DE1946780C2 - Verfahren zur Veränderung der Informationspaketsendezeit bei einem Nachrichtenübertragungssystem mit Vielfachzugriff im Zeitmultiplex über Satelliten und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

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a) eine bestimmte Anzahl von zurückliegenden Phasenfehlern gespeichert wird,

b) die gespeicherten Werte im Anschluß an jeden neu korrigierten Phasenfehler auf den neuesten Stand gebracht werden und

c) der gespeicherte Phasenfehler in Abhängigkeit von einer bestimmten mathematischen Formel ausgearbeitet wird, um einen als Voraussagewert dienenden korrigierten Phasenfehler zu erhalten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur mathematischen Aufbereitung der Werte

a) die Formel für die nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate bzw. kleinsten Quadrate errechneten Ausgleichsgeraden festgestellt wird, welche durch die gespeicherten Phasenfehler bestimmt ist und

b) auf dieser Ausgleichsgeraden der Punkt bestimmt wird, welcher der bestimmten, in der Zukunft liegenden Zeit entspricht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mehreren Bodenstationen und einer Satellitenstation, die jeweils Sender- und Empfangseinrichtungen zum Aussenden und Empfangen von Informationspaketen aufweisen, wobei Korrektureinrichtungen vorgesehen sind, die den Zeitpunkt der Aussendung des jeweiligen Informationspaketes der einzelnen Stationen steuern, gekennzeichnet durch:

Einrichtungen (30, 32, 34, 36, 38) in einzelnen Stationen (B, C), die die Zeitdauer (Tm) zwischen dem Empfang eines Bezugspaketes (76), das von einer Bezugsstation (A) ausgesandt wurde und des von der betreffenden Station ausgesandten Impulspaketes (78) bestimmen;

— Einrichtungen (42) zur Bildung des Phasenfehlers (*c) durch Subtraktionsbildung zwischen der Zeitdauer (Tm) und einer vorgegebenen Bezugszeit (T):

— Einrichtungen (58) zur Bestimmung eines vorhergesagten Phasenfehlers aus einer vorbestimmten Anzahl zuvor ermittelter Phasenfehler durch Extrapolation der vorbestimmten Anzahl der zuvor ermittelten Phasenfehler;

— Einrichtungen (46) zur Kombination des vorhergesagten Phasenfehlers mit dem tatsächlich ermittelten Phasenfehler zur Bildung eines korrigierten, vorhergesagten Phasenfehlers; und

— Einrichtungen (52, 54) zum Korrigieren der Sendezeit der Station entsprechend dem korrigierten vorhergesagten Phasenfehler.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Veränderung der Informationspaketsendezeit bei einem Nachrichtenübertragungssystem mit Vielfachzugriff im Zeitmultiplex über Satelliten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der US-PS 20 611 bekannt

Generell arbeitet ein Nachrichtenübertragungssy-

stem mit Vielfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA-System) über Satelliten so, daß jede Bodenstation ein Informationspaket bzw. ein Informationsbündel zeitlich so sendet, daß die Informationspakete, die von sämtlichen Bodenstationen des Nachrichtenübertragungsnetzes gesendet werden, bei ihrer Ankunft am Satelliten zeitlich voneinander getrennt sind. Die Informationspakete werden in einer solchen Reihenfolge ausgesandt, daß das Informationspaket von einer ersten Station (im folgenden »Bezugsstation« gekannt) zuerst ankommt, worauf ein Paket von der zweiten Station und so weiter folgt, bis die Informationspakete sämtlicher Stationen empfangen worden sind. Danach folgt wiederum ein Informationspaket von der Bezugsstation, und der Vorgang setzt sich in dieser Weise fort. Die Zeit zwischen den Informationspaketen von der Bezugsstation (Bezugspakete) wird als Zyklusdauer bezeichnet; das erste Paket liefert somit eine Zyklusdauerbezugsgröße, die vcn allen anderen Stationen nach Empfang über den Satelliten zur Steuerung der zeitlichen Lage der eigenen Informationspakete benutzt werden kann. Die Zyklusdauer ist, da vorgegeben, bekannt. Ebenfalls ist die zeitliche Stellung jedes von den Stationen gesendeten Informationspaketes, bezogen auf das Bezugspaket, bekannt. Bei TDMA-Systemen dieser Art senden sämtliche Stationen ihre Informationspakete zu dem Satelliten, und der Satellit überträgt sämtliche Pakete zurück zu sämtlichen Stationen. Auf diese Weise empfängt jede Station über den Satelliten sämtliche Informationspakete einschließlich des eigenen Paketes, und die Pakete werden in der jeweiligen zeitlichen Relativstellung empfangen, in der sie am Satelliten auftreffen.

