1.3.1 Zeiteinheiten Zeiteinheiten Zeit (H. de Boer)

Transkript

1 1.3.1 Zeiteinheiten 43 Pollack, C.R.; Jennings, D. A.; Peterson, ER.; Wells, J. S.; Drullinger,R. E.; Beaty,E.C.; Evenson, K.M. (1983): Direct frequency measurement of transitions at 520 THz (576 nm) in iodine, and 260 THz (1.15 tim) in neon. Opt. Lett. 8, PTB-Priifregeln, 1, 1-61, Braunschweig Queneile, R.C.; Wuerz, L.J. (1983): A new microcomputer-controlled laser dimensional measurement and analysis system. Hewlett-Packard Journal 34, 3-13 Rohrbach, C. (1967): Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen. Düsseldorf: VDI-Verlag Rowley, W. R. C. (1979): Laser wavelength measurements. Rad. Science 14, Spies, A. (1990): Längen in der Ultrapräzisionstechnik messen. Feinwerktechnik und Meßtechnik 98, Spieweck, F. (1980): Frequency stabilization of Ar' lasers at 582 THz using expanded beams in external '"Jj cells. IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-29, VDI-Richtl Bl (1980, 1981, 1985, 1988, 1992): Messen von Gasen, Prüfgase (Herstellung) VDI/VDE Gesellschaft Meß- und Regelungstechnik (1985): Vorträge zum Aussprachetag Laserinterferometrie in der Längenmeßtechnik. GMR-Bericht 6 VDI/VDE 2613 (1982): Teilungsprüfung an Verzahnungen Warnecke, H.-J.; Dutschke, W. (1984): Fertigungsmeßtechnik, München: Springer Weiss, C. O.; Kramer, G.; Lipphardt, B.; Garcia, E. (1988): Frequency measurement of a CH4 hypcrfine line at 88 THz/"OpticaI clock". IEEE J. Quant. Electr.24, Zeit (H. de Boer) Zeiteinheiten Man hat begrifflich zu unterscheiden zwischen der Zeiteinheit Sl-Sekunde", die von der Generalkonferenz für Maße und Gewichte festgelegt wird, und dem Skalenmaß Sekunde", das unterschiedlichen Zeitskalen (s ) als Skalenmaß zugrundegelegt ist und das in der Länge nicht unbedingt mit der Länge der gültigen Sl-Sekunde übereinstimmen muß Atomare Sekundendefinition (Sl-Sekunde) Die 1967 von der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (Resolution 1) festgelegte Definition der Sl-Sekunde (s ) beruht auf atomarer Grundlage. Sie wird definitionsgemäß mit Hilfe von Cäsiumstrahl-Zeit- und Frequenznormalen dargestellt (s ). Mit hochgenauen CS-Normalen (sog. primäre Normale), die unter besonderen Umweltbedingungen meist in Staatsinstituten mit dem Auftrag der Darstellung der Einheiten betrieben werden, können weniger genaue Normale (Cs-Normale oder auch andere Normale) kalibriert werden Astronomische Sekundendefinitionen Weltzeitsekunde Bis 1956 wurde die Sekunde auf der Grundlage der Erdrotation definiert: Die Sekunde war der 86400te Teil des mittleren Sonnentages. Erste Messungen mit Quarzuhren ergaben schon 1936, daß die Erdrotation jahreszeitliche Schwankungen aufweist. Daneben beobachtet man unregelmäßige nicht vorhersehbare Schwankungen und eine Abbremsung der Erdrotation. Die Weltzeitsekunde war mit einer relativen Unsicherheit im Bereich von 10 * bestimmbar. Scheibe u. Adelsberger (1936)., Enslin (1965), Becker (1966) u. (1975), Kovalevsky (1965)

2 Zeit Ephemeridensekunde In den Jahren von 1956 bis 1967 war die Sl-Sekunde auf der Grundlage des Erdumlaufs um die Sonne definiert: Die Sekunde war der , 9747te Teil des tropischen Jahres für 1900, O.Januar, 12 Uhr Ephemeridenzeit. CIPM(1957), CGPM(1960) Diese Definition brachte durch die genaue Festlegung des zu teilenden Jahres eine scheinbare Verbesserung gegenüber der bis 1956 gültigen Definition der Weltzeitsekunde. Die Darstellung der Ephemeridensekunde konnte logischerweise nicht definitionsgemäß erfolgen: Sie wurde in der Praxis über die empirisch bekannte Umlaufdauer des Mondes um die Erde, bezogen auf den Umlauf der Erde um die Sonne bestimmt. Um eine relative Meßunsicherheit im Bereich um 10 'zu erreichen, sind mehrjährige Beobachtungsintervalle nötig Zeitskalen Zeitskalen dienen dazu, irgendwelchen Ereignissen Skalenwerte einer Zeitskala zuzuordnen (die Ereignisse zu datieren). Im einfachsten Fall bedient man sich der Hilfe von Uhren (s ), deren Anzeige eine Zeitskala verkörpert. Wenn es gilt, beispielsweise den zeitlichen Bezug von Ereignissen an verschiedenen Orten zu datieren, dann sind über die zu benutzenden Zeitskalen Absprachen notwendig. Es muß festgelegt werden: 1. das Skalenmaß 2. eine Vorschrift, wie Vielfache des Skalenmaßes gebildet werden 3. der Nullpunkt der Zeitskala 4. eine Zeitskala als gemeinsame Referenz-Skala und die Unsicherheit, mit der die Zeitskalen koordiniert sein sollen 5. der Name der benutzten Zeitskala. Vorzugsweise sollte man eine der folgenden eingeführten Zeitskalen benutzen. Becker (1971) u. (1980), Becker u. Hübner (1979), Yoshimura (1972), Kartaschoff (1978), German u. Draht (1979), Allan u. a. (1972), Azoubib (1977), Becker u. a. (1967) Die Skala der Weltzeit Die Weltzeit (UT, Universal Time) ist die mittlere Sonnenzeit des Nullmeridians (Greenwich Meridian). Durch Teilung des mittleren Sonnentages in 24 Stunden zu je 60 Minuten und diese zu je 60 Sekunden erhält man (Skalen-)Stunde, (Skalen-)Minute und (Skalen-)Sekunde der mittleren Sonnenzeit (Weltzeitsekunde). Vielfache des mittleren Sonnentages sind: - das Gemeinjahr = 365 mittlere Sonnentage - das Schaltjahr = 366 mittlere Sonnentage Die Zählung der mittleren Sonnentage erfolgt nach dem Gregorianischen Kalender. Durch Einführen von Schaltjahren wird erreicht, daß das mittlere Kalenderjahr mit dem tropischen Jahr übereinstimmt. Durch Addition von je einer Stunde zur Weltzeit UT für jeweils 15 Längengrade werden die Zonenzeiten gebildet (z. B. Mitteleuropäische Zeit MEZ: UT + 1 h). Der Nullpunkt der Weltzeitskala ist der 1. Januar des Kalenderjahres 1 v. Chr. 0 Uhr UT. Bis zum Jahr 1581 erfolgte die Zählung der Tage nach dem Julianischen Kalender (Schaltjahr: jedes Jahr mit einer durch 4 restlos teilbaren Jahreszahl). Durch diese Form der Zählung entstand eine kumulative Datumsverschiebung der Jahreszeiten. Diese Verschiebung wurde im Jahr 1582 durch Auslassen von 11 Tagen (5. bis 14. Oktober) in der Zählung korrigiert. Ab 1583 wurde die Zählung nach den Regeln des Gregorianischen Kalenders fortgesetzt. (Schaltjahr jedes Jahr mit einer durch

