemente 111 und 112 Teil des Modulators 811 oder allgemeiner des Generators G1 der 3A sind. Ein ausführlicheres Beispiel der Struktur des Modulators 811 ist in 4 dargestellt.
Nach Verarbeitung durch das Bandpassfilter 142 moduliert das Signal I1 das Signal 21 in 152; das Ergebnis wird an den Eingangsunterbrecher 209 des Sendekanals E geschickt. Das resultierende Signal ist repräsentativ für das zu sendende Signal e1, aber mit einer Trägerfrequenz äquivalent zu Fp–F1, vor der Mischung in 206.
Seinerseits teilt sich der Empfangskanal R der Ausrüstung am Boden nach dem Ausgangsunterbrecher 109 in zwei Demodulationskanäle 813 und 814 (siehe auch 3A), die Demodulatoren 300 bzw. 400 mit gleichen Strukturen aufweisen (6). Der Demodulator 300 abreitet aber auf der Basis des Musters der Impulsfolge, die die Bodenstation sendet, während der Demodulator 400 auf der Basis des Musters der Impulsfolge arbeitet, die die Orbitalstation sendet.
Am Ausgang des Demodulators 400 liefern die zwei Kanäle ΦI3 und ΦP3 die wiederhergestellten Phasen des Musters des Signals e2 bzw. des Signals der Zwischenfrequenz Fp–F1. Am Ausgang des Demodulators 300 liefern die zwei Kanäle ΦI4 und ΦP4 die wiederhergestellten Phasen des Musters des Signals r1 bzw. des Signals der Zwischenfrequenz Fp–F1.
Am Ausgang der Signalgeneratoren 111 und 112 werden die Phasen ΦI1 bzw. ΦP1 des Musters des Signals e1 und des Signals der Zwischenfrequenz Fp–F1 (entnommen aus dem Taktgeber am Boden) von ΦI4 und ΦP4 in 404 und 405 subtrahiert. Diese zwei Phasendifferenzen hängen von der "Hin- und Rück"-Streckenzeit des gesendeten Signals e1 ab. Am Ausgang der Divisor-Operatoren 407 und 408 werden die Phasendifferenzen zu einer Funktion einer Streckenzeit "Hin". Außerdem führen die Subtrahierer-Operatoren 402 und 401 in gleicher Weise die Phasendifferenzen zwischen ΦI3 und ΦI1 einerseits und ΦP3 und ΦP1 andererseits durch. Diese Phasendifferenzen berücksichtigen in gleicher Weise eine Streckenzeit "Hin" und eine mögliche Verschiebung zwischen den zwei Taktgebern an Bord und am Boden. So sind die Phasendifferenzen ΦI0–ΦI1 und ΦP0–ΦP1 am Ausgang der Operatoren 403 und 406 nur noch eine Funktion einer Verschiebung zwischen den Taktgebern.
Da hier das Muster jedes Signals in Phase und Frequenz mit seinem Träger verbunden ist, führt die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung (Demodulatoren 300 und 400) vorteilhafterweise eine Verfeinerung der Verfolgung des Musters durch Korrelation und eine Phasenverfolgung auf dem erfasstem Träger durch, die vorher durch Spektralanalyse erfasst wird, wie man nachfolgend sehen wird.
Nun wird auf 6 Bezug genommen, um die detaillierte Struktur eines der Demodulatoren 300, 400 und 824 zu beschreiben. Es wird das Beispiel des Demodulators 300 genommen.
Global empfängt dieser Demodulator als Eingangssignal 323 ein Signal mit der Zwischenfrequenz IF. Als Ausgänge hat er:

– einerseits zwei Signalausgänge I (Code) und P (Träger),
– andererseits zwei Messausgänge der zeitlichen Position oder "Phase" ΦI (Code) und ΦP (Träger).