Bei derartigen Systemen ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß die Pakete von benachbarten Stationen (Stationen, die hinsichtlich der vorgegebenen Reihenfolge, in der sie ihre jeweiligen Pakete senden, nebeneinanderliegen) sich am Satelliten nicht überschneiden. Da jede Station die genaue Zeitrelation zwischen ihrem empfangenen Paket und dem empfangenen Bezugspaket kennt, kann das genaue zeitliche Verhältnis aufrechterhalten werden, wenn das Paket von der jeweiligen Station zu einer Zeit Tm gesendet wird, bei der das Paket genau um die Zeit Thinter dem Bezugspaket liegt. Dieses wird jedoch dadurch kompliziert, daß der Abstand zum Satelliten für jede Station in der Regel verschieden ist und daß der Abstand durch die Eigenbewegung des Satelliten ebenfalls verändert wird, wodurch eine Veränderung der Relativabstände zwischen dem Satelliten und den einzelnen Stationen hervorgerufen wird.

Das Problem der genauen zeitlichen Einstellung des Paketes einer bestimmten Station kann in zwei Aspekte unterteilt werden, von denen der erste in der Satellitenerfassung und der zweite in der Inlormationspaketsynchronisierung besteht. Der erste Aspekt betrifft somit das Problem, das Informationspaket der entsprechenden Station in den geeigneten Zeitschlitz zu bringen, wenn diese Station das erste Mal eingeschaltet wird. Der zweite Aspekt befaßt sich damit, das Paket während des Betriebes der Station trotz der Bewegung des Satelliten in dem richtigen Zeitschlitz für Senden und Empfang zu halten.

Das aus der eingangs genannten US-PS 33 20 611 bekannte Verfahren arbeitet wie folgt: Eine Hauptstation sendet ein Bezugs-Synchronisiersignal zu dem Satelliten; dieses Signal wird von dem Satelliten zur Hauptstation zurückübertragen und dort empfangen; in der Hauptstation wird aus der Laufzeit des Bezugs-Synchronisiersignaies und der theoretisch (aufgrund der Soll-Position des Satelliten) benötigten Laufzeit ein Satelliten-Stellungssignal errechnet Zusätzlich übermitteln alie anderen Stationen Suchimpulse durch Vorhersage des zu Beginn der Übertragung festgelegten Zeitschlitzes aufgrund der die Satellitenbahn und dessen momentane Lage betreffenden Information und aufgrund eingespeicherter Informationen über die

ίο Ephemeriden. Aus diesen Informationen wird ein Kontrollsignal errechnet, das die Übermittlungszeitpunkte der nachfolgenden Suchimpulse entsprechend dem Ausmaß der Verschiebung der zuerst erwähnten Suchimpulse steuert Die Suchimpulse werden in einem vorgegebenen Zeitschlitz, der einer bestimmten Station zugeteilt ist, angeordnet.

Dieses Verfahren ist außerordentlich kompliziert und erfordert hohen Bauteileaufwand, insbesondere hohe Speicherkapazität. Weiterhin basiert dieses Verfahren auf eingegebenen, d. h. nicht von den Stationen selbst ermittelten Daten, im einzelnen auf den Ephemeriden, was zu Fehlerquellen führt. Schließlich wird ein beträchtlicher Anteil der Sendezeit von den Suchimpulsen beansprucht und steht somit für die Signalübertra-

J5 gung nicht zur Verfugung.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Satellitenerfassung is« in der BE-PS 7 06 554 beschrieben. Dieses Verfahren besteht kurz ausgedrückt darin, während der Paketsendezeit einen erkennbaren Impuls zu senden

jo und auf einem Empfängeroszilloskop die Relativzeiten der Pakete der anderen Stationen und diesen erkennbaren Impuls nach Empfang über den Satelliten zu beobachten und dann die Sendezeit zu verändern, bis der erkennbare Impuls auf dem Oszilloskop ersichtlich

J5 in dem richtigen Sende-Zeitschlitz erscheint.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung der Informationspaketsynchronisierung ist in der NL 67 15 614 beschrieben. Das Verfahren wird dort wie folgt ausgeführt: Der tatsächliche Zeitabstand zwischen

4(i dem empfangenen Bezugspaket und dem wiederempfangenen eigenen Paket wird festgestellt und mit dem richtigen Zeitabstand zwischen diesen Paketen verglichen. Der Unterschied stellt einen Phasenfehler dar. Der Phasenfehler wird dann dazu verwendet, die Paketsen-

•Γ) dezeit zu verändern, um den Phasenfehler auf Null zu bringen.