3 1.3.2 Zeitskalen 45 4 restlos teilbaren Jahreszahl mit Ausnahme der vollen Jahrhunderte, die nicht durch 400 restlos teilbar sind.) Eine Analyse der Schwankungen der astronomisch bestimmten UT-Tageslänge zeigte, daß durch Anbringen von Korrektionen an den astronomischen Meßergebnissen unterschiedlich gleichförmige Zeitskalen abgeleitet werden können. - UTO ist die astronomisch bestimmte Weltzeit eines Beobachtungsortes bezogen auf den Nullmeridian. - UTl ist die von Polhöhenschwankungen bereinigte Zeit UTO. UTl ist dem Drehwinkel der Erde proportional und ist deshalb wichtig für die See- und Satellitennavigation. - UT2 ist die um erfahrungsgemäß bekannte (gemittelte) jahreszeitliche Rotationsschwankungen der Erde korrigierte Zeitskala UTl. UT2 ist die gleichförmigste aus der Weltzeit UT abgeleitete Zeitskala. Diese Zeitskala hat keine praktische Bedeutung mehr. Das Zentralbüro des lers (International Earth Rotation Service, Observatorium Paris) veröffentlicht im wöchentlichen Bulletin B und im Jahresbericht ein auf der Grundlage der Messungen verschiedener Institute gemitteltes UTl Atomzeitskalen Nachdem sich die Überlegenheit von Atomuhren (s ) bei der Darstellung von Zeitabschnitten gegenüber den herkömmlichen astronomischen Methoden gezeigt hatte, wurde es sinnvoll, Zeitskalen auf atomarer Basis zu erzeugen. Allgemein werden Atomzeitskalen durch Aneinanderfügen und Zählen von mit Atomnormalen hergestellten Sekundenintervallen erzeugt, die das Skalenmaß der Skala bilden. Die Internationale Atomzeitskala TAI Eine heute als Referenzzeitskala wichtige Atomzeitskala ist die Internationale Atomzeitskala mit der Bezeichnung TAI, die seit dem 1. Januar 1972 verbreitet wird, und die 1971 von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht definiert wurde CGPM (1971). TAI wird vom Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), Paris, auf der Grundlage der Anzeigen von Atomuhren verschiedener Zeitinstitute berechnet. Dabei berechnet das BIPM zuerst mit Hilfe eines Stabilitäts-Algorithmus, genannt ALGOS, eine sog. freie Atomzeitskala EAL (Echelle Atomique Libre), mit möglichst geringer Instabilität. Aus EAL wird TAI gewonnen, indem die Skaleneinheit von EAL so transformiert wird, daß sie mit der SI- Sekunde, bezogen auf einen ruhenden Punkt auf der Erdoberfläche und in Meereshöhe (relativistische Korrektion), wie sie von den weitbesten Cs-Atomuhren ermittelt wird, übereinstimmt. Der Ursprung von TAI wurde auf den I.Januar 1958, Uhr UT2 gelegt. In der Praxis wird TAI nur benutzt, um Zeitskalendifferenzen anzugeben. Die Zeitskala der koordinierten Weltzeit UTC Die koordinierte Weltzeit UTC hat die Gleichmäßigkeit einer Atomzeitskala und ist darüber hinaus der für das öffentliche Leben und der Navigation wichtigen Weltzeit UTl angepaßt. Dieses System wurde 1972 vom Internationalen Beratenden Komitee für das Funkwesen (CCIR)" für die Verbreitung von Zeitsignalen eingeführt empfahl die Generalkonferenz für Maß und Gewicht UTC als Grundlage für die bürgerliche Zeit. Zeitskalen heißen koordinierte Zeitskalen, wenn sie weltweit im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmen. Die Koordinierungsaufgaben für UTC sind dem BIPM übertragen worden. Die Zeitskala UTC unterscheidet sich von der Zeitskala TAI lediglich durch die Sekundenzählung: UTC = TAI - n 1 s (n ganze Zahl) (1.30)

4 Zeit Die Annäherung von UTC an UTl erfolgt mit Hilfe von Schaltsekunden, die weltweit gleichzeitig nach Entscheidung des lers und nach vorheriger Ankündigung in die UTC- Zeitskala eingeführt oder weggelassen werden, um zu erreichen, daß sich UTC und UTl niemals um mehr als ±0,95 s unterscheiden. Wenn Schaltsekunden erforderlich sind, sollen sie jeweils die letzten Sekunden eines UTC-Monats sein, wobei in erster Linie die Monate Dezember und Juni und in zweiter Linie die Monate März und September bevorzugt werden sollen. Das lers gibt einen Vorhersagewert für eine Größe mit der Bezeichnung DUTl mit DUTl =UT1 - UTC, die als Korrektion für UTC auf UTl angesehen werden kann. DUTl wird vom lers in ganzen Vielfachen von 0,1 s angegeben. Der Kalender von UTC stimmt bis auf die getroffenen Abmachungen über die Schaltsekunden mit dem Gregorianischen Kalender überein. Ebenso gelten die Abmachungen über Zonenzeiten. Für die Angabe der Uhrzeit (Datum) in der Nähe einer Schaltsekunde gilt: 1. Eingefügte (positive) 2. Weggelassene (negative) Schaltsekunde Schaltsekunde Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Uhr Das Modifizierte Julianische Datum In der Astronomie und in der Zeitmessung gibt man häufig zur Kennzeichnung eines Tages in dezimaler Form sein Modifiziertes Julianisches Datum (MJD) an. MJD = JD ,5 (1.31) Hierbei ist JD das Julianische Datum. Es ist die Nummer des Tages zuzüglich von dezimalen Teilen mit dem Zählbeginn am 1. Januar4713 v.chr. um 12 Uhr. Um nicht ständig mit großen Zahlen umgehen zu müssen, wird MJD aus JD durch Subtraktion von ,5 gebildet. Die Nachkommastelle sorgt dafür, daß die Zählung beim MJD wie üblich um 0 Uhr eines Tages beginnt. Der ganzzahlige Teil des Modifizierten Julianischen Datums (MJD) wird als Modifizierter Julianischer Tag bezeichnet Kurzbezeichnungen von Zeitskalen und Zeitbegriffen - TA Atomzeit, allgemeine Bezeichnung einer Zeitvariablen, die auf der Grundlage von Atomoder Molekülübergängen realisierbar ist. - TAI Internationale Atomzeit des BIPM - TA (k) Atomzeitskala eines (Zeit-)Instituts k" - UT Weltzeit - UTC Koordinierte Weltzeit des BIPM (um Verwechslungen zu vermeiden auch UTC (BIPM)) - UTC (k) Weltzeitskala eines (Zeit-)Instituts k" - DUTl Vorhersagewert für UTl - UTC, der häufig beim Übertragen von Zeitsignalen ebenfalls übertragen wird. CaR(1978)

5 1.3.3 Zeitmeßgeräte Zeitmeßgeräte Zeitmessung Der Begriff Zeitmessung wird in zweierlei Bedeutung benutzt: 1. als Festlegen eines Ereignisses oder einer zeitlichen Folge von Ereignissen in einer vorgegebenen Zeitskala durch Bestimmen von Datum und Uhrzeit. In diesem Fall ist das jeweilige Meßergebnis ein Datum in einer Zeitskala, die benennbar sein muß. 2. als Messung der Dauer (Zeitspanne, Zeitintervall) eines Vorgangs, der durch zwei zeitlich getrennte Ereignisse begrenzt wird. In diesem Fall wird das Meßergebnis als Vielfaches oder Teil der zugrundegelegten Zeiteinheit angegeben Uhrentechnische Kenngrößen Stand einer Uhr Ist f die Anzeige einer Referenzuhr und t^ die Anzeige einer Vergleichsuhr, dann wird die Größe 1 als Stand der Vergleichsuhr bezeichnet. Gang einer Uhr Der Gang G einer Uhr über das Zeitintervall von eine Referenzuhr ist definiert durch i bis t 2 in bezug auf G = = ^ = (1-32) /n2-'nl fn2 'nl Als Einheiten des Ganges sind gebräuchlich: s/s sowie Teile oder Vielfache davon, insbesondere s/d. Anstelle des Ganges G einer Uhr wird häufig die relative Frequenzabweichung des Schwingsystems - '^x - Vn (1.33) Vn angegeben, v v Frequenz der Vergleichsuhr bzw. Frequenz der Referenzuhr. Gangänderungsrate einer Uhr Die Gangänderungsrate A einer Uhr über das Zeitintervall von (/, + / 2)/2 bis (/ 3 + / 4)/2 in bezug auf eine Referenzuhr ist defmiert durch:, Gjtai,?n4) - G{t u?n2) /,?n3 + _ 'nl + 'n2 2 2 Als Einheiten der Gangänderungsrate sind gebräuchlich: s/s^ sowie Teile und Vielfache davon, insbesondere s/dl Uhren Die örtliche Zeithaltung bzw. die Erzeugung und Darstellung einer stets zugriffsbereiten Zeitskala wird normalerweise mit Hilfe von Uhren gemacht. Uhren in diesem Sinn sind selbständige Geräte, die mit einem frequenz- bzw. zeitgebenden Oszillator, mit einem nachfolgenden Integriersystem der Schwingungen und mit einer Anzeigevorrichtung für die Uhrzeit ausgerüstet sind. Sieht man von fehlerhaften Integrier- und Anzeigevorrich-

