Das Prinzip der Orts- und Zeitbestimmung mit Hilfe eines GPS-Empfängers beruht auf einer möglichst genauen Messung der Signallaufzeit von den einzelnen Satelliten zum Empfänger. 21 aktive GPS-Satelliten und drei zusätzliche Reservesatelliten umkreisen die Erde auf sechs Orbitalbahnen in 20.000 km Höhe einmal in ca. 12 Stunden. Dadurch wird sichergestellt, daß zu jeder Zeit an jedem Punkt der Erde mindestens vier Satelliten in Sicht sind. Vier Satelliten müssen zugleich zu empfangen werden, damit der Empfänger seine Position im Raum (x, y und z) und die Abweichung seiner Uhr von der GPS-Systemzeit ermitteln kann.
Kontrollstationen auf der Erde vermessen die Bahnen der Satelliten und registrieren die Abweichungen der an Bord mitgeführten Atomuhren von der GPS-Systemzeit. Die ermittelten Daten werden zu den Satelliten hinaufgefunkt und von diesen als Navigationsdaten wieder zurück zur Erde gesendet. Die hochpräzisen Bahndaten der Satelliten, genannt Ephemeriden, werden benötigt, damit der Empfänger zu jeder Zeit die genaue Position der Satelliten im Raum berechnen kann. Ein Satz Bahndaten mit reduzierter Genauigkeit wird Almanach genannt. Mit Hilfe der Almanachs berechnet der Empfänger bei ungefähr bekannter Position und Zeit, welche der Satelliten vom Standort aus über dem Horizont sichtbar sind. Jeder der Satelliten sendet seine eigenen Ephemeriden sowie die Almanachs aller existierender Satelliten aus.
Die GPS-Systemzeit ist eine lineare Zeitskala, die bei Inbetriebnahme des Satellitensystems im Jahre 1980 mit der internationalen Zeitskala UTC gleichgesetzt wurde. Seit dieser Zeit wurden jedoch in der UTC-Zeit mehrfach Schaltsekunden eingefügt, um die UTC-Zeit der Änderung der Erddrehung anzupassen. Aus diesem Grund unterscheidet sich heute die GPS-Systemzeit um eine ganze Anzahl Sekunden von der UTC-Zeit. Die Anzahl der Differenzsekunden ist jedoch im Datenstrom der Satelliten enthalten, sodaß der Empfänger intern synchron zur internationalen Zeitskala UTC laufen kann. Umrechnung der UTC-Zeit in die Ortszeit sowie Bestimmung von Beginn und Ende der Sommerzeit werden vom Mikroprozessor des Empfängers ausgeführt, da die dazu benötigten Informationen nicht im Datenstrom der Satelliten enthalten sind.
Der Sender befindet sich in Mainflingen ( 50º 01' Nord, 09º 00' Ost, ca. 25 km südöstlich von Frankfurt) und wird durch die Atomuhrenanlage der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig gesteuert. Er sendet in Sekundenimpulsen codiert die aktuelle Uhrzeit, das Datum und den Wochentag. Innerhalb jeder Minute wird einmal die komplette Zeitinformation übertragen.
Die hochkonstante Trägerfrequenz des Zeitsignals beträgt 77,5 kHz. Zu Beginn jeder Sekunde wird die Trägeramplitude für 0,1 s oder 0,2 s auf ca. 25% abgesenkt. Die so erzeugten Sekundenmarken enthalten binär codiert die Zeitinformation. Sekundenmarken mit einer Dauer von 0,1 s entsprechen einer binären “0” und solche mit 0,2 s einer binären “1”. Die Information über die Uhrzeit und das Datum sowie einige Parity- und Statusbits finden sich in den Sekundenmarken 15 bis 58 jeder Minute. Durch das Fehlen der 59. Sekundenmarke wird die Minutenmarke angekündigt.
Zusätzlich zur Amplitudenmodulation wird der Träger von DCF77
mit einem Phasenrauschen moduliert. Dieses Rauschen ist eine pseudozufällige
Folge (PZF) von 512 Bits, die zwischen den AM-Sekundenmarken übertragen
werden. Die gesamte Bitfolge hat einen symmetrischen Verlauf, sodaß
die beiden Logikzustände in gleicher Anzahl auftreten. Dadurch bleibt
die Trägerphase im Mittel konstant. Das PZF-Signal kann breitbandig
empfangen und mit einer empfängerseitig reproduzierten PZF korreliert
werden. Dieses aus der Satellitentechnik stammende Verfahren ermöglicht
eine Zeitbestimmung mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrosekunden und
ist daher der herkömmlichen AM-Empfangstechnik weit überlegen.
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Decodierung DCF77
M Minutenmarke (0,1s)
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| Rahmenlänge = 1 s
Elementlänge = 10 ms Es gibt drei Elementtypen: Binäre Null (0)
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Jeder Rahmen beginnt mit zwei aufeinanderfolgenden Positionsmerkern,
die als Referenzmerker (R) benutzt werden. Jeder Rahmen wird in 10 Elementsätze
aufgeteilt. Jeder Satz enthält 2 BCD codierte Zahlen, die mit "0"
und einem Positionsmerker voneinander getrennt sind.
Bis 1956 wurde die Weltsekunde von der Rotation der Erde um ihre Achse definiert (UT1 = mittlere Sonnenzeit am Meridian durch Greenwich). Durch die Gezeiten wird die Erdrotation gebremst. Das bedeutet, das die Tageslänge und somit auch die Weltsekunde Schwankungen unterliegt.
Seit 1967 beruht die gesetzliche Zeit auf der Definition der Atomsekunde
(siehe oben).
Die Schwankungen der Erdrotation wird durch sogenannte Schaltsekunden
ausgeglichen. Die Schaltsekunden sind nicht langfristig vorhersehbar, sondern
werden auf Grund der Beobachtung der Erdrotation bestimmt. Die Einführung
der Schaltsekunde geschieht weltweit zum gleichen Zeitpunkt in die Zeitskala
UTC. Bevorzugt zum Jahreswechsel oder in der Mitte des Jahres. Die Verantwortung
hierfür liegt beim Internationalen Earth Rotation Service (IERS) mit
Sitz in Paris.
Genauere Informationen siehe: http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/earthor/utc/leapsecond.html
Mit der LON-Technologie ist es möglich Uhrennetzwerke aus digitalen und selbstrichtenden Analoguhren aufzubauen.