Aus der GB 10 84 876 ist ein Verfahren zur Einstellung bzw. Synchronisierung der Informationspakete bei TDMA-Nachrichtenübertragungssystemen von Satelliten bekanntgeworden, das wie folgt arbeitet: Von einer Hauptstation wird ein Hauptsynchronisiersignal zu allen übrigen Stationen gesandt. Von jeder der übrigen Stationen wird ein Stationssynchronisiersignal übertragen, das hinsichtlich des empfangenen Haupt-Synchronisiersignals und im Hinblick auf den Zeitbereich, der für jede Station als Zugang zu dem Satelliten verfügbar ist, veränderbar ist. Aus einem Vergleich des empfangenen Stations-Synchronisiersignales in jeder Station mit dem Haupt-Synchronisiersignal wird ein

bo Steuersignal ermittelt. Dieses Steuersignal wird dazu verwendet, die Übertragung des Stations-Synchronisiersignals zeitlich so festzulegen, daß dieses innerhalb des der Station zugeordneten Ze^;t-Schlitzes auftritt.

Nachteilig hieran ist, daß mehrere Arten von Synchronisiersignalen benötigt werden und daß auch hier ein wesentlicher Teil der zur Verfügung stehenden Sendezeit ausschließlich für Synchronisierzwecke verbraucht wird. Weiterhin werden zukünftige Phasenfeh-

ler, die aufgrund der Relativbewegung des Satelliten gegenüber den Stationen während der Laufzeit der Synchronisierimpulse auftreten, nicht berücksichtigt, so daß die jeweils wirksamen Korrektursignale im Zeitpunkt ihres Wirksamwerdens bereits veraltet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren bzw. die eingangs genannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine einfachere und exaktere Einstellung bzw. Synchro nisierung erzielt wird. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 bzw. b angegebenen Merkmale gelöst. Kurz zusammengefaßt, wird bei der Erfindung von den jeweiligen Hilfsstationen das Informationspaket der Bezugsstation und das eigene Informationspaket empfangen, dann periodisch die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang dieser Informationspakete gemessen und dann diese Zeitdifferenz von einer vorgegebenen Standard-Zeitdifferenz für die jeweilige HilfsStation subtrahiert, woraus man einen Phasenfehler erhält, der zur Veränderung der Informationspaketsendezeit der entsprechenden HilfsStation verwendet wird.

Es ist ersichtlich, daß sich die Erfindung im wesentlichen auf die Informationspaketsynchronisierung und im engeren Sinne nicht auf die Satellitenerfassung bezieht, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß eine Erfassung erforderlich ist, bevor die Informationspaketsynchronisierung stattfinden kann.

Die »Umlaufzeit« oder Übertragungszeit eines Informationspaketes von einer Station zum Satelliten und wieder zurück zur Station beträgt etwa 300 ms. Bei dem Verfahren gemäß der oben erwähnten NL 67 15 614 ist der angezeigte Phasenfehler abhängig von der Position des Satelliten etwa i 50 ms vor der Anzeige. Die bei der Informationspaketsendezeit als Ergebnis des Phasenfehlers durchgeführte Korrektur wird weiterhin von dem Satelliten etwa erst nach 150 ms nach dem Senden des Paketes wahrgenommen. Demzufolge kommt das Ergebnis der Korrektur erst 300 ms nach dem Vorhandensein des Zustandes (Satellitenposition), welcher den Phasenfehler bewirkt hat, zum Tragen, und der Zustand hat sich während dieser Periode von 300 ms bereits wieder geändert.

Zur Umgehung dieses Nachteils wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Informationspaketsendezeit durch einen Korrekturfaktor ό zu verändern, der nicht nur auf den letzten Phasenfehlern x, sondern auch auf einem vorausgesagten Phasenfehler 5 basiert, der infolge der Satellitenbewegung 300 ms später auftreten wird. Es ist bekannt daß der Erdabstand eines Synchronsatelliten sich sinusförmig verändert, und zwar gemäß einer 24-Stundenperiode, wobei der Unterschied maximal bis 1600 km betragen kann. Über kurze Zeiträume betrachtet, kann man die Satellitenbewegung jedoch als im wesentlichen linear ansehen. Diese kurzzeitige Linearität wird nach einer Weiterbildung der Erfindung benutzt, um den Phasenfehler vorauszubestimmen bzw. die Zeitdauer, um die die Informationspaketübertragung verzögert bzw. verändert werden muß, um das Informationspaket für den späteren Zeitpunkt so genau einzustellen, daß es am Satelliten ankommt Grundle gend hierbei ist somit, daß die Satellitenbewegung als linear angenommen werden kann und sich der aus dieser Bewegung resultierende Phasenfehler χ ebenfalls zeitlinear verändert. Eine »Ausgleichsgerade« des Phasenfehlers über der Zeit wird unter Zugrundelegung eines kurzen Zeitraums durch eine Vielzahl von