6 Zeit tungen ab, dann bestimmt die Frequenzinstabilität des Oszillators die Ganggenauigkeit der Uhr und somit die Qualität der durch sie dargestellten Zeitskala. Beispiele S.Tab Tab. 1.1 Oszillator Art der Schwingung Frequenzbereich der Schwingung System aus Masse und Feder Stimmgabel Kompensationspendel Quarzkristall Atom, Molekül Drehschwingung mechanische Schwingung Pendelschwingung Kristallschwingung Atom- bzw. Molekülschwingung 2 Hz bis 5 Hz bis 360 Hz bis 0,5 Hz 32 khz bis 10 MHz IGHz bis 10 GHz Bei hochwertigen Uhren werden meist die Oszillatorfrequenz und eventuell Vielfache und Teile dieser Frequenz an Anschlußbuchsen zugängig gemacht. Man bezeichnet einen Oszillator als Frequenznormal, wenn er als übergeordnetes Normal zur Messung oder Kalibrierung der Frequenz anderer Oszillatoren eingesetzt werden kann. Die für die genaue Zeit- bzw. Frequenzmessung wichtigsten Geräte sind Quarz-, Rubidium-, Wasserstoff- und Cäsiumuhren bzw. Frequenznormale. Audoin u. Vanier (1976) u. (1989), Hellwig (1974) u. (1977), CCIR (1978), Fischer (1979), Becker (1976) In manchen Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, zur Zeithaltung die Zeitinformation von Zeitinstituten zu benutzen, die diese durch Aussendung von Zeitsignalen zur Verfügung stellen (s ). Auf diese Weise können in automatischen Meßstationen Messungen datiert und zeitlich koordiniert betrieben werden Quarzuhren Das zeitbestimmende Teil einer Quarzuhr ist der Oszillator mit einem Schwingquarz, der aufgrund des piezoelektrischen Effekts in elektrischen Schaltungen zu Schwingungen mit geringer Dämpfung und hoher Frequenzkonstanz angeregt wird. Schwingquarze werden meist aus gezüchteten Quarzeinkristallen in Form von Stäben, Platten, Ringen oder Sonderformen wie z. B. Stimmgabeln für den Einsatz in elektronischen Armbanduhren ausgeschnitten, die sich zu vielerlei Schwingungsformen anregen lassen. Charakteristisch für einen Schwingquarz ist eine langfristige Frequenzdrift aufgrund von Veränderungen im Kristallgefüge, an den mechanischen Halterungen und an den elektrischen Anschlüssen. Die Frequenzdrift bei Qualitätsquarzen liegt in Klassen von 10 V^onat bis kleiner 10 '"/Monat. Weiter ist die Frequenz von Schwingquarzen temperaturabhängig. Durch besondere Schnittwinkel des Schwingquarzes aus dem Rohquarz können parabelförmige oder durch Polynome 3. Grades zu beschreibende Temperatur-Frequenz-Abhängigkeiten erreicht werden, wobei der Umkehrpunkt der Parabel oder die Wendetangente der Kurve 3. Grades in die Nähe der Betriebstemperatur gelegt werden können. Durch Kompensation der temperaturabhängigen Frequenzänderung durch gegenläufig wirkende elektrische Bauelemente oder durch Thermostatisierung des Quarzoszillators kann die temperaturabhängige Frequenzänderung im Temperaturbereich 0 C bis 50 C in Klassen von kleiner als 5-10^ bis kleiner 10 spezifiziert werden. Die Kurzzeitinstabilität der relativen Frequenz liegt bei Meßzeiten über 1 s im Bereich 10 ' bis 10 und bei Meßzeiten über 24 him Bereich 10 ^bis 10 (Wichtige Merkmale s. Fig. 1.27undTab. 1.2 u. 1.3.)

7 1.3.3 Zeitmeßgeräte 49 Für genaue Zeithaltung bzw. für Frequenzmessungen eingesetzte Quarzuhren müssen wegen der Frequenzdrift regelmäßig kalibriert werden (beispielsweise durch Normalfrequenzaussendungen (s.abschn )). I^ärtaschoff (1978), CCIR (1986) u. (1990), Besson (1987), Gerber u. Sykes (1967) u. (1974), Hafner Rubidiumatomuhren Frequenz- und somit zeitbestimmend bei einer Rubidiumatomuhr ist die Frequenz der Strahlung des Hyperfeinstrukturübergangs im Grundzustand (F=2->F=1) des Atoms 'Rb mit etwa 6,8 GHz. Durch optisches Pumpen werden Rubidiumatome, die sich mit einem Puffergas in einem Glasgefäß im Innern eines Mikrowellenresonators befinden, in den Zustand F= 2 gebracht. Wird der Mikrowellenresonator mit der richtigen Übergangsfrequenz gespeist, erfolgt eine Entleerung des F= 2-Zustands, der durch die erhöhte Absorption der Pumpstrahlung, da nun wieder optisch gepumpte F= 1, f =2-Übergänge stattfinden, nachgewiesen wird. Die Frequenz der Rubidiumuhren ist abhängig von der Temperatur (Thermostatisierung), vom äußeren Druck und von Magnetfeldern. Durch langfristige Änderungen der optischen Pumpstrahlung und des Gasgemisches im Resonatorgefäß zeigen Rubidiumuhren eine Frequenzdrift. Die geringste Frequenzinstabilität zeigen kommerzielle Rubidiumuhren für Meßzeiten lo^s und 10''s im Bereich von 10 (Wichtige Merkmale s. Fig und Tab. 1.2 und 1.3.) Für genaue Zeithaltung bzw. für Frequenzmessungen eingesetzte Rb-Normale müssen wegen ihrer Frequenzdrift regelmäßig kalibriert werden (beispielsweise durch Normalfrequenzaussendungen (s. Abschn )). CCIR (1990), Vanier u. Audoin (1989), Arditi u. Carver (1961) Wasserstoff (H)-Atomuhren In der H-Atomuhr ist die Frequenz der Strahlung mit etwa 1,4 GHz des Hyperfeinstrukturübergangs im Grundzustand (/'=1, /Wf=0->/'=0, Wf=0) des Atoms 'H frequenzbestimmend. Das H-Frequenznormal erringt die geringste Kurzzeitinstabilität in der Betriebsweise als aktiver H-Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Der atomare Wasserstoff wird in einer elektrischen Entladungsstrecke erzeugt. Von dort tritt aus einer Öffnung ein H-Atomstrahl mit H-Atomen in den Energiezuständen 1 und F=0 in ein Hochvakuumsystem ein. Der Atomstrahl passiert einen Vierpol- oder Sechspolmagneten, der Atome der Zustände F=l, 1, Wf=0 auf die Öffnung einer Quarzflasche fokussiert, während alle anderen Atome defokussiert werden und von den Vakuumpumpen abgepumpt werden. Die Quarzflasche befindet sich im Inneren eines Mikrowellen-Resonators, der auf die Übertragungsfrequenz Vo~l,4GHz abgestimmt ist, und dient als kurzzeitiger Speicher (0,5-1 s) der H-Atome bis sie aus der Einlaßöffnung wieder austreten. Ein Magnetfeld im Bereich der gespeicherten H-Atome sorgt für die Trennung der Zeemann-Unterniveaus und für eine Quantisierungsrichtung. Wenn die Konzentration der gespeicherten H-Atome im (/'= 1, /n^ = 0)-Zustand den Schwellenwert für die Maser-Bedingung überschreitet, setzt im Resonator eine sich selbst erhaltende Mikrowellen-Schwingung an. Ein geringer Teil der Mikrowellenenergie kann aus dem System ausgekoppelt werden und mit einer synthetisierten Schwingung derselben Frequenz verglichen werden. (Wichtige Merkmale s.fig und Tab 1.2 und 1.3), CCIR (1990), Vanier u. Audoin (1989), Crampton (1989).)

8 Zeit 1,3.3.7 Cäsiumatomuhren Bei einer Cäsiumatomuhr ist die Frequenz der Strahlung des Hyperfeinstrukturübergangs im Grundzustand {F=A, mf=0 3, nif^o) des Atoms '"Cs mit etwa 9,1 GHz frequenz- bzw. zeitbestimmend. Cäsiumatomuhren realisieren die Sl-Sekundendefinition. Ausgehend von einem Atomstrahlofen werden die Cäsiumatome vor dem Eintritt in einen Mikrowellenresonator durch einen Ablenkmagneten so beeinflußt, daß nur Atome im Zustand F= 4 im Strahl bleiben. In den Endpartien des Mikrowellenresonators werden die Strahlatome durch das extern eingespeiste Mikrowellenfeld bestrahlt. Stimmt die Frequenz des eingespeisten Mikrowellenfeldes mit der Qbergangsfrequenz vom i^=4-zustand zum F=3-Zustand überein, dann erfolgt der Übergang. Ein zweiter Ablenkmagnet hinter der Bestrahlungsstrecke lenkt die durch Bestrahlung mit der richtigen Frequenz erzeugten F= 3-Atome auf einen Nachweisdetektor ab. Die Frequenz der Cäsiumatomuhren ist abhängig von der Temperatur und von äußeren Magnetfeldern. Weiter kann sich die Frequenz ändern, wenn eine Uhr beispielsweise bei Transporten mechanischen Stößen ausgesetzt wird. Fig.1.27 Zusammenstellung der Frequenzinstabilitätsbereiche einiger Zeit- und Frequenznormale, dargestellt mit der Zwei- Proben-Standardabweichung als Funktion der Meßzeit T (QZ Quarzuhr, RB Rb-Atomuhr, HM H-Atomuhr, CS Cs- Atomuhr) (CCIR 1990) Cäsiumatomuhren sind im allgemeinen frei von systematischen Driften. Die in Gerätebeschreibungen angegebenen Unsicherheitswerte gelten jeweils für den Zeitraum eines störungsfreien Betriebs. Fig und Tab. 1.2 und 1.3 enthalten wichtige Merkmale von Frequenznormalen. Glace u.a. (1977), Wineland u.a. (1976), Mungall u.a. (1976), Becker u.a. (1969), Vanier u. Audoin (1989), Drullingeru.a. (1989) Meßgeräte für Zeitintervalle Bei den Stoppuhren im engeren Sinne wird das Schwingen der Unruhe durch Drücken der Krone freigegeben oder gestoppt. Dieser Mechanismus läßt beim Start- und Stoppvorgang einen Fehler von mehreren Halbschwingungsdauern zu. (Bei guten Uhren bis 'A Halbschwingungsdauer, bei schlechteren mehr.) Gebräuchlich sind Stoppuhren mit Halbschwingungsdauer von 0,2 s, 0,1 s, 0,033 s und 0,01 s. Beim subjektiven Starten

