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Weil jeder Bruchteil einer Sekunde zählt 

Arbeitsweise und Genauigkeitsvergleich DCF77 und GPS Zeitempfänger

1. Arbeitsweise DCF77 Sender-Empfänger

Der Zeitcode-Sender DCF77 strahlt im Langwellenbereich auf 77,5 kHz eine Zeitzeichen- und Zeitcodeinformation ab. Die Zeitinformationen werden durch Absenkung der Trägerleistung auf 25% des Normalwertes dargestellt (Amplitudenmodulation). Der Beginn jeder Absenkung kennzeichnet den Beginn einer Sekunde. Die Dauer der Absenkung beträgt 0,1 sec für eine logische "0" und 0,2 sec für eine logische "1".

Während einer Minute werden ab der 20. Sekunde die BCD-Wertigkeiten für Minuten, Stunden, Wochentag, Monat und Jahr übertragen. Als Synchronisationsmarke wird die 59. Sekunde nicht abgesenkt.

Die abgestrahlte Leistung fällt nicht sofort auf den 25%-Wert ab. Dieser Wert wird wegen der hohen Resonanzgüte der Antenne erst nach 600-800 µsec erreicht.

Die Ungenauigkeit der abgestrahlten Trägerfrequenz beträgt:

 

Da die Trägerfrequenz sowie die Steuerung der Trägerabsenkung dieselbe Quelle haben, gilt obige Ungenauigkeit auch für den Beginn der Absenkung der Sekundenmarken.

Das DCF77-Signal wird in den meisten Fällen von einer abgestimmten aktiven Ferritantenne empfangen und einem Geradeaus-Empfänger zugeleitet. Durch Gleichrichtung und Glättung des Signals erhält man das dekodierte DCF77-Signal als Impulstelegramm.

2. Störquellen

Die Übertragung des Zeitcode liegt im Langwellenbereich und erfolgt durch Amplitudenmodulation, sie kann dadurch leicht gestört werden. Zu den vielfältigen Störquellen gehören atmosphärische Störungen wie z.B. Gewitter auf der Übertragungsstrecke zum Empfänger. Bei Gewitter am Sendestandort wird die Abstrahlung für die Dauer des Gewitters ganz eingestellt. Dies kann bis zu einigen Stunden dauern.

Störungen am Empfangsort werden hauptsächlich von Motoren, Datensichtgeräten, Monitoren, Korona-Entladungen an Hochspannungsleitungen, schaltende Schütze usw. verursacht. Der Standort der Antenne muß daher mit größter Sorgfalt ausgesucht werden. Eine weitere Möglichkeit Störungen zu unterdrücken besteht durch den Einsatz von schmalbandigen Empfängern.

Hinweis: Schmalbandigkeit und Genauigkeit schließen sich gegenseitig aus!

3. Genauigkeiten DCF77

Beim DCF77-Signal muß man zwischen Kurzzeit- und Langzeitgenauigkeit unterscheiden.

Betrachtet man die dekodierte Sekundenmarke, so kann diese bei der üblichen Auswertetechnik zwischen +5 bis +150 msec von der absoluten Sekundenmarke abweichen. Abhängig ist dies in erster Linie von der Antenne sowie von den eingesetzten Signalfiltern und der Signalgleichrichtung. Es werden zur Störunterdrückung schmalbandige Antennen sowie sehr schmalbandige Quarzfilter eingesetzt. Dies hat bei der Signalabsenkung eine lange Ausschwingzeit zur Folge. Die zur Impulsgewinnung eingesetzte Gleichrichtung verzögert diese Flanke noch weiter.

Bei Uhren für den Hausgebrauch ist diese Genauigkeit vollkommem ausreichend. Hierbei ist nur die Langzeitgenauigkeit interessant. Nach einem Jahr beträgt die Sekundenabweichung nach wie vor +5 bis +150 msec.