Das Signal am Eingang 323 des Demodulators hat die Zwischenfrequenz Pp–F und weist eine Gauß'sche Muster-Impulsfolge mit der Bezeichnung "Code" auf. Es wird an eine Mischstufe 302 (synchroner Demodulator) angelegt, die außerdem das Ausgangssignal eines lokalen Oszillators (Synthetisierer) 301 empfängt, der auf den lokalen Taktgeber eingestellt ist. Das Ausgangssignal der Mischstufe 302 ist nach Tiefpassfilterung in 303 ein komplexes Signal (Doppelstrich) praktisch im Basisband.
Die Initialisierung oder Erfassung erfolgt mit Hilfe eines ersten Trägerkanals 325, wo das Signal im Basisband gemittelt wird (308, 309), und dann von dem Analog/Digital-Wandler 310 in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das gemittelte Signal wird in 312 mit einem Signal gemischt, das der Oszillator mit digitaler Steuerung 320 liefert. Nach der Mischung 312 wird eine Tiefpassfilterung in 314 und dann eine Spektralanalyse in 353 vorgesehen.
Man hat gesehen, dass der Spektralanalysierer 353 es ermöglicht, die Trägerfrequenz des empfangenen Signals zu berücksichtigen, einschließlich Doppler-Effekt (Fp ± 2Δν). Die Anmelderin hat nämlich beobachtet, dass dieser Doppler-Effekt eine für die Anwendung spezifische Komponente aufweist aufgrund der Bewegung des Satelliten 2. Für eine HF-Trägerfrequenz von etwa 13,5 GHz ergibt sich daraus eine relative Frequenzabweichung, die hier in der Größenordnung von 2.10^–4 liegt. Auch dies wird erfindungsgemäß korrigiert.
Die Spektralanalyse erlaubt also eine Vorpositionierung des Trägerachleifenfilters 354 auf dem Träger (verschoben gemäß den Frequenzänderungen), und unter Berücksichtigung des gesamten Doppler-Effekts. Dieses Schleifenfilter steuert digital einen Oszillator mit digitaler Steuerung 320, dessen Ausgangssignal zur bereits erwähnten Mischstufe 312, zu anderen Mischstufen 311 und 318, sowie zu einem Digital/Analog-Wandler 321 geht.
Nach der Vorpositionierung des Trägerschleifenfilters 354 erhält man am Ausgang der Mischstufe 312 und ihres Filters 314 eine komplexe Trägerphasenfehlergröße, die in der dargestellten Stellung des Schalters 357 auf das Organ 356 einwirkt, um die Fehlergröße an das Schleifenfilter 354 anzulegen, wodurch die Schleife geschlossen wird, und das folglich die digitale Steuerung des Oszillators 320 korrigiert. Das Organ 356 erarbeitet den Phasenfehler in Form des Verhältnisses des realen Teils zum imaginären Teil der komplexen Trägerphasenfehlergröße.
Da die Trägerschleife geschlossen ist, wird die Darstellung des Trägers am Ausgang des Wandlers 321 wieder analog. Nach der Mischung in 322 mit dem lokalen Signal von 301 erhält man das Trägersignal P. Der Oszillator 320 liefert auch die digitale Trägerphasenmessung ΦP.
Außerdem steuert ein Code-Schleifenfilter 351 digital einen Code-Oszillator 304 mit digitaler Steuerung, von dem zwei Ausgänge das Codesignal I und die digitale Codephasenmessung ΦI liefern.
Aber dieser Oszillator 304 steuert auch einen Abtaster-Blockierer 305, der am Kopf des zweiten Trägerkanals (beginnend in 324) angeordnet ist, der ein Tiefpassfilter 306, einen Analog/Digital-Wandler 307, die erwähnte Mischstufe 311 mit dem Ausgang von 320, und sein Filter 313 aufweist.
In bekannter Weise wirkt eine Stufe 352 durch Versuche der Vorpositionierung des Filters 351, um einen Beginn der Korrelation zwischen dem lokalen Code und dem empfangenen Code zu suchen. Sobald die Korrelation beginnt, erfolgt die Trägerabtastung 305 synchron mit den Gauß'schen Impulsen. Daher das Vorhandensein eines signifikanten Signals am Ausgang des Filters 313, was die Einheit 357 über diesen Synchronismusbeginn informiert.