9 1.3.3 Zeitmeßgeräte 51 Tab. 1.2 Einige Merkmale von Frequenznormalen Frequenz- rel. Fre- rel. Frequenz-Instabilität Volu- Ge- el. käuf- Preis Normal quenz Lang- ^i'^ht Lei- lieh in US $ neit zeit (s.fig. zeit '"3 * (100 s) 1.27) (IJahr) ^g m W Quarzuhr (hochgenau) Rb-Atomuhr(hochgenau) ') ') 10-' '» ' ,1... 0,1... ja 0, lo '^ '» '^ I-IO '^ 10 '" ja 20 H-Atomuhr 1-10 " 2-10 '= ja (laborsta- 10" 10'^ tionär) H-Atomuhr 1 10'^ MO'" S-IO'" (transportabel) Cs-Atomuhr 1 10" 1-10" MO'" ') (laborstationär) Cs-Atomuhr 2-10 MO '^ <3- (transpor- 10 '" 10 tabel) ja nein 2) ja 40 ') kann allgemeingültig nicht angegeben werden, es liegt keine Erfahrung vor Tab. 1.3 Relative Gangunsicherheiten von Frequenznormalen in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen Frequenz-Normal Quarzuhr (hochgenau) Rb-Atomuhr H-Atomuhr Cs-Atomuhr Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen Temperatur Beschleunigung Magnetfeld Druck pro IK pro 1 m/s^ pro 1 T pro 1 Pa 10 '2 10" 10 " 10 '2 10-'^ '" 10" 10 '" 10 '" 10" '" 10 '" 10 '» 10 '3 und Stoppen von Handstoppuhren entsteht häufig ein Fehler von mehreren Zehntelsekunden, sehr geübte Beobachter können 0,1s erreichen. Bei Zeitintervallen bis zu 1 Minute können dadurch relativ große Fehler entstehen. Bei längeren Zeitintervallen sind außerdem die Temperatur- und Lageeinflüsse auf den Gang zu berücksichtigen. Bei guten mechanischen Stoppuhren bleibt die Summe dieser Einflüsse auf den Gang bei Temperaturen zwischen 5 C und 35 C unter 0,5 s/h. Inzwischen gibt es elektronische

10 Zeit Quarz-Stoppuhren auf dem Markt, bei denen die uhreneigene relative Meßunsicherheit im Bereich 10 ' bis 10 ' liegt. Bei diesen Stoppuhren ist die Meßunsicherheit begrenzt durch die Reaktionszeiten bei der Betätigung. Elektronische Zähler Ist das zu messende Zeitintervall durch zwei elektrische Signale abgegrenzt, dann kann mit ihnen ein elektronischer Zähler so gesteuert werden, daß für die Dauer des zu messenden Zeitintervalls die Schwingungen einer Normalfrequenz gezählt werden (Genaueres s. Abschn ) Übertragung von Zeitsignalen und Normalfrequenzen Örtliche Zeitskalen und Normalfrequenzgeneratoren können in ihrer Genauigkeit wesentlich verbessert werden, wenn sie in regelmäßigen Zeitabständen oder sogar ständig an übergeordnete Normale angeschlossen werden. Die Häufigkeit des Anschlusses und die auszuwählende Methode richtet sich nach der örtlich erforderlichen zulässigen Unsicherheit. Der Anschluß sollte sinnvollerweise an die Zeitskala oder die Frequenz eines Zeitinstituts erfolgen, das zur Berechnung von TAI und somit zu UTC des BIPM beiträgt. In diesem Fall kann dem Circular T des BIPM der Bezug der eigenen Zeitskala zu allen Zeitskalen hergestellt werden, die an UTC mitwirken. Das CCIR hat eine umfangreiche Dokumentation über Zeit- und Normalfrequenzübertragungen zusammengestellt. CCIR (1986) u. (1990) Übertragung durch Uhrentransport Die zuverlässigste und genaueste Methode, die Zeit von einer Station A zu einer Station B zu übertragen, besteht im Transport einer Atomuhr. Hierzu gibt es tragbare, besonders für den Transport vorgesehene, käufliche Cäsiumatomuhren, die mit Batteriesätzen ausgerüstet sind. Die Unsicherheit der Zeitübertragung bei kurzen Reisezeiten (wenige Stunden) liegt bei 10 ns bis 40 ns. Bei interkontinentalen Transporten liegen die Unsicherheiten im Bereich 100 ns bis 200 ns. Uhrentransporte sind im Verhältnis zu anderen Übertragungsmethoden kostspielig. Sie werden häufig zum Einmessen (Bestimmen von systematischen Unsicherheiten) von anderen Übertragungssystemen notwendig Prinzip der Zeitübertragung, des Zeitvergleichs und des Frequenzvergleichs durch Funkaussendungen Zeitübertragung Man spricht von einer Zeitübertragung, wenn Zeitsignale eines Senders S von einer Empfangsstation A aufgenommen werden. Das empfangene Zeitsignal ist dabei um die Signallaufzeit auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger einschließlich der vorerst unbekannten Laufzeiten in den Sende- und Empfangsgeräten TSA ZU korrigieren. Zeitvergleich Verfügen zwei Empfangsstationen A und B über eigene Zeitskalen und liegen beide Stationen im Empfangsbereich (möglichst) desselben Senders, dann ist ein Zeitskalenvergleich möglich. Beide Stationen vereinbaren eine Zeitmessung (Datierung in der jeweiligen Zeitskala) für ein ganz bestimmtes (Referenz-)Signal des Senders. Ist t^ die Anzeige (das Datum) beim Eintreffen des

11 1.3.4 Übertragung von Zeitsignalen und Normalfrequenzen 53 Signals in der Station A und ts die entsprechende Anzeige in der Station B, dann ist der Stand (die Differenz) der Zeitskalen von A und B: 'AB = CA -?B) - (RSA ~ TSB) (1.35) ^SA, ^'sb Signallaufzeiten. Die Signallaufzeiten bestimmt man am einfachsten durch Einkalibrieren der Meßeinrichtungen durch einen Zeitvergleich beider Zeitskalen mit einem Uhrentransport (s. Abschn ). Es ist zu beachten, daß Laufzeitschwankungen auftreten können. Frequenzvergieich Sind die Stationen A und B lediglich an einem Frequenzvergleich (Gangvergleich) ihrer Zeitskalen interessiert, dann bestimmen beide Stationen die Anzeige ^AI, 'BI und t^iy <b2 zum Zeitpunkt des Eintreffens zweier in zeitlichem Abstand T gesendeter Signale und erhalten: G = ('A2 " 'B2)-('AI - 'BI) ^ VA - VB ^ VA - VB (J T VB VA Diese Beziehung gilt unter der Voraussetzung, daß die Laufzeiten des Vergleichssignals zum Zeitpunkt der Messungen gleich sind, sich also bei der Differenzbildung herausheben, und daß die Frequenzen VA und VB sich nur wenig unterscheiden Übertragung durch Kurzweilen Für die Übertragung von Zeitsignalen und Normalfrequenzen stehen folgende Sendefrequenzen zur Verfügung: 2,5 MHz ± 5 khz 5 MHz± 5 khz 10 MHz± 5 khz 15 MHz + 10 khz 20 MHz± 10 khz 25 MHz± 10 khz Die Ausbreitung der Kurzwellen über große Entfernungen findet durch Einfach- oder Mehrfachreflexion der Wellen an der Ionosphäre und der Erdoberfläche statt. Wegen der wechselnden Eigenschaften der Ionosphäre ändern sich der Ausbreitungsweg und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Zeitsignale, und damit schwankt ihre Ankunftszeit. Zeitsignale sind in diesem Frequenzbereich mit einer Unsicherheit von 500 ns bis 1000 (is zu empfangen. Die relative Unsicherheit bei Frequenzvergleichen liegt bei ± I 10 Dem Nachteil der verhäunismäßig großen Unsicherheit bei der Übertragung steht der Vorteil gegenüber, daß weltweit Aussendungen empfangen werden können, CCIR (1990) Übertragung durch Langwellen Im Langwellenbereich von 30 khz bis 300 khz sind für Zeitsignal- und Normalfrequenzübertragungen die Frequenzbänder 20,05 khz bis 70 khz, 72 khz bis 84 khz und 86 khz bis 90 khz zugelassen, letzteres nur für den europäischen Bereich.