zurückliegenden Phasenfehlermessungen bestimmt. Auf der Bas;:, dieser «Ausgleichsgeraden« wird der vorausgesagte Phasenfehler s bestimmt. Der vorausgesagte Phasenfehler s wird beispielsweise für 300 ms vorherbestimmt, und zwar im Anschluß an den zuletzt gemessenen Phasenfehler *·. Die Paketsendezeit wird dann zeitlich um einen Betrag verändert, der gleich dem vorausgesagten Phasenfehler ist.

Die »Ausgleichsgerade« ist aufgrund obiger Annahme nur eine Näherungslösung, und zwar sowohl aufgrund von Nichtlinearitäten in den einzelnen Bauteilen als auch aufgrund der bei exakter Betrachtungsweise vorhandenen Nichtlinearität der Satellitenbewegung. Um bei der Voraussage den geringstmöglichen Gesamtfehler zu liefern, wird (begrifflich, nicht physikalisch) eine gerade Linie durch die gemessenen Phasenfehler gezogen, und zwar gemäß einer statistischen Methode, die als die Methode der »kleinsten Fehlerquadrate« bekannt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 mehrere Bodenstationen, die in einem TDMA-System mit einem Transpondersatelliten zusammenwirken, in schematischer Darstellung;

F i g. 2 einen Zyklus von Stationsinformationspaketen;

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Vorhersage des Phasenfehlers;

F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung;

F i g. 5 ein Diagramm des vorausgesagten mittleren quadratischen Fehlers über einer Anzahl von für die Voraussage benutzten Messungen und

Fig.6 ein Diagramm, welches die Anzahl der Messungen und der Probenintervalle darstellt um einen vorausgesagten Fehler zu erhalten, der gleich der Standardabweichung des Fehlers bei jeder Messung ist

F i g. 1 dient der Erläuterung des allgemeinen Problems des Phasenfehlers bei TDMA-Systemen. Drei Bodenstationen A, B und C auf der Erdoberfläche 10 stehen über einen Satelliten 12 miteinander in Verbindung. Für die weitere Beschreibung wird von folgenden Annahmen ausgegangen:

1. Es sind sechs Bodenstationen A bis F in dem Nachrichtenübertragungssystem vorhanden,

2. die Zykluszeitperiode beträgt 125 usec und

3. die Informationspaketsynchronisierung wird für die Station C beschrieben, wobei alle anderen Statio nen, mit Ausnahme der Station A, identisch sind. Die Station A sei hier als Bezugsstation bezeichnet bei welcher keine Synchronisierung vorgenommen werden muß.

Drei der sechs Stationen sind in Fig. 1 dargestellt während in Fi g. 2 die Zeitgröße der Informationspakete abgebildet ist Für einen geeigneten TDMA-Betrieb sendet die Bezugsstation A Dir Informationspaket periodisch alle 125 usec aus. Alle anderen Stationen senden ihre Informationspakete zu solchen Zeitpunkten aus, daß die jeweiligen Informationspakete am Satelliten zu den jeweiligen in F i g. 2 dargestellten Zeitpunkten ankommen. So sendet die Station C ihr Informationspaket zum Zeitpunkt Ar+θ aus, wobei dieser Zeitpunkt so gewählt ist daß die Pakete A und C durch ein genaues Zeitintervall T_x voneinander getrennt sind.

Der Zeitpunkt Ärwird als Nennzeit bezeichnet und wird beim Empfang ermittelt. Die Zeit <5 stellt die Zeitschwankung bzw. -abweichung des Sendepakets dar und wird durch Vorherbestimmung festgelegt. Wie in F i g. 1 dargestellt, sendet jede Station pro Zyklus nur ein Paket, während sie jedoch während eines Zyklus sämtliche Informationsprodukte, also auch die der anderen Stationen, empfängt. Bezüglich des Zeitverhältnisses zwischen den Informationspaketen sehen die Empfänger die identische Formation, die auch im Satelliten vorhanden ist.