Ab diesem Moment kann der Codekanal, der in 326 beginnt, arbeiten. Außerdem, sobald der Synchronismuscode ausreichend ist, lässt das Filter 351 den Schalter 357 kippen, so dass die Fehlergröße des Trägerschleifenfilters 354 nun vom zweiten Trägerkanal geliefert wird, dessen Signal/Rauschverhältnis besser ist.
Der Codekanal weist eine Mischstufe 315 mit dem Ausgang des Codeoszillators 304 mit digitaler Steuerung, sein Filter 316, einen Analog/Digital-Wandler 317, die erwähnte Mischstufe 318 mit dem Ausgang von 320, sein Filter 319, und schließlich das Organ 355 auf, das wie das Organ 356 einen Codephasenfehler in Form des Verhältnisses des realen Teils zum imaginären Teil der komplexen Codephasenfehlergröße erarbeitet, und es übernimmt, das Schleifenfilter 351 zu steuern.
Die Elemente 351 bis 357 sind vorzugsweise in einen Modul 350 eingebaut, der zum Beispiel vom Typ digitaler Signalprozessor in kontrollierter Zeit ("DSP" für "Digital Signal Processor") ist.
Die Zeitkonstanten der Schleifen des Demodulators sind hier in der Größenordnung von etwa zehn Millisekunden. Vorteilhafterweise ist die mittlere Frequenz der Startzeitpunkte der Sendezeitfenster von 10 kHz im beschriebenen Beispiel ausreichend, um es den Schleifen zu ermöglichen, in mehreren Empfangszeitfenstern zu arbeiten.
Außerdem kann die Verarbeitungszeit für die Formung des zurück zu schickenden Signals r1 von der Bodenstation berechnet und berücksichtigt werden. Die Schätzungen von ΦI4–ΦI1 und ΦP4–ΦP1 (5B) berücksichtigen diese Verarbeitungszeit, als ob das Signal r1 einem reflektierten Signal e1 ohne Zeitverschiebung entsprechen würde.
In diesem Betriebsmodus der Einheit aus Orbitalstation/Bodenstation erfolgen die Signalaustauschvorgänge durch Senden/Empfangen von drei Signalen der gleichen Frequenz, und es ist nur möglich, die Bordzeit (Taktgeber H2) am Boden abzuleiten.
Nun wird auf 3B Bezug genommen, um eine Einheit aus Orbitalstation/Bodenstation zu beschreiben, die es ermöglicht, gleichzeitig die Bordzeit (Taktgeber H2) am Boden und die Bodenzeit (Taktgeber H1) an Bord zu erhalten. Die zwei Vorrichtungen, an Bord und am Boden, sind eingerichtet, um im Wesentlichen symmetrisch zu operieren. Jede Station weist eine Antenne A auf, die mit einem Schalter SW mit drei Positionen verbunden ist. Ihre empfangsseitige Verarbeitungsschaltung C ist äquivalent der Schaltung C1 der Bodenstation, die in 3A dargestellt ist, während ihr Signalgenerator G dem Signalgenerator G2 der Station in Umlaufbahn äquivalent ist, der in 3A dargestellt ist. Ihre Struktur wird also nicht im Einzelnen beschrieben. Die zwei Stationen tauschen vier Signale e1, r1 und e2, die den drei vorher ausgetauschten Signalen entsprechen, sowie ein viertes Signal r2 aus, das dem Signal e2 entspricht, das die Bodenstation zur Orbitalstation zurückschickt. Der Vergleich der Signale e1, r1 und e1, e2 (Codephasen und Träger) ermöglicht es, auf die Bordzeit zuzugreifen, und der Vergleich der Signale e2, r2 und e2, e1 ermöglicht es, auf die Bodenzeit zuzugreifen.
