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

Zweiweg Zeit- und Frequenzvergleiche (TWSTFT)

Bild: Mit der TWSTFT Station auf dem Dach des Laue-Baus der PTB wird die Zeitskala UTC(PTB) mit entsprechenden Zeitskalen von Instituten in Europa und USA verglichen.

Sogenannte Zwei-Weg Zeitvergleiche (TWSTFT, aus dem englischen für two-way satellite time and frequency transfer) stellen das vom Prinzip her genaueste Verfahren dar, Zeitskalen weit entfernter Zeitinstitute miteinander zu vergleichen. Die beteiligten Institute vereinbaren, paarweise gleichzeitig Signale über einen geostationären Telekommunikationssatelliten auszutauschen. Dazu werden auf beiden Seiten Sende- und Empfangseinrichtungen benötigt, das Foto zeigt die entsprechende Station auf dem Laue-Bau der PTB. TWSTFT wurde schon in den frühen achtziger Jahren vorgestellt, doch erst in den letzten Jahren ist mit der Weiterentwicklung der Atomuhren TWSTFT als unverzichtbare Technik erkannt und weltweit eingeführt worden. Das BIPM nutzt eine Reihe von TWSTFT Verbindungen für die Berechnung der internationalen Atomzeit TAI.

Das Verfahren

Stationen (1) und (2) senden zu vereinbarten Zeitpunkten gleichzeitig Signale über einen geostationären Satelliten und bestimmen jeweils die Zeitdifferenz zwischen Aussendung des Signals und Empfang des Signals von der Gegenseite. Sofern die Signale tatsächlich gleichzeitig unterwegs sind, ergibt sich aus der Differenz der Messwerte die gesuchte Zeitdifferenz praktisch unabhängig von der Position der Stationen und des Satelliten. Bei einer Messzeit von einer bis zwei Minuten wird mit der gegenwärtig verwendeten Technik eine statistische Messunsicherheit von deutlich unter einer Nanosekunde erreicht. Sofern die Laufzeiten in den beiden Bodenstationen kalibriert wurden, ist eine Angabe der Zeitdifferenz T1 - T2 mit einer Unsicherheit von weniger als einer Nanosekunde möglich. Einzelheiten zur Verarbeitung und Auswertung der Datei findet man in einem kürzlich erschienenen BIPM Report.

Ermittlung der Messgrößen

Bild: Prinzip von TWSTFT

Vor- und Nachteile von TWSTFT

Vorteile:

  • Geringe Messunsicherheit
  • Verfügbarkeit des Messergebnisses quasi in Echtzeit
  • Genaue Kenntnis der Stationskoordinaten und der Satellitenbewegung nicht erforderlich

Nachteile:

  • Aufwändige Ausrüstung in jeder Station notwendig (Kosten: ca. 100 000 €)
  • Sendegenehmigung und Zulassung der Station notwendig
  • Transponder muss vom Satellitenbetreiber zur Verfügung gestellt werden (z. Teil mit hohen Kosten verbunden)