12 Zeit Für Europa sind folgende Zeitsignal- und Normalfrequenzsender wichtig: Allouis auf 163,84 khz Frankreich DCF77 auf 77,5 khz Bundesrepublik Deutschland HBG auf 75 khz Schweiz LORAN-C auf 100 khz z. B. Sylt (Bundesrepublik Deutschland) MSP auf 60 khz England OMA auf 50 khz Tschechische Republik Die Sender Allouis, DCF77, MSF und OMA übertragen, neben der Trägerfrequenz als Normalfrequenz, Zeitangaben in kodierter Form. Im Kode stimmen nur DCF77 und Allouis überein, allerdings sind die Aussendungen von DCF77 amplitudenmoduliert, die von Allouis sind phasenmoduliert. Die Zeitsignale sind synchron zur Trägerfrequenz. Die Unsicherheit der Zeitübertragung mit aufmodulierten Zeitmarken liegt unter 0,1 ms. Die Phasenzeit des Trägers kann im Umkreis des Senders von einigen hundert Kilometern mit Schwankungen im Bereich 0,1 ^s aufgenommen werden. CCIR (1990) Übertragung durch Längstwellen Im Längstwellenbereich von 3 bis 30 khz senden zur Zeit sieben Sender des Navigationssystems OMEGA Normalfrequenzen von 10,2 khz, 11,33 khz und 13,6 khz aus. Weiter liegen im Bereich von 16 khz bis 24 khz einige Nachrichtensender, die ebenfalls Normalfrequenzen abstrahlen. Längstwellen haben eine große Reichweite, so daß weltweite Zeit- und Frequenzvergleiche unter Benutzung der Aussendung eines Senders möglich sind. Die erfolgreichsten Zeit- und Frequenzvergleiche mit Längstwellen sind über Phasenzeitvergleiche der empfangenen Normalfrequenz mit den jeweils zu vergleichenden örtlichen Normalfrequenzen oder Sekundenimpulsen durchgeführt worden. Die Aufnahme des Trägers von Längstwellen für Phasenzeitvergleiche erfolgt zweckmäßigerweise mit schmalbandigen Phasenfolgeempfängern. Bei Unterbrechung des Betriebs der Empfangsanordnung oder durch starke atmosphärische Störungen geht normalerweise die Phasenbeziehung verloren. Durch besondere Schaltungsanordnungen kann erreicht werden, daß beim Wiedereintreffen des Sendersignals die richtige Phasenbeziehung wiedergefunden wird. Bei Zeitvergleichen mit Hilfe von Längstwellen müssen die Meßanordnungen in beiden Stationen beispielsweise durch einen Uhrentransport eingemessen werden. Zeitvergleiche mit Längstwellen zeigen Unsicherheiten im Bereich um 10 ns. Frequenzvergleiche sind je nach Meßzeitdauer mit Unsicherheiten von relativ 10 " bis 10 möglich. Die Bedeutung von Zeit- und Frequenzvergleichen mit Längstwellen ist durch die Entwicklung überlegener Verfahren gesunken. Becker u. a. (1973), Swanson u. Kugel (1972), Becker (1969), CCIR (1990) Übertragung durch Fernsehbildimpulse Bei Zeitvergleichen zwischen zwei Instituten A und B, die beide im Empfangsgebiet desselben Fernsehprogramms liegen, wird die Ankunftszeit eines bestimmten, den Einzelbildern vorangestellten Synchronisierimpulses als gemeinsamer Referenzeitpunkt benutzt. Absprachegemäß wird allgemein als Zeitpunkt für die Messungen die abfallende Flanke des ersten Hauptimpulses gewählt. An den Stationen A und B wird mit Hilfe eines Zeitintervallzählers die Zeit zwischen örtlichem Sekundenimpuls und dem nachfolgenden, aufbereiteten Synchronisierimpuls mit den Ergebnissen ATA und ATB bestimmt. Dann erhält man unter Berücksichtigung der Signallaufzeiten TSA und TSB als Ergebnis des Zeitvergleichs (Stand der Zeitskalen): TAB = «A - 'B = (ATA - ATB) - (tsa " TSB) (1-37)

13 1.3.4 Übertragung von Zeitsignalen und Normalfrequenzen 55 Wegen der Frequenz der Synchronisierimpulse von 50 Hz (Periodendauer 0,2 ms) dürfen die zu vergleichenden Zeitskalen, um eindeutige Ergebnisse zu bekommen, nur um wenige Millisekunden voneinander abweichen. Die zunächst unbekannten Signallaufzeiten TSA und TSB können entweder aus den Abständen zwischen Sender und Empfänger berechnet werden, das wird dann schwierig, wenn beide Stationen A und B nicht im Empfangsbereich desselben Senders liegen, oder aber man kalibriert die Meßanordnung mit Hilfe eines Uhrentransports. Die Unsicherheit der Zeitübertragung im Empfangsbereich desselben Senders liegt im Bereich 0,1ns bis 0,5 as. Zeitübertragungen bei Empfang desselben Programms aber unterschiedlichen Sendern haben Unsicherheiten im Bereich weniger Mikrosekunden bis zu einer Mikrosekunde. Bei Zeitvergleichen über verschiedene Sender können unter Umständen große Laufzeitänderungen auftreten, entsprechend der jeweils gewählten Richtfunkübertragung. Meistens unterscheiden sich die Meßergebnisse so deutlich, daß ein Irrtum bei der Messung ausgeschlossen werden kann. Rovera (1972), Allan u.a. (1972), Parcellier (1976), Becker u. Enslin (1972), Allan u.a. (1970), CCIR (1986) u. (1990) Übertragung durch LORAN-C-Impulse Diese Methode für Zeit- und Frequenzvergleiche verwendet die Aussendungen des Navigationssystems LORAN-C (Long Range Navigation). Eine LORAN-Kette besteht aus einer Master"-Sendestation und zwei bis vier an die Master"-Station angeschlossenen Slave"-Sendestationen. Die Kette sendet, synchronisiert von der Master"-Station, auf der Frequenz 100 khz mit einem Übertragungsbereich von ca. 85 khz bis 115 khz nacheinander jeweils eine charakteristische Impulsfolge von neun Impulsen (Master) und acht Impulsen (Slaves). Die gesamte Impulsgruppe wird nach einer für die jeweilige LORAN-Kette spezifischen Zeit periodisch wiederholt. Jede LORAN-Kette ist so eingerichtet, daß zu bestimmten Zeitpunkten TOC (Time of Coincidence) der Beginn der Impulsfolge der Master-Station und Sekundenmarken der Zeitskala UTC zusammenfallen. Zur Zeit arbeiten sieben LORAN-Ketten, deren Sender hauptsächlich auf der nördlichen Halbkugel liegen. Für den europäischen Bereich werden für Zeit- und Frequenzübertragungen die Aussendungen der Norwegian Sea"-Kette benutzt, insbesondere die Aussendung der Slave"- Station Sylt. Die Kette besteht aus 5 Stationen. Die Aussendung der Kette wird nach ns wiederholt, der Sendebeginn des Senders Sylt ist gegenüber dem Aussendebeginn der Master"- Station Ejde (Färöer Inseln) um Tms = 30065,69 ns verzögert. Zeitpunkte TOC kehren jeweils nach 797 s wieder. Die Reichweite eines LORAN-Senders beträgt etwa 3000 km über Meer und 1500 km über Land. Eine Zeitbestimmung in einem Institut mit Hilfe der Aussendungen eines LORAN- Senders kann folgendermaßen durchgeführt werden: Ein Zeitintervallmesser wird von einem Sekundenimpuls der örtlichen Zeitskala gestartet und von einem Impuls gestoppt, der von einem TOC-Impuls eines LORAN-Senders abgeleitet wird. Hierbei wird nicht der Beginn des Impulses getriggert, sondern wegen der zu erzielenden höheren Genauigkeit ein Nulldurchgang der 100 khz Schwingung, der um die ZeitspanneTV gegenüber dem Impulsbeginn verzögert ist. Das gemessene Zeitintervall habe die Dauer AT. Dann ergibt sich der Zeitvergleich (hierbei ist angenommen, daß die Aussendung einer Slave"-Station empfangen wird): 'A - «TOC = At - TMS - TSA - Tv - TE (1-38) TMS zeitliche Verzögerung zwischen Aussendung von Master und Slave, TSA Signallaufzeit zwischen Slave-Station und Empfänger A, Zy Zeitspanne zwischen Impulsbeginn und gewähltem Triggerzeitpunkt, TE Impulslaufzeit im Empfänger.