Betrachtet man die Station C So wird dort u. a. das Bezugspaket A und das »C-Paket« empfangen. Die Art des Empfangs und der Identifizierung der Pakete ist bekannt und wird im folgenden nicht mehr im Detail beschrieben. Der Zeitabstand zwischen diesen beiden Paketen in einem Zyklus wird gemessen. Dieser Zeitabstand wird im folgenden als der gemessene Zeitabstand Tr bezeichnet. Für den unverbesserten Phasenfehler χ gilt somit: x= T_ac— Tr. Dieses bedeutet, daß kein Phasenfehler mehr vorhanden ist, wenn sich die Paketsendezeit für das vorangegangene Paket um eine Zeitgröße χ geändert hat.

Der Grund, warum der Ausdruck unverbesserter Phasenfehler benutzt wird, wird im folgenden erklärt. Als Folge des Synchronisierungsprozesses wird die einzelne Paketsendezeit innerhalb des Zyklus nach jeder Messung verändert, so daß z. B. nach der /-ten Messung die Paketsendezeit gleich Λ H- ö, ist. Wenn demzufolge xv+; gemessen wird, bedeutet dieses einen Fehler, der sich trotz der vorangegangenen Korrektur ergibt. Für die Berechnung ist es jedoch notwendig, den Phasenfehler zu kennen, der aufgetreten wäre, wenn keine Korrektur vorgenommen worden wäre, d. h. wenn die Paketsendezeit gleich der Nennzeit Ar gewesen wäre. Die korrigierten Phasenfehler y sind die einzigen Größen, die im wesentlichen zeitlinear sind, und sie werden benutzt, um die Ausgleichsgerade nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate zu berechnen.

Für einen bestimmten gemessenen Phasenfehler x, beträgt der korrigierte Phasenfehler v,=*v— öp- <>

Ein Verlauf einer Gruppe von Phasenfehlern ist in F i g. 3 abgebildet, in der die Position der */-Markierungen über der Ordinate die Fehleramplitude und über der Abszisse die Zeit der Messung darstellt Das Symbol Δ stellt den Zeitabschnitt zwischen den Messungen dar. Die Abweichung der Phasenfehler von einer geraden Linie ZO ist in der Zeichnung aus Gründen einer besseren Übersicht stark übertrieben dargestellt. Die Linie ZO, welche durch die vorhergegangenen Phasenfehler gezogen ist, stellt vom statistischen Standpunkt die beste Anpassung an eine Ausgieichsgerade dar. Bekanntlich hat eine gerade Linie folgende Gleichung

s=at+b,

wobei s der Wert entlang der Ordinate, t der Wert entlang der Abszisse ist und a und b Konstanten sind. Für die vorliegende Beschreibung sei f=300 ms und s der vorausgesagte Phasenfehler. Um s zu erhalten, genügt es demzufolge, die Werte für a und b aus der Linie, welche die »beste Ausgleichsgerade« darstellt, zu erhalten. Es ist offensichtlich, daß die »Konstanten« a und b der obigen Gleichung tatsächlich nicht konstant sind, sondern sich jedesmal verändern, wenn eine neue Phasenfehlermessung x_x+_t gemacht wird. Dieses ergibt sich daraus, daß im Anschluß an jede neue Phasenfehlermessung eine neue »beste Ausgleichsgerade« erforderlich ist Es ist jedoch mathematisch ein einfaches Problem, die Werte für a und b in Abhängigkeit von den gemessenen Werten {*,}, der Anzahl η der zur Berechnung der besten Ausgleichsgeraden verwendeten Messungen und dem Zeitabstand Δ zwischen den Messungen zu bestimmen. Die Bestimmung der besten Ausgleichsgeraden nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate basiert auf der Reduktion der Funktion:

wobei E₁ die Abweichung der Messung x, von der nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmten Geraden ist.

Die Berechnung von α und b ergibt sich aus:

„ _ C₁ - »i C₁

U₂ -u\

_{b =} U₂ C_x - M₁ C₂

U₂ -u\

wobei

Δ . ..

U₂ -

Al
6

C₂ = —

Ui und U₂ sind feste Größen, da η und Δ durch die Auslegung eines Systems bestimmt sind und C\ und es

■to Funktionen der gemessenen Werte χ sind. Auf diese Weise kann man für einen bestimmten Satz von Messungen die vorausgesagte Verzögerung bestimmen, die der Paketsendezeit hinzuzuaddieren ist Bei gegebenen Werten für χ ist es für bekannte Rechenanlagen ein leichtes, die Lösungen für c\ und C₂ und demzufolge für a und b und dann für die vorausgesagte Verzögerung szu finden.

Die mathematische Ableitung der Werte a und b wird im folgenden gleichzeitig mit der Erläuterung einer Methode zum Auswählen der Werte Δ und π beschrieben.

Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Station ist in F i g. 4 dargestellt Als Werte für π und Δ werden n=6 