Im Industriebereich sind diese Abweichungen in vielen Fällen nicht tragbar. Um genauere Sekundenmarken zu erzielen, muß sowohl die Antenne als auch der Empfänger breitbandiger aufgebaut sein. Für Werte zwischen +5 bis +15 msec sind Bandbreiten von etwa 4 kHz für die Antenne notwendig. Dies bedeutet aber auch, daß die Antenne wesentlich mehr Störsignale an die Elektronik weiterleitet und die Empfangselektronik häufig einen Minutenzyklus nicht auswerten kann. Bei den Vergleichen mit den Uhren für den Hausgebrauch wird diese Störanfälligkeit irrtümlich als zu geringe Empfindlichkeit interpretiert.

Grundsätzlich kann man nochmals festhalten:

Kurzzeitgenauigkeit und hohe Störsicherheit schließen sich bei DCF77 gegenseitig aus.

Durch die Umsetzung von einem amplitudenmodulierten Signal in ein frequenzmoduliertes Signal wird eine akzeptable Genauigkeit erreicht.

Bei einer DCF77-Sekundenabsenkung ändert sich die Frequenz von etwa 500 Hz auf 400 Hz. Im Auswerteprozessor wird die Impulsbreite jeder Frequenzschwingung gemessen und abgespeichert. Nachträglich wird dann zurückverfolgt, ab welcher Schwingung sich die Impulsbreite verändert hat. Dieser Punkt wird als Sekundenmarke interpretiert. Die erreichbare Genauigkeit liegt hierbei bei einer Impulsbreite, das entspricht etwa ± 2 msec. Die Auswertung verfolgt die Sekundenmarken über 1 Minute und stellt dadurch Tendenzen fest. Die berechneten Sekundenmarken liegen z.B. im Mittel tendenziell früher als in der Minute davor. Daraus werden zwei Regelgrößen abgeleitet.

Die Quarzfrequenz kann dadurch auf ± 2 ppm Ungenauigkeit für den Freilauf der Uhr nachgeregelt werden.

Weitere Ungenauigkeiten können durch die Laufzeiten vom Sender zum Empfänger auftreten. Bei konstanter Entfernung kann bei reinem Bodenwellen-Empfang eine Konstante eingerechnet werden. Von der Empfangsseite nicht zu beeinflussen sind zeitliche Schwankungen bei reinem Raumwellenempfang. Durch die Höhenvariation der spiegelnden oder beugenden Schicht der Ionosphäre gehen Höhenschwankungen voll in die Zeitschwankungen ein. Ähnlich verhält es sich im Überschneidungsbereich zwischen Boden- und Raumwelle. Dieser Bereich ist nicht konstant, sondern variiert im Laufe des Tages zwischen 600 bis 1200 km vom Sendeort. Hierdurch kann es an einem festen Ort zusätzlich zu absoluten Zeitschwankungen kommen, die bei einigen Millisekunden liegen.

4. Arbeitsweise GPS

Beim Einsatz des GPS-Systems als Zeitgeber ist ein weltweiter Einsatz mit höchster Präzision möglich. In ca. 20000 km Höhe bewegen sich auf 6 unterschiedlichen Bahnen Satelliten 2 x am Tag um die Erde. Auf jeder Bahn befinden sich 3 Satelliten. An Bord eines jeden Satelliten befinden sich 2 Atomuhren mit einer Genauigkeit von min. 1 x 10 -12.

Die Satelliten senden kontinuierlich auf einer Frequenz von 1,57542 GHz ihre Bahnpositionen sowie die GPS-Weltzeit alle zum selben Zeitpunkt aus. Von einer GPS-Antenne werden die Daten von den Satelliten empfangen, die im Sichtbereich der Antenne liegen. In einem 6 bis 12 kanaligen GPS-Empfänger werden diese Daten nun ausgewertet. Aus den Werten wird zunächst die Position der Empfangsantenne bestimmt. Ist die Position berechnet, so können danach die Laufzeiten der Sendeinformationen von den einzelnen Satelliten bestimmt werden.

Aus der GPS-Zeitinformation und den Mittelwerten der Laufzeiten wird nun die GPS-Weltzeit (GPS-UTC) mit einer Genauigkeit von ± 1 µsec zusammengesetzt. Die Genauigkeit der Zeitbestimmung ist in erster Linie von der Genauigkeit der Positionsbestimmung abhängig, weil daraus die genaue Laufzeit bestimmt wird.

Aus GPS-UTC wird durch Subtraktion der Schaltsekunden die Weltzeit UTC berechnet. Die Schaltsekunden bieten die Möglichkeit, eine Ungenauigkeit der Erdrotationsgeschwindigkeit auszugleichen. Die Korrektur kann automatisch erfolgen, da die Satelliten die Differenzinformation mitsenden.

Aus UTC kann nun durch Addition oder Subtraktion eines Zeitoffsets die lokale Zeit präzise berechnet werden.

5. Störquellen

Bedingt durch die hohe Sendefrequenz von 1,57542 GHz kann das GPS-Signal nahezu nicht gestört werden. Für die Signalaufbereitung können sehr schmalbandige Antennen und Filter eingesetzt werden, da die Informationen bei konstanter Amplitude in der Phasenmodulation übertragen werden.

Atmosphärische Störungen wie Gewitter sind in den Höhen nicht vorhanden. Zeitverschiebungen, allerdings nur im Pikosekundenbereich, können durch die atmosphärischen Schichtübergänge entstehen. Zur 3D-Positionsberechnung werden die Daten von 4 Satelliten verwendet. Bei freier Sicht der Antenne zum Horizont sind durchschnittlich 7 bis 9 Satelliten sichtbar. Die Verfügbarkeit der Zeitinformation ist dadurch 100 %. Selbst bei einer Abdeckung der Hälfte der Sichtbereiches beträgt die Verfügbarkeit noch 90 bis 95 %. Bedingt durch die geringe Sendeleistung der Satelliten und der hohen Frequenz sind nur kurze Kabelwege von Antenne zur Elektronik möglich, da sonst die Signale aus dem Kabelrauschen nicht mehr ausgefiltert werden können.

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung kann durch die militärischen Kontrollbodenstellen für die Satelliten zeitweilig verändert werden. Einige Satelliten senden dann falsche Bahndaten, aus denen die Laufzeit der Daten falsch berechnet wird. Der Fehler für die Zeitberechnung kann dann einige µsec betragen.

6. Genauigkeiten bei GPS

Die Genauigkeit der einzelnen Sekundenmarke ist im Gegensatz zu DCF77 an jedem Ort gleich und beträgt bei Standard GPS-Empfängern mit Auswertung der Zeitmarke etwa ± 1 µsec. Dadurch können Standardquarze für die Freilaufeigenschaften der Uhr auf ± 0,1 ppm nachgeregelt werden. Ferner ist auch eine wesentlich feinere Nachregelung der Sekundenmarke möglich. Noch bessere Freilaufeigenschaften werden beim Einsatz von ofen- oder temperaturstabilisierten Quarzen erreicht, hierbei werden Werte von 0,1 bis 2,0 ppb erreicht.

Bei reinen GPS-Positionsempfängern, wie sie für den privaten Bereich Segeln, Wandern usw. angeboten werden, ist die Zeitmarke nicht genauer als bei DCF77.

Mit GPS wird daher eine hohe Kurzzeit- und Langzeitgenauigkeit erzielt.

7. Aussichten

GPS wird in Zukunft im Industriebereich, wo es auf sehr präzise Zeitmarken ankommt, die DCF77-Systeme verdrängen. Der schnelle weltweite Einsatz von GPS bewirkte, daß die Preise seit 1990 für GPS-Empfänger mit Zeitauswertung von 20.000$/Stck auf unter 1.000 $/Stck gefallen sind.

Da GPS auch im Automobilsektor an Bedeutung gewonnen hat und zu einem nicht mehr wegzudenkenden Industriefaktor in Amerika geworden ist, wurde die reine militärische Anwendung des Systems auf den 2. Platz verwiesen. Es ist nicht damit zu rechnen, daß das System in den nächsten 20 bis 30 Jahren ohne entsprechenden Ersatz gestrichen wird.

8. Merkmale GPS und DCF77

8.1 Einsatzgebiet

GPS: weltweit
DCF77: max. 2000 km um Frankfurt

8.2 Antennen

GPS: Nur Außenantennen möglich. Es ist daher ein erhöhter Aufwand für Blitzschutzmaßnahmen notwendig. Ferner sollte der Antennenkreis potentialfrei ausgeführt sein, da bei Blitzschutzmaßnahmen der Antennenmantel geerdet wird und es daher zu Stromschleifen kommen kann. Das Antennenkabel ist standardmäßig wegen der hohen Frequenz und der geringen Empfangsleistung auf 25 m begrenzt. Mit Spezialkabel und Leitungsverstärker sind Kabellängen bis 200 m erreichbar.
DCF77: Es sind Außen- und Innenantennen möglich. Mit Standardkabel können bis zu 500 m von Antenne zur Elektronik überbrückt werden. Bei Außenantennen ist auch hier auf Blitzschutz und potentialgetrennten Antennenkreis zu achten.

8.3 Auswertung

GPS: Die Auswertung der hohen Frequenz sowie der geringen Empfangsleistung können noch nicht durch Standardbauelemente abgedeckt werden. Es sind noch hochwertige Spezialbausteine sowie Prozessoren mit hoher Rechenleistung notwendig. Durch den weltweiten Einsatz ist hier aber in nächster Zeit mit einem großen und preiswerten Angebot zu rechnen.
DCF77: Die Auswertung ist durch einfache Standardbauelemente zu realisieren. Für den Hausgebrauch stehen preiswerte Uhren weit unter 50 Euro zur Verfügung.

8.4 Störsicherheit

GPS: Wegen der hohen Frequenz und der Phasenmodulation des Signals ist eine große Störsicherheit gewährleistet. Das Signal ist sehr schwer zu simulieren.
DCF77: Wegen der niedrigen Frequenz und Amplitudenmodulation des Signals sind vielfältige Störmöglichkeiten durch atmosphärische, magnetische und elektrische Störquellen gegeben. Das Signal ist leicht zu simulieren.

8.5 Genauigkeit

GPS: Hohe Kurzzeitgenauigkeit mit Zeitauswertung-Programm von ± 1 µsec. Gute Regeleigenschaften für Freilaufquarze (Standard ± 0,1 ppm).
DCF77: Schlechte Kurzzeitgenauigkeit, standardmäßig +5 bis +25 msec, mäßige Regeleigenschaften für Freilaufquarze ± 2 ppm erreichbar.

8.6 Begriffe

DCF77: Deutscher Langwellensender Frankfurt, Frequenz 77,5 kHz
GPS: Global Positioning System, Satelliten gestütztes Navigationssystem, Sendefrequenz 1,57542 GHz für den kommerziellen Bereich
UTC: Universal Time Coordinated, koordinierte Weltzeit, früher GMT
GPS-UTC: kontinuierliche Weltzeit ohne Schaltsekundenkorrektur
GHz: 1 Milliarde Hertz
ppb: part per billion = 1 * 10 -9 z.B. Zeitfehler 1 ppb = 0,0864 msec am Tag
ppm: part per million = 1 * 10 -6 z.B. Zeitfehler 1 ppm = 86,4 msec am Tag
msec: 1 Tausendstel Sekunde
µsec: 1 Millionstel Sekunde
3D: Dreidimensionale Positionsauswertung, Längengrad, Breitengrad und Höhe

Verfasser: B. Rega
Firma: hopf Elektronik GmbH