14 Zeit Die Signallaufzeit TSA läßt sich in erster Näherung aus dem geodätischen Abstand zwischen Sender und Empfänger und der Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Luft bestimmen. Für höhere Genauigkeitsansprüche müssen Korrektionen eingeführt werden, die besondere Ausbreitungsbedingungen berücksichtigen. Wollen zwei Institute A und B ihre örtlichen Zeitskalen miteinander vergleichen, dann vereinbaren sie gleichzeitige Messungen an LORAN-Impulsen. Hierbei werden wieder beide Institute einen Zeitintervallmesser mit einem örtlichen Sekundenimpuls starten und mit demselben LORAN-Impuls stoppen. Sind Ata und ATB die in A und B gemessenen Zeitintervalle und Tsa und TSB die gesamten Signallaufzeiten zwischen Sender und Empfänger (einschließlich der Laufzeit in den Empfängern), dann ist das Ergebnis des Zeitvergleichs (Stand der Zeitskalen): tab = ta-tb = (ATA - ATB) - (TSA ~ TSB) (1-39) Bei allen Zeitvergleichen, bei denen nicht genau bestimmbare Signallaufzeiten eingehen, empfiehlt es sich, die Meßeinrichtungen durch einen Uhrentransport zu kalibrieren. Zeitmessungen und Zeitvergleiche mit LORAN-Impulsen haben erfahrungsgemäß Unsicherheiten im Bereich 0,1 ns bis zu einigen jxs. Blair (1974), Shapiro (1968), Potts u. Wieder (1972), Kramer (1970), CCIR (1990) Übertragung durch Satelliten Gegenwärtig die wichtigsten Verfahren zur genauen Zeitübertragung sind Übertragungen mit Satelliten. Sie überbrücken interkontinentale Entfernungen und sind heute mit Unsicherheiten bis zu 10 ns möglich, in der Zukunft erwartet man Unsicherheiten bis zu 1 ns. Um allerdings die 1 ns Unsicherheit erreichen zu können, sind teure Sende- und Empfangsanlagen, genaue Koordinatenmessungen für den Standort der Antenne und genaue Signal-Laufzeitbestimmungen notwendig. Vorerst sind solche Möglichkeiten nur für besondere Institute vorhanden. Für einen breiten Anwenderkreis sind verhältnismäßig einfach zu bedienende Geräte zur Zeitübertragung entwickelt worden, die die Aussendung der Satelliten-Navigationssysteme GPS (s. u.) und GLONASS (s. u.) benutzen. Bei der Zeitübertragung mit Satelliten unterscheidet man zwei Verfahren, das Zweiweg-Verfahren und das Einwegverfahren. Bei Zweiwegverfahren wird der Satellit lediglich als Relaisstation für die Signale zweier Bodenstationen A und B, die einen Zeitvergleich durchführen wollen, benutzt. Das Meßprinzip dabei ist folgendes: Ein Sekundenimpuls startet in A einen Zeitintervallmesser und wird über den Satelliten zur Station B gesendet. Ebenso startet ein Sekundenimpuls in B einen Zeitintervallmesser, derselbe Impuls wird über den Satelliten nach A gesendet. Die jeweils auf dem Funkweg ankommenden Signale stoppen die Zeitintervallmesser in A bzw. B. Das Zählergebnis in A sei ATA, das in B sei Atb. Die Laufzeiten der Impulse (einschließlich der Laufzeiten in den Sende- und Empfangsanlagen der Bodenstationen und den Satellitentransponder) auf dem Weg von A nach B sei TAB bzw. von B nach A TBA- Hiermit errechnet sich die Zeitskalendifferenz: 'AB =?A - 'B = y (ATA - ATB) + Y (TAB - tba) (L40) Im Idealfall, daß die Signallaufzeiten TAB undtba gleich groß sind, gilt: 'AB =?A -'B = y (Ata - ATB) (1.41) Die Unsicherheiten bei den Zwei wegzeitvergleichen liegen im Bereich 10 ns bis 50 ns. Beim Einwegverfahren sendet nur eine Station A zu einem vereinbarten Zeitpunkt einen Sekundenimpuls aus. In der Station B stoppt dieser Impuls einen Zeitintervallmesser, der vorher

15 1.3.4 Übertragung von Zeitsignalen und Normalfrequenzen 57 durch einen Sekundenimpuls der Station B gestartet worden war. Hieraus ergibt sich für die Zeitskalendifferenz:?AB ='A -'B = Atb - Tab (1-42) A TB Ergebnis des Zeitintervallzählers, TAB Impulslaufzeit von der Station A zur Station B. Beim Einwegverfahren muß die Signallaufzeit aus ziemlich unsicheren Bahndaten des Satelliten berechnet werden. Bei einer Variante des Einwegverfahrens benutzen die Stationen A und B ein bestimmtes Sendesignal des Satelliten als gemeinsames Referenzsignal. Auch bei diesem Verfahren gehen unzureichend bestimmbare Laufzeiten in die Auswertung des Zeitvergleichs ein. Die bislang bei den Einwegzeitvergleichen erreichten Unsicherheiten liegen im Bereich 100 ns bis 200 ns. CCIR (1990), Easton (1972), Steele u. a. (1964), Gatterer u. a. (1968), Laidet (1972), Taylor (1974), Chi U. Byron (1975), Hübner u. Hetzel (1978) Zeitübertragung durch GPS (Global Positioning System) GPS ist ähnlich wir LORAN ein auf der Laufzeitmessung von Funksignalen beruhendes Navigationssystem. Während bei LORAN zeitlich synchronisierte Funksignale von ortsfesten Sendern zur Ortung benutzt werden, senden bei GPS Satelliten die Navigationssignale auf den Frequenzen 1227 MHz und 1575 MHz aus. Zur Zeit (1992) sind 18 Satelliten im Erdumlauf, so daß weltweit GPS-Navigation und damit auch Zeitübertragung möghch ist. Die Satelliten umrunden die Erde in km Höhe mit einer Umlaufzeit von ca. 12 h. Die Bahnen der Satelliten werden so eingerichtet, daß an jedem Punkt der Erde die Aussendung von 4 Satelliten für Navigationszwecke empfangen werden kann. Jeder Satellit hat Atomuhren an Bord, deren Zeit in Bezug zu der GPS- Systemzeit im Abstand weniger Stunden neu bestimmt wird. Hierzu kommt eine regelmäßige Bahnbestimmung der Satelliten. Mit diesen und einigen zusätzlichen Informationen, wie z. B. Korrektionswerte für die Signallaufzeiten, die jeder Satellit in seinem Datentelegramm sendet, ist es möglich, für die Navigation die drei Raumkoordinaten und die GPS-Zeit zu bestimmen. Die Unsicherheit bei der Ortsbestimmung ist <30 m. Für Zeitvergleiche zwischen Zeitinstituten genügt jeweils die Aussendung eines Satelliten. Für Institute, die an der Bestimmung von UTC mitwirken, koordiniert das BIPM die durchzuführenden Messungen. Die GPS-Systemzeit läßt sich direkt auf UTC (USNO) zurückführen und hierdurch auf UTC. Seit 1980 werden mit diesem System regelmäßig Zeitvergleiche durchgeführt. Hierzu ist eine Reihe von leicht bedienbaren Empfängern entwickelt worden, die speziell für den Zeitvergleich ausgelegt sind. Zeitinstitute geben jeweils Meßwerte UTC(GPS)-UTC(k) in das internationale Datenverbundnetz General Electric Mark III Service, dessen Benutzer alle Meßwerte abfragen können. Mit Hilfe dieser Daten ist dann jederzeit der Bezug der eigenen Zeitskala zu den Zeitskalen aller teilnehmenden Zeitinstitute hergestellt. Die Unsicherheit der Zeitvergleiche liegt im Bereich 20 ns bis 50 ns. Für kurze Entfernungen der Bodenstationen (<2000 km) sind Unsicherheiten bis 5 ns möglich. CCIR (1986) u. (1990), Guinot u. Lewandowski (1988), Allan u. Weiss (1980), Lewandowski u. a. (1987), Nau(1988), Pratt (1980) Zeitübertragung durch GLONASS (Global Navigation Satellite System) GLONASS ist das Satellitennavigationssystem der GUS. Die Prinzipien von GLONASS und GPS sind sehr ähnlich. GLONASS bekommt 24 Satelliten, ebenfalls in km Höhe mit 12 h Umlaufzeit. Die Satelliten senden ebenfalls auf zwei Frequenzen LI und L2, die paarweise zwischen zwei Werten umgeschaltet werden:

16 Zeit LI: 1602 MHz 1615 MHz L2: 1246 MHz 1256 MHz Auch für dieses System sind Navigationsgeräte und Zeitempfänger auf dem Markt. Die erreichbaren Unsicherheiten entsprechen den GPS-Unsicherheiten. CCIR (1990), Kitching u. Daly (1989) Übertragung mit dem Zeitsignal- und Normalfrequenzsender DCF77 Nahezu im gesamten europäischen Raum sind die Aussendungen des Zeitsignal- und Normalfrequenzsenders DCF77 zu empfangen. Dieser Sender verbreitet die gesetzliche Zeit der BundesrepubHk Deutschland MEZ(D) = UTC(PTB)^ Ih oder MESZ(D) = UTC(PTB) + 2 h, letztere, wenn die Bundesregierung durch Rechtsverordnung nach dem Zeitgesetz von 1978 die Sommerzeit einführt. Der Standort des Senders DCF77 ist Mainflingen (50 Ol' Nord, 09 00' Ost) in der Nähe von Frankfurt am Main. Die vom Sendeverstärker an die Antenne abgegebene Leistung ist 50 kw, die geschätzte ausgestrahlte Leistung liegt bei 20 bis 25 kw. Die Feldstärke des Senders im Abstand von 100 km vom Sender liegt im Bereich um 20 mv/m, im Abstand von 1000 km im Bereich um 0,2 mv/m. Die Trägerfrequenz von DCF77 ist eine hochstabile Normalfrequenz von 77,5 khz, die am Sendeort von einem Atomfrequenznormal abgeleitet wird. Die relative Frequenzabweichung vom Nennwert ist im Mittel über einen Tag kleiner als 10 und im Mittel über 100 Tage kleiner als 2-10 Am Empfangsort beobachtete größere Frequenzschwankungen haben ihre Ursachen in ausbreitungsbedingten Phasenschwankungen des Trägers, die durch eine Überlagerung von Raum- und Bodenwelle herrührt. Der Sender DCF77 sendet im 24-h-Dauerbetrieb. Bei Betriebsstörungen der Sendeeinrichtungen wird auf einen Reservesender und eine Reserveantenne umgeschaltet (Umschaltdauer ca. 5 Minuten). Trotzdem sollten Uhren, die von DCF77 gesteuert werden und bei denen es auf eine hohe Betriebssicherheit ankommt, mit einer mehrstündigen Gangreserve versehen sein, da Gewitter am Sendeort zeitweise eine Abschaltung der Sendeanlagen erforderlich machen. Das Umschalten der Aussendung auf die von der Betriebsantenne 1152 m entfernten Reserveantenne, ergibt je nach Lage des Empfangsorts einen Phasenzeitsprung des Trägersignals bis zu +4(is. Der Träger von DCF77 wird mit Sekundenmarken moduliert. Zu Beginn jeder Sekunde (mit Ausnahme der 59. Sekunde jeder Minute) wird die Trägeramplitude entweder für die Dauer von 0,1 s oder 0,2 s auf etwa 25% abgesenkt. Die fehlende 59. Sekunde soll die folgende Marke als Minutenmarke kennzeichnen. Beim Einfügen einer Schaltsekunde (s. L3.2.2) wird anstelle der 59. die 60. Sekundenmarke weggelassen. Die Zeitmarken sind phasensynchron mit dem Träger. Aufgrund von Ausschwingzeitkonstanten des Senders, von Empfängereigenschaften und von möglichen Interferenzen zwischen Bodenwelle und Raumwelle am Empfangsort liegt die Unsicherheit des Zeitmarkenempfangs im Bereich 0,1ms. Die empfangenen Zeitmarken sind um die Signallaufzeiten zwischen Sende- und Empfangsort und um die Signallaufzeiten im Empfänger zu korrigieren. Fig zeigt den Zeitkode von DCF77. Der Kode ist ein binärer Zehnerkode (BCD), die Sekundenmarken von 0,1 s Dauer entsprechen der binären Null, die von 0,2 s Dauer der binären Eins. Nach einer verlängerten Sekundenmarke 20 erfolgt die Übertragung von Uhrzeit und Datum im Bereich der Sekundenmarken 21 bis 58. Die in jeder Minute übertragene Information gilt jeweils für die der Übertragung folgende Minute. Die Sekundenmarken 28, 35 und 58 übertragen Prüfbits PI, P2 und P3. PI ergänzt das Bitmuster für die Minutenübertragung zu einer geraden Anzahl von Einsen, P2 und P3 ergänzen entsprechend das Bitmuster für die Stunden- und Datumsübertragung (einschließlich des Musters für den Wochentag).

17 1.3.4 Übertragung von Zeitsignalen und Normalfrequenzen 59 Die Sekundenmarken 17 und 18 informieren über die momentan übertragene Zonenzeit (Fig. 1.29). Die Sekundenmarke 16 signalisiert einen Wechsel der übertragenen Zonenzeit. Jeweils eine Stunde vor dem Wechsel wird die 16. Sekundenmarke auf die Dauer von 0,2 s verlängert. Die 15. Sekundenmarke gibt Information über die zur Aussendung benutzte Antenne. Eine Verlängerung auf 0,2 s bedeutet, daß die Aussendung über die Reserveantenne erfolgt. U 1 0,1s 0,2s 13 UTC UTC+1h = MEZ J UTC+2h=MESZ Stunde ^ Fig Schema der kodierten Zeitinformation M Minutenmarke PI, P2, P3 Prüfbits R Antennenbit A Ankündigungsbit für Übergang auf Sommerzeit oder zurück SZ Sommerzeitbit S Startbit der kodierten Zeitinformation (nach Hetzel, 1979) _r UTC+3h Fig Schema der Zonenzeit-Kodierung bei DCF77 mit den Sekundenmarken 17 und 18 UTC Koordinierte Weltzeit MEZ Mitteleuropäische Zeit MESZ Mitteleuropäische Sommerzeit (nach Becker u. Hetzel, 1981) Zusätzlich zur Zeitübertragung mit Hilfe der Amplitudenmodulation wurde 1988 nach mehrjähriger Erprobung definitiv eine weitere Modulationsart durch pseudozufällige Umtastung der Trägerphase von DCF77 eingeführt. Empfängerseitig kann die bekannte pseudozufällige Umtastung als Suchsignal reproduziert werden und mit Hilfe der Kreuzkorrelationsmethode zeitlich mit dem empfangenen Signal synchronisiert werden. Mit dieser Modulationsart wird die zur Aussendung zur Verfügung stehende Bandbreite besser genutzt. Damit wird eine verbesserte Genauigkeit der Zeitübertragung und eine höhere Störsicherheit erreicht. Das Rufzeichen des Senders DCF77 wird stündlich dreimal in den Minuten 19, 39 und 59 durch Tonmodulation des Trägers (250 Hz-Rechteck-Trägerabsenkung von 100% auf 85%) in Morse ohne Unterbrechnung der Zeitmarkenübertragung ausgesendet. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt veröffentlicht monatlich in der Nachrichtentechnischen Zeitschrift (NTZ) ein DCF77-Bulletin, das Informationen über die Aussendungen des Vormonats enthält. Becker (1977) u. (1979), Becker u. Hetzel (1973) u. (1981), Graband u. Schildt (1979), Schildt (1978), Zeitgesetz (1978), Hetzel (1976), (1987) u. (1988) Von DCF77 nachgesteuerte Oszillatoren Die Trägerfrequenz von DCF77 kann zur automatischen Nachsteuerung von Oszillatoren genutzt werden. Hierzu benötigt man einen DCF77-Empfänger und geeignete Regelschaltungen. Sollen

