Zeitlabor

DLR Zeitlabor und seine Aufteilung in Räume und Messsysteme

In Satellitennavigationssystemen werden die Entfernungen zwischen den Satelliten und dem Empfänger aus den Einweglaufzeiten der jeweiligen Satellitensignale berechnet. Die Signale breiten sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit c = 2.99762458 e8 m/s aus. In 1 Nanosekunde (= 0,000 000 001s = 10-9 s) legt das Signal bereits eine Strecke von etwa 30 cm zurück. Auf Grund der hohen Genauigkeitsanforderungen an die Satellitennavigationssysteme von wenigen Metern wird eine sehr stabile Systemzeit benötigt. Die Erzeugung stabiler Systemzeiten aus mehreren Atomuhren ist unter anderem ein Themengebiet, das mit Hilfe des Zeitlabors im DLR bearbeitet wird.

Das Zeitlabor ist in 3 separate Laborräume aufgeteilt, die alle klimatisiert sind und durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung gespeist werden. Im Uhrenraum werden hochgenaue Atomuhren (3 aktive Wasserstoff-Maser und 2 passive Wasserstoff-Maser) betrieben. Durch den separaten Raum wird sichergestellt, dass die empfindlichen Uhren nicht durch äußere Einflüsse beeinträchtigt werden. Im UTC-Labor werden 3 Cs-Uhren und GPS-Zeitempfänger betrieben. Eine dieser Cs-Uhren stellt UTC(DLR) dar und realisiert die Anbindung and die Weltzeit UTC. Die Signale aller Atomuhren werden in das Zeitlabor geführt und dort auf verschiedene Messsysteme verteilt.

Die Zeitdifferenzen der 1PPS Signale (ein Puls pro Sekunde, Rechtecksignal) gegenüber der Referenzuhr werden mit einem Zähler (TIC, Time Interval Counter) gemessen und abgespeichert. Ein Umschalter verbindet nacheinander die Signale der Atomuhren mit dem Zähler, so dass nacheinander die Differenzen aller Atomuhren zur Referenzuhr gemessen werden. So werden die Zeitdifferenzen von jeder Uhr im 100-Sekunden-Takt aufgezeichnet. Diese Messwerte werden dann zur Generierung von neuen Zeitskalen (Ensemble-Zeit) benützt.
Die Phasenkomparatoren messen die Änderung der Phasenlagen der 5/10 bzw. 100MHz Sinussignale der Atomuhren gegenüber einer Referenzuhr. Diese Phasenmessungen werden zur Überprüfung der Stabilität der Atomuhrensignale verwendet.
Mit Hilfe der sogenannten Common View Methode kann ein Zeittransfer zwischen Atomuhren weltweit verteilter Bodenstationen realisiert werden. Dazu werden in den Stationen die Signale der jeweiligen Atomuhr an einen GPS Zeitempfänger angeschlossen, der die Zeitdifferenzen zwischen der Atomuhr und den jeweiligen Satellitenuhren misst. Bei der Differenzbildung der Messdaten beider Stationen kann dann die direkte Differenz der beiden Atomuhren berechnet werden.

"Commen View" Methode

Das DLR Zeitlabor unterteilt sich in einen experimentellen und in einen operationellen Teil. Im experimentellen Betrieb des Zeitlabors werden folgende Untersuchungen durchgeführt:

• Diverse Untersuchungen bzgl. Galileo PTF (Precise Timing Facility)
• Untersuchungen bzgl. Zeitsynchronisation mit Hilfe eines Micro Phase Steppers
• Generierung einer Systemzeit aus mehreren Uhren zusammen (Ensemble-Zeit)
• Verifikation von Systemzeit Algorithmen (Composite Clock) mit echten Messdaten
• Vermessung und Kalibrierung von Atomuhren
• Zeittransferuntersuchungen

Der operationelle Betrieb des Zeitlabors besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden die Common View Messdaten der high performance Cs-Uhr zur Berechnung der Weltzeit UTC (Universal Time Coordinated) erstellt. Mit Hilfe eines GPS Zeitempfängers werden hierbei die Zeitunterschiede zwischen den GPS Satellitenuhren und der lokalen Cs-Uhr gemessen. Diese Daten werden dann zum BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) in Paris geschickt. Dort wird zusammen mit anderen Messdaten, die von weltweit verteilten Atomuhren gesammelt werden, die Weltzeit UTC berechnet. Im Anschluss daran werden die Zeitdifferenzen der beitragenden Atomuhren gegenüber der UTC ausgegeben. Durch diese bekannte Zeitdifferenz kann die im DLR erzeugte Zeitskala UTC(DLR) sehr genau an die berechnete UTC angebunden werden.
Im zweiten Teil des operationellen Betriebs wird die Systemzeit für GATE (Galileo Test Environment in Berchtesgaden) zur Verfügung gestellt.