Im in 3B dargestellten Beispiel sind die Bodenstation und die Satellitenstation ähnlich, aber nicht gleich. Allgemeiner ist die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung am Boden eingerichtet, um selektiv durch Korrelation und Verfolgung das mit dem Zeitmarkierer des empfangenen Signals verbundene Muster und das mit dem Zeitmarkierer eines zweiten zu empfangenden Signals verbundene Muster zu unterscheiden. In der angestrebten Anwendung entspricht das zweite zu empfangende Signal dem von der Vorrichtung gesendeten und von der Quelle des empfangenen Signals zurückgeschickten Signal. Dies ermöglicht es, die zeitliche Abweichung zwischen den zwei Zeitmarkierern zu erhalten, indem im Wesentlichen die augenblicklichen Ausbreitungs-Zeitverschiebungen kompensiert werden.
Anstatt das empfangene Signal durch Neusendung zurückzuschicken, könnte man bei manchen Anwendungen, bei denen der Signalverlust durch Reflektion erträglich ist, durch Reflektion vorgehen.
Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorher als Beispiel beschriebene Ausführungsform beschränkt. Sie erstreckt sich auf andere Varianten.
So ist klar, dass im Rahmen einer Verbindung Boden/Umlaufbahn durch Austausch von drei Signalen gewünscht sein kann, die Bodenzeit (Taktgeber H1) an Bord zu messen. In einem anderen Betriebsmodus sendet die Orbitalstation dann ein Signal e1, zurückgeschickt (r1) von der Bodenstation, die selbst ein eigenes Signal e2 sendet. In diesem Fall weist die Vorrichtung am Boden (in der Umlaufbahn) gleiche Merkmale wie die Vorrichtung in der Umlaufbahn (am Boden) auf, die oben beschrieben wurde.
Im beschriebenen Beispiel erfolgen die Signalaustauschvorgänge zwischen einer Orbitalstation und einer Bodenstation. In einer Variante können diese Signalaustauschvorgänge zwischen zwei Stationen am Boden oder zwischen zwei Orbitalstationen stattfinden, wobei die Einheit ggf. eine Relaisstation in der Umlaufbahn oder am Boden aufweist.
Es kann außerdem ein Austausch von Signalen zwischen mehreren Stationen in der Umlaufbahn oder am Boden vorgesehen werden. Wenn die Anzahl von in Verbindung stehenden Stationen n ist, wird die Anzahl von ausgetauschten Signalen zu 2n + 1, und die Anzahl von vorzusehenden Mustern oder Codes ist n + 1.
Allgemeiner hat die vorliegende Erfindung ebenso eine Vorrichtung des oben beschriebenen Typs, an Bord oder am Boden, und für den Austausch von drei Signalen oder mehr der gleichen Trägerfrequenz zum Ziel.
Die Werte von Trägerfrequenzen, von Code-Frequenzen, von Bandbreiten, der Abtastperioden der Impulse, usw., werden hier als Beispiel angegeben; sie können in einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung verändert werden. Außerdem können mehrere Durchgänge durch aufeinanderfolgende Zwischenfrequenzen (Fp–F) bei den sendeseitigen und empfangsseitigen Verarbeitungen vorgesehen werden, wenn die angestrebte Anwendung es erfordert.
Im beschriebenen Beispiel wird der Träger der erzeugten Signale von Wellen von im Wesentlichen Gauß'scher Form amplitudenmoduliert. Diese Modulation ist vorteilhaft bezüglich des spektralen Raumbedarfs. Sie wird hier aber nur als Beispiel beschrieben.
Außerdem wird die pseudozufällige Verteilung der Startzeitpunkte der Gauß'schen Impulse auch als Beispiel beschrieben. In einer Variante können noch andere Codierungen, zum Beispiel in einer pseudozufälligen Amplitudenmodulation, auch in Betracht gezogen werden. Die Amplitude des Trägers kann so von einer Bitfolge vorbestimmter Länge moduliert werden, wobei der Wert jedes Bits zufällig zwischen 0 und 1 genommen wird. Vorzugsweise muss die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Bits des Codes auf 1 unter 50% gewählt werden, insbesondere um die Überlappungen von zwei Impulsen sendeseitig zu begrenzen. Allgemeiner können andere Codetypen, die einem Rauschen gleichgesetzt werden können, vorgesehen werden. Es ist aber notwendig, dass dieses Rauschen empfangsseitig bekannt, also von einer Mitteilung endlicher Länge definierbar ist.
Im beschriebenen Beispiel wird versucht, eine zeitliche Verschiebung zwischen Atomtaktgebern mit gekühlten Atomen zu messen. Allgemeiner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet werden, um präzise das Datum eines beliebigen zeitlichen Ereignisses zu bestimmen, das von einem periodischen Signal dargestellt werden kann.
Die in den 4, 5A, 5B und 6 dargestellten Schaltungen dienen hier nur als Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Außerdem gestatten die 3A und 3B, obwohl allgemeiner, auch Varianten.
Es sind aber viele beschriebene Aspekte als solche für die ihnen eigenen Vorteile interessant, und dies unabhängig von den anderen Merkmalen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung kann sich auch in Form eines Verfahrens für den Austausch von Funksignalen äußern, die von einem Träger definiert werden, der mit einem Zeitmarkierer versehen ist. Man kann annehmen, dass der erste Schritt dieses Verfahrens darin besteht, Sende-/Empfangsmittel des erwähnten Typs vorzusehen. Erfindungsgemäß sind diese Sende-/Empfangsmittel fähig, sendeseitig und empfangsseitig auf der gleichen Trägerfrequenz zu arbeiten, und das Verfahren weist außerdem einen Schritt auf, der darin besteht, Zeitabschnitte des erwähnten Typs zu definieren. Das Senden ist dann nur während dieser Zeitabschnitte erlaubt, während der Empfang nur außerhalb der Abschnitte erlaubt ist.
In der soeben beschriebenen bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Start- und Endzeitpunkte des Sendens zufällig gewählt. Die Ablaufsteuerungsmittel sind aber eingerichtet, um eine mittlere Wiederholungsfrequenz der Sende- Startzeitpunkte zu definieren.
Die Ablaufsteuerungsmittel können aber in einer Variante ausgehend von einem Zerteilen der Zeit in aufeinanderfolgende Zeitintervalle mit Dauern arbeiten, die immer größer sind als die Dauer der Sendeabschnitte. In jedem dieser Zeitintervalle kann man die zufällige Position eines Zeitabschnitts definieren. Vorzugsweise ist die Dauer der Zeitintervalle vorbestimmt, während die Dauer der Sende-Zeitabschnitte zufällig ist. In diesem Fall haben die Sende-Zeitabschnitte erneut einen Zufallstakt, der um einen mittleren Takt zentriert ist, der dann vom Abstand der erwähnten Intervalle definiert wird.
In einer anderen Variante können Sende-Zeitabschnitte vorbestimmter Dauern vorgesehen sein, zum Beispiel mit gleichen Dauern von einem Sendevorgang zum anderen, unter Beibehaltung der Sende-Startzeitpunkte, die zufällig in Intervallen des erwähnten Typs gewählt werden.
Die Zufallswahl der Startzeitpunkte und Endzeitpunkte des Sendens gemäß der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ermöglicht aber vorteilhafterweise, die Amplitude von Überlagerungsstreifen zu dämpfen, die mit der mittleren Wiederholungsfrequenz der Sendevorgänge verbunden ist (von 10 kHz im beschriebenen Beispiel).