18 Zeit einfache Quarzoszillatoren nachgesteuert werden, dann ist wegen ihrer verhältnismäßig hohen Kurzeitinstabilität eine kleine Regelungszeitkonstante zu wählen. Hieraus folgt, daß ausbreitungsbedingte Frequenzschwankungen der DCF77-Frequenz auf die Oszillatorfrequenz übertragen werden. Bei temperaturstabilisierten hochwertigen Quarzoszillatoren und bei Rubidium-Frequenznormalen kann die Regelzeitkonstante größer gewählt werden, so daß in diesem Fall neben der geringen Kurzzeitinstabilität der Oszillatoren zusätzlich die geringe Langzeitinstabilität von DCF77 zur Verfügung steht. Becker (1973) u. (1975), Becker u. Rohbeck (1975), Hetzel (1975) u. (1979) Literatur zu 1.3 Allan, D. W.; Weiss, M. (1980): Proc. 34th Annual Symp. on Freq. Contr., 334 Allan, D. W.; Leschiutta, S.; Rovera, G. (1970): TV frame pulses used for precision time synchronization and their noise distribution. Alta Frequenza 39, 452 Allan, D.W.; Blair, B. E.; Davis, D.D.; Machland, H. E. (1972): Precision and accuracy of remote synchronization via network television broadcasts, LORAN-C and portable clocks. Metrologia 8, Allan, D.W.; Gray, J. E.; Machland, H.E. (1972): The National Bureau of Standards atomic time scale: Generation, stability accuracy and accessibility. NBS Monographie 140, Arditi, M.; Carver, T. R. (1961): Phys. Rev. 124, 800 Audoin, C.; Vanier, I. (1976): Atomic Frequency Standards and Clocks. Journ. of Physics. E.: Scientific Instruments 2, 697 Azoubib, J.; Grandveaud, M.; Guinot, B. (1977): Estimation of the scale unit duration of time scales. Metrologia 13, Becker, G. (1966): Von der astronomischen zur atom-physikalischen Definition der Sekunde. PTB-Mitt. 76, und Becker, G.; Fischer, B.; Kramer, G.; Müller, E. K. (1967): Die Defmition der Sekunde und die Allgemeine Relativitätstheorie. PTB-Mitt. 77, Becker, G.; Fischer, B.; Kramer, G.; Müller, E.K. (1969): Neukonstruktion eines Cäsiumstrahl- Zeitnormals an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Proc. Int. Congress. Chronom., CIC 1969 AI Becker, G. (1969): Empfangsmethoden für europäische Langwellen-Normalfrequenzsender. PTB-Mitt. 79, Becker, G. (1971): Was ist eine Zeitskala. PTB-Mitt. 81, Becker, G.; Enslin, H. (1972): Genaue Zeit- und Frequenzvergleiche mittels Fernsehbildimpulsen. Frequenz 26, Becker, G.; Hetzel, P. (1973): Kodierte Zeitinformation über den Zeitmarken- und Normalfrequenzsender DCF77. PTB-Mitt. 83, Becker, G. (1973): Ein aperiodischer quasiperiodischer Frequenzteiler. PTB-Mitt. 83, Becker, G.; Fischer, B.; Hetzel, P. (1973): Langzeituntersuchungen über die Unsicherheit von Zeit- und Frequenzvergleichen mittels Längstwellen. PTB-Mitt. 83, Becker, G. (1975): Die Sekunde. PTB-Mitt. 85, Becker, G.; Rohbeck, L. (1975): ein Normalfrequenz-Quarzoszillator nachgesteuert vom Sender DCF77. Elektronik 24, Becker, G. (1975) Schrittregelung für die Mittelung von Zeitsignalen. PTB-Mitt. 85, Becker, G. (1976): Neues über Zeit, Frequenz und Länge. Kleinheubacher Berichte 19, Becker, G. (1977): Mitteilungen über den Sender DCF77. PTB-Mitt. 87, 542 Becker, G. (1979): Die Feldstärke des Zeitsignal- und Normalfrequenzsenders DCF und 17. PTB- Seminar, Zeit und Frequenz. PTB-Me-23, Becker, G.; Hübner, U. (1979): The Generation of Time Scales. Radio Science 14, Becker, G. (1980): Fortschritte auf dem Gebiet der Zeitskalen. Teil I PTB Mitt. 90, 7-13 Becker, G.; Hetzel, P. (1981): Information über DCF77: Status der Aussendung, Zeitkode, Zonenzeitkodierung. PTB-Mitt. 91, Besson, R. J. (1987): Proc. 1st Europ. Freq. and Time Forum Neuchätel, 20 Blair, B. E. (1974): Time and Frequency: Theory and Fundamentals. NBS Monograph 140, CCIR (1978): XlVth Plen. Ass. Kyoto, Int. Telecomm. Union, Vol VII CCIR (1978): XlVth Plen. Ass. Kyoto, Int. Telecomm. Union, Vol VII 13

19 Literatur zu CCIR (1978): XIVth Plen. Ass. Kyoto, Int. Telecomm. Union, Vol VII CCIR (1986): XVIth Plen. Ass. Dubrovnik, Int. Telecomm. Union, Vol VII CCIR (1990): XVIIth Plen. Ass. Düsseldorf, Int. Telecomm. Union, Annex Vol VII CGPM: Comptes rendus des seances de la 1P Conf. Gen. des Poids et Mesures. Paris (1960): Gauthier-Villars (1961), S. 86 CGPM: Comptes rendus des seances de la 14' Conf. des Poids et Mesures, Paris (1971), Gauthier-Villars Chi, A. R.; Byron, E. (1975): A two-way time tansfer experiment using a synchronous satellite. Proc. 7th Annual PTTI, CIPM (1957): Proc.-Verb. Com. int. Poids Mes. 25, 77 Crampton, S.B. (1989): Frequency Standards and Metrology. Springer-Verlag, 52 Drullinger, R. E.; Shirley, J. H.; Glace, D. J.; Holberg, L. (1989): Frequency Standards and Metrology, Springer-Vedag, 116 Easton, R. (1972): The role of time/frequency in Navy navigation satellites. Proc. IEEE 60, Enslin, H. (1965): Die Entwicklung der bürgerlichen Zeit seit Dt. Uhrmacher-Z., , Fischer, B. (1979): Übersicht über die Eigenschaften von Zeit- und Frequenznormalen. 12. und 17. PTB- Seminar Zeit und Frequenz. PTB-Me-23, Gatterer, L. E.; Bottone, P. W.; Morgan, A. H. (1968): Worldwide clock synchronization using a synchronous satellite. IEEE Trans, on Instr. and Meas. IM-I7, 372 Gerber, E. A.; Sykes, R. A. (1974): Theory and Fundamentals (Blair, B. E., Ed) NBS Monograph, 140 Gerber, E. A.; Sykes, R. A. (1967) IEEE 55, 783 German, S.; Draht, P. (1979): Handbuch SI-Einheiten. Braunschweig: Vieweg Gesetz über die Zeitbestimmung (1978): (Zeitgesetz-Zeit G). Bundesgesetzblatt Glace, D.J.; Hellwig, H.; Allan, D.W.; Jarvis, S. (1977): NBS-IV and NBS-VI: The NBS Primary Frequency Standards. Metrologia 13, Graband, M.; Schildt, G. H. (1979): Räumliche Verfügbarkeit und Einflüsse von Störungen beim Empfang des Signals des Zeitzeichen- und Normalfrequenzsenders DCF und 17. PTB-Seminar, Zeit und Frequenz, PTB-Me-23, Guinot, B.; Lewandowski, W. (1988): Proc. 2nd Europ. Freq. and Time Forum (EFTF) Neuchäatel, 187 Hafner, E. (1969): IEEE 57, 179 Hellwig, H. (1974): Atomic Frequency Standards: A Survey, Proc. 28th Ann. Symp. on Freq. Contr., Ft. Monmouth, Hellwig, H. (1977): Frequency Standards and Clocks. A Tutorial Introduction NBS Technical Note 616 Hetzel, P. (1976): Die technischen Einrichtungen zur Steuerung des Zeitsignal- und Normalfrequenzsenders DCF77. Jb. D. Ges. Chronom. 27, Hetzel, P. (1978): Digitale Phasennachführung in Schritten von 10ns. Kleinheubacher Berichte 21, Hetzel, P (1979): Empfang der Normalfrequenz des Trägers von DCF und 17. PTB-Seminar, Zeit und Frequenz, PTB-Me-23, Hetzel, P. (1987): Zeitübertragung auf Langwelle durch amplitudenmodulierte Zeitsignale und pseudozufällige Umtastung der Trägerphase. Diss. Uni Stuttgart Hetzel, P. (1988): Mitteilung über den Zeitsignal- und Normalfrequenzsender DCF77 und sein aktuelles Sendeprogramm. Funkuhrtechnik, München, Wien: Oldenburg-Verlag, Hetzel, P. (1988): Versuche zur Zeitübertragung durch pseudozufällige Phasenumtastung des Trägers von DCF77. Funkuhrtechnik, München, Wien: Oldenburg-Vertag, Hübner, U.; Hetzel, P. (1978): Zweiweg-Zeitvergleich mit dem Satelliten Symphonie. Kleinheubacher Berichte 21, Kartaschoff, P. (1978): Frequency and Time. London, New York, San Francisco: Academic Press Kitching, I. D.; Daly, P (1989): Proc. 3rd Europ. Freq. and Time Forum (EFTF), Besan<;on, 121 Kovalevsky, I. (1965): Astronomical Time. Metrologia 1, Kramer, G. (1970): LORAN-C timing receivers. Frequency Technol. 8, Laidet, L. M. (1972): Woridwide synchronization using the TRANSIT satellite system. Proc. IEEE 60, Lewandowski, W.; Weiss, M. A.; Davies, D. (1987): Metrologia 24, 181 Mungall, A.G.; Daams, H.; Morris, D.; Costain, C.C. (1976): Performance and Operation of the NRC Primary Cesium Clock CsV. Metrologia 12, Nau, H. (1988): Funkuhrentechnik, München, Wien: Oldenburg-Verlag, 235