Zeit- und Frequenzübertragung - Time and frequency transfer

Zeit- und Frequenzübertragung ist ein Schema, bei dem mehrere Standorte eine genaue Referenzzeit oder -frequenz teilen. Die Technik wird häufig zum Erstellen und Verteilen von Standardzeitskalen wie der Internationalen Atomzeit (TAI) verwendet. Zeitübertragung löst Probleme wie astronomische Observatorien, die beobachtete Blitze oder andere Phänomene miteinander korrelieren, sowie Mobilfunkmasten, die Übergaben koordinieren, wenn sich ein Telefon von einer Zelle zur anderen bewegt .

Mehrere Techniken wurden entwickelt, oft Referenztakt übertragen Synchronisation von einem Punkt zum anderen, oft über lange Distanzen. Eine Genauigkeit, die sich weltweit einer Nanosekunde nähert, ist für viele Anwendungen wirtschaftlich sinnvoll. Als Zeitübertragungssysteme werden häufig funkbasierte Navigationssysteme eingesetzt.

Teilweise werden mehrere Messungen über einen Zeitraum durchgeführt und die genaue Zeitsynchronisation nachträglich bestimmt. Insbesondere wurde die Zeitsynchronisation durch die Verwendung von Paaren von Radioteleskopen zum Abhören eines Pulsars erreicht , wobei die Zeitübertragung durch Vergleichen von Zeitverschiebungen des empfangenen Pulsarsignals erreicht wurde.

Beispiele

Beispiele für Zeit- und Frequenzübertragungstechniken sind:

Einweg

In einem Einweg-Zeitübertragungssystem überträgt ein Ende seine aktuelle Zeit über einen Kommunikationskanal an einen oder mehrere Empfänger. Die Empfänger decodieren beim Empfang die Nachricht und melden entweder nur die Zeit oder stellen eine lokale Uhr ein, die Zwischenberichte über die Überbrückungszeit zwischen dem Empfang von Nachrichten liefern kann. Der Vorteil von Einwegsystemen besteht darin, dass sie technisch einfach sein können und viele Empfänger bedienen, da der Sender die Empfänger nicht kennt.

Der Hauptnachteil des Einweg-Zeitübertragungssystems besteht darin, dass Ausbreitungsverzögerungen des Kommunikationskanals außer in einigen fortgeschrittenen Systemen unkompensiert bleiben. Beispiele für ein einseitiges Zeitübertragungssystem sind die Uhr an einer Kirche oder einem Stadtgebäude und das Läuten ihrer Zeitanzeigeglocken; Zeitkugeln , Funkuhr Signale wie LORAN , DCF77 und MSF ; und schließlich das Global Positioning System , das mehrere unidirektionale Zeitübertragungen von verschiedenen Satelliten verwendet, mit Positionsinformationen und anderen fortschrittlichen Mitteln zur Verzögerungskompensation, um eine Kompensation von Zeit- und Positionsinformationen durch den Empfänger in Echtzeit zu ermöglichen.

Zweiwege

In einem Zweiwege-Zeitübertragungssystem werden die beiden Peers sowohl die Nachrichten des anderen senden als auch empfangen, wodurch zwei Einweg-Zeitübertragungen durchgeführt werden, um die Differenz zwischen der entfernten Uhr und der lokalen Uhr zu bestimmen. Die Summe dieser Zeitunterschiede ist die Umlaufverzögerung zwischen den beiden Knoten. Es wird oft angenommen, dass diese Verzögerung gleichmäßig auf die Richtungen zwischen den Peers verteilt ist. Unter dieser Annahme ist die halbe Umlaufverzögerung die zu kompensierende Ausbreitungsverzögerung. Ein Nachteil besteht darin, dass die Zweiwege-Ausbreitungsverzögerung gemessen und verwendet werden muss, um eine Verzögerungskorrektur zu berechnen. Diese Funktion kann in der Referenzquelle implementiert werden, wobei in diesem Fall die Quellenkapazität die Anzahl der Clients begrenzt, die bedient werden können, oder durch Software in jedem Client. Das NIST stellt Computerbenutzern im Internet einen Zeitreferenzdienst zur Verfügung, der auf Java-Applets basiert, die von jedem Client geladen werden. Das Zwei-Wege-Satelliten-Zeit- und Frequenzübertragungssystem (TWSTFT), das im Vergleich zwischen einigen Zeitlabors verwendet wird, verwendet einen Satelliten für eine gemeinsame Verbindung zwischen den Labors. Das Network Time Protocol verwendet paketbasierte Nachrichten über ein IP-Netzwerk.

Gemeinsame Ansicht

Die Zeitdifferenz zwischen zwei Takten kann bestimmt werden, indem jeder Takt gleichzeitig mit einem gemeinsamen Referenzsignal verglichen wird, das an beiden Standorten empfangen werden kann. Solange beide Endstationen gleichzeitig das gleiche Satellitensignal empfangen, spielt die Genauigkeit der Signalquelle keine Rolle. Die Art des empfangenen Signals ist nicht wichtig, obwohl weit verbreitete Zeitmess- und Navigationssysteme wie GPS oder LORAN praktisch sind.

Die so übertragene Genauigkeit der Zeit beträgt typischerweise 1–10 ns.

Zeitstandard

Seit dem Aufkommen von GPS ist eine hochpräzise und dennoch erschwingliche Zeitmessung von vielen kommerziellen GPS-Empfängern erhältlich . Sein anfängliches Systemdesign erwartete eine allgemeine Timing-Präzision von besser als 340 Nanosekunden im Low-Grade-"Grobmodus" und 200 ns im Präzisionsmodus. Ein GPS-Empfänger funktioniert durch genaues Messen der Laufzeit von Signalen, die von mehreren Satelliten empfangen werden. Diese geometrisch kombinierten Entfernungen mit präzisen Bahninformationen identifizieren den Standort des Empfängers. Präzises Timing ist für eine genaue GPS-Position von grundlegender Bedeutung. Die Zeit einer Atomuhr an Bord jedes Satelliten wird in das Funksignal kodiert; der Empfänger bestimmt, wie viel später er das Signal empfangen hat, als es gesendet wurde. Dazu wird eine lokale Uhr auf die GPS-Atomuhrzeit korrigiert, indem auf der Grundlage von vier oder mehr Satellitensignalen nach drei Dimensionen und Zeit aufgelöst wird. Verbesserungen der Algorithmen führen dazu, dass viele moderne kostengünstige GPS-Empfänger eine Genauigkeit von mehr als 10 Metern erreichen, was eine Timing-Genauigkeit von etwa 30 ns impliziert. GPS-basierte Laborzeitreferenzen erreichen routinemäßig eine Genauigkeit von 10 ns.

Siehe auch

Verweise