Claims

Vorrichtung für den Austausch von mit Zeitmarkierern versehenen Funksignalen, die Funk-Sende-/Empfangsmittel (A) aufweist, mit der einerseits ein Generator (G1) eines zu sendenden Signals(e), das eine Trägerfrequenz und einen repetitiven Zeitmarkierer aufweist, und andererseits eine empfangsseitige Verarbeitungsschaltung (C1) gekoppelt sind, die ein empfangenes Signal verarbeiten kann, das ebenfalls eine Trägerfrequenz und einen repetitiven Zeitmarkierer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funk-Sende-/Empfangsmittel ausgelegt sind, um im Wesentlichen auf der gleichen Trägerfrequenz im Sende- und Empfangsbetrieb zu arbeiten, und dass die Vorrichtung Ablaufsteuerungsmittel (10) aufweist, die in der Lage sind, getrennte Zeitabschnitte von aufeinanderfolgenden, im Wesentlichen zufälligen Positionen zu definieren und mit den Sende-/Empfangsmitteln (SW, A) zusammenzuarbeiten, um das Senden nur während dieser Zeitabschnitte zu erlauben, während der Empfang nur außerhalb der Abschnitte erlaubt ist, was es ermöglicht, die Zeitmarkierer ohne wiederholte Verdeckungswirkung des Empfangs durch das Senden auszuwerten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabschnitte einen Zufallstakt aufweisen, der um einen mittleren Takt zentriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufsteuerungsmittel (50, 51, 52) in der Lage sind, Zeitabschnitte für das Senden und den Empfang von im Wesentlichen gleichwertigen mittleren Dauern zu definieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufsteuerungsmittel (10) ausgelegt sind, um wiederholt jeden Zeitabschnitt und seine zufällige Position in einem Zeitintervall zu definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauern des Zeitintervalls vorbestimmt sind, während die Dauern der Zeitabschnitte zufällig, aber kürzer als das Zeitintervall sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Abschnitts im Mittel gleich der Hälfte derjenigen des Intervalls ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitmarkierer des empfangenen Signals (e2) mit einem Muster verbunden ist, das durch Korrelation unterschieden werden kann (CODE).
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitmarkierer des zu sendenden Signals (e1) mit einem anderen Muster verbunden ist, das durch Korrelation unterschieden werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung (C1) ausgelegt ist, um selektiv durch Korrelation und Verfolgung das mit dem Zeitmarkierer des empfangenen Signals (e2) verbundene Muster und das mit dem Zeitmarkierer eines zweiten zu empfangenden Signals (r1) verbundene Muster zu unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 9 in Kombination mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite zu empfangende Signal (r1) dem von der Vorrichtung gesendeten und von der Quelle des empfangenen Signals (e2) zurückgeschickten Signal (e1) entspricht, was es ermöglicht, im Wesentlichen den zeitlichen Abstand zwischen den zwei Zeitmarkierern zu erhalten, indem die augenblicklichen Ausbreitungszeitverzögerungen kompensiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitmarkierer jedes Signals in Frequenz und Phase mit der Trägerfrequenz (Fp) dieses Signals verbunden ist, und dass die empfangsseitige Verarbeitungsschaltung (300) eine Musterverfolgung durch Korrelation (351, 352, 355) und eine Phasenverfolgung auf der Trägerfrequenz (354, 356) mit einer vorhergehenden Spektralanalyse (353) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ebenfalls ausgelegt ist, um das empfangene Signal (e1) zurückzuschicken.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster des zurückgeschickten Signals (r1) im Wesentlichen gleich dem Muster des empfangenen Signals (e1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (G2) ausgelegt ist, um mit der empfangsseitigen Verarbeitungsschaltung (C2) zusammenzuwirken, um ein zurückzuschickendes Signal (r1) gleich dem empfangenen Signal (e1) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmarkierer des zurückgeschickten Signals (r1) und des zu sendenden Signals (e2) mit unterschiedlichen Mustern verbunden sind, die durch Korrelation unterscheidbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz jedes erzeugten Signals (e1, e2) gemäß einer gewählten Impulsform moduliert wird, deren Wiederholung in Abhängigkeit von einem durch Korrelation unterscheidbaren Muster definiert wird, das diesem Signal zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (Fp) gemäß einer im Wesentlichen Gauß'schen Impulsform moduliert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse im Wesentlichen die gleiche gewählte Dauer (Time) und im Wesentlichen zufällige zeitliche Positionen haben.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Positionen von zwei aufeinander folgenden Impulsen durch eine unter einem Schwellwert liegende Dauer getrennt sind, und dass sie im Durchschnitt durch eine Dauer im Wesentlichen gleich der Hälfte dieses Schwellwerts getrennt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (Fp) im Gigahertz-Bereich liegt.