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Blick auf die Einrichtungen zur Aussendung des DCF77 Signals in Mainflingen: Senderhaus, (Hintergund), Antennenhaus (Klinker) und Antennenanlage.

GPS-Zeitvergleiche

Die Realisierung der Koordinierten Weltzeit UTC erfolgt in Zusammenarbeit von etwa 50 weltweit verteilten Zeitinstituten und dem Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM), in Sèvres. Grundlage dieser Zusammenarbeit ist der regelmäßige Vergleich der in den einzelnen Instituten (k) realisierten Atomzeitskalen UTC(k). Seit zwei Jahrzehnten werden hierfür spezielle GPS-Zeitempfänger verwendet. Ursprünglich am National Bureau of Standards, USA, (heute National Institute of Standards and Technology, NIST) entwickelt, wurden sie später industriell gefertigt und weiter entwickelt.

GPS: Überblick, Signal

Das NAVSTAR Global Positioning System GPS ist ein militärisches Satellitennavigationssystem, bestehend aus dem Raumsegment (24 Satelliten in 6 Bahnebenen, 55° Inklination, 20183 km Bahnhöhe, 2 Umläufe während eines siderischen Tages) und dem Kontroll-Segment (5 Monitor-Stationen, Master Control Station in Colorado, USA). Die primäre Nutzung des GPS-Signals liegt natürlich in der Positionsbestimmung. Daneben hat sich GPS als hervorragendes Hilfsmittel zur Zeitverbreitung und zum Vergleich von Zeitskalen entwickelt, was aus der Qualität der verfügbaren Signale sofort einsichtig wird. In jedem Satelliten liefert eine Atomuhr (basierend auf Rubidium oder Caesium) ein 10,23 MHz Referenzsignal. Jeder Satellit sendet Navigationssignale auf den Frequenzen L1 und L2 (L1 = 1575,42 MHz = 10,23 MHz × 154, L2 = 1227,6 MHz = 10,23 MHz ×120). Auf beiden Trägerfrequenzen werden pseudo-zufällige Rauschkodes (PRN-codes, von engl. pseudo-random noise) übertragen, in denen die für die Navigation und Zeitübertragung relevanten Informationen verschlüsselt sind. Das L1-Signal ist mit dem P-Code (P für precision, chip-rate 10,23 MHz, Wiederholrate 267 Tage) und dem C/A-Code (C/A für coarse/aquisition, Chip-Rate 1,023 MHz, Wiederholrate 1 ms), das L2-Signal mit dem P-Code moduliert. Jeder Satellit sendet einen für ihn charakteristischen Kode, der mit der jeweiligen Satellitenuhr synchronisiert ist. In einem GPS-Empfänger wird ein zum empfangenen PRN-Signal gleichartiges, mit der Empfängeruhr synchronisiertes, PRN-Signal erzeugt. Dieses wird zeitlich solange verschoben, bis bei einem zeitlichen Versatz τPR maximale Korrelation zwischen beiden PRN-Signalen erkannt wird. Die Größe τPR × c (c = Lichtgeschwindigkeit) wird auch als pseudo-range bezeichnet, da sie den scheinbaren Abstand zwischen Satellit und Empfänger angibt.
Erst nach dem Auffinden der maximalen Korrelation kann die eigentliche Übertragung von Daten zum Empfänger stattfinden, die für die Interpretation des gefundenen Wertes τPR notwendig ist. Die L1- und L2-Signale sind kontinuierlich mit einer Modulationsrate von 50 bit/s in sog. “Rahmen“ von 1500 bit moduliert. Die vollständige Navigationsnachricht ist in 25 Rahmen enthalten, deren Übertragung 12,5 Minuten erfordert. Sie enthält u.a. die Beziehung zwischen der individuellen Satellitenuhr und der Systemzeit T(GPS) (s.u.), die Satellitenpositionen (Ephemeriden), aktuelle Parameter der Ionosphäre und den sog. Almanach, den Katalog der verfügbaren Satelliten mit ihren Bahndaten.

GPS Systemzeit

Die GPS-Systemzeit wird von dem Uhrenensemble der Monitor-Stationen abgeleitet. Es handelt sich um eine kontinuierliche Zeitskala ohne Schaltsekunden mit 00:00 h UTC(USNO), 6.1.1980 als Nullpunkt (USNO: United States Naval Observatory, Washington DC). Der Zeitunterschied T(GPS)-UTC(USNO) beträgt Ende 2004 13 s, davon abgesehen liegen die Abweichungen deutlich unter 100 ns. UTC(USNO) und das vom BIPM publizierte UTC weichen typisch um weniger als 30 ns voneinander ab.
Die Navigationsnachricht enthält sowohl die Zeitdifferenz in ganzen Sekunden zwischen T(GPS) und UTC(USNO), die sich bei der Einführung einer Schaltsekunde in UTC jeweils um eine Sekunde ändert, als auch die für den aktuellen Zeitpunkt vorhergesagte restliche Zeitdifferenz T(GPS)-UTC(USNO) (in Nanoskunden). Mit diesen Informationen stellt das GPS-Signal ein weltweit einheitliches Zeitsignal dar, das zur Datierung ebenso wie zur Regelung von Normalfrequenzoszillatoren verwendet werden kann. Hierfür ist eine umfangreiche Palette kommerzieller Geräte auf dem Markt erhältlich.

GPS Zeitübertragung

Für die Durchführung von Zeitvergleichen wird in jedem Zeitinstitut (k) ein GPS-Empfänger mit UTC(k) synchronisiert. Dann ergibt sich die Zeitdifferenz UTC(k) - T(GPS) aus der primären Messgröße τPR durch

UTC(k) - T(GPS) = τPR - (R/c + τS+ τIT) τL+ τSV   (1)

Dabei sind

    R :

    Abstand zwischen Satellit und GPS-Antenne, berechnet aus der übermittelten Satellitenposition und der als bekannt angenommenen Antennenposition,

    c :

    Lichtgeschwindigkeit,

    τS :

    Korrektion bezüglich der Erddrehung während der Zeit R/c (Sagnac-Effekt),

    τI : Laufzeitvergrößerung durch den von 1 abweichenden Brechungsindex der Ionosphäre für elektromagnetische Wellen der L1 bzw. L2-Frequenzen,
    τT : ähnlich τI, hier hervorgerufen durch die Troposphäre, jedoch frequenzunabhängig (im Bereich L1, L2) und wird über ein Modell (per Software) berechnet,
    τL : interne Laufzeit des GPS-Signals zwischen Antenne und Messeinrichtung zur Bestimmung von τPR,
    τSV : vorhergesagte Zeitdifferenz der individuellen Satellitenuhr und T(GPS) zum Zeitpunkt der Messung.

Die Korrekturterme, außer τL, können aus den Informationen in der Navigationsnachricht berechnet werden, τL muss duch Kalibrierung bestimmt werden. Wenn beispielsweise zwei Institute a und b Zeitdifferenzen nach Gleichung 1) aus Beobachtungen aller Satelliten während eines Tages ermitteln und die Ergebnisse austauschen, so erlaubt das die Berechnung der mittleren Zeitdifferenz UTC(a) - UTC(b).

Selective Availability

Mit dem Begriff „selective availability“ (SA) wird die Option bezeichnet, in der oben genannten Navigationsnachricht deterministisch falsche Information zu übermitteln, die von ausgewählten (militärischen) Empfängern wieder korrigiert wird, bei zivilen Empfängern aber zu einer verminderten Genauigkeit führt. Viele Jahre lang wurde die übermittelte Beziehung zwischen Satellitenuhr und GPS-Systemzeit von dieser Maßnahme betroffen. In der Zeitübertragung konnte die SA dadurch umgangen werden, dass im sog. „common view“ Verfahren die zwei Institute a und b, um im Beispiel zu bleiben, die Messgröße (1) unter Verwendung des gleichen Satelliten zum auf die Sekunde gleichen Zeitpunkt ermitteln. Die NBS-Typ-Einkanal Zeitempfänger wurden dementsprechend aufgebaut, und die Beobachtungszeit pro Satellit wurde mit 13 Minuten genau so gewählt, dass die komplette Navigationsnachricht währenddessen empfangen werden kann.

Der CV-Modus macht auch ohne SA Sinn, weil dann in jedem Fall τSV in (1) für beide Stationen gleich ist und in der Differenzbildung herausfällt. Solange SA aktiviert war (bis einschließlich 1. Mai 2000), war der CV-Modus praktisch unverzichtbar.

Moderne GPS Zeitempfänger besitzen mehrere parallel ausgewertete Kanäle, so dass in einem vorgegebene Zeitfenster die Zeitdifferenz zwischen zwei Instituten über bis zu 6 Satelliten innerhalb Europas und bis zu 4 Satelliten zwischen Europa und Amerika ermittelt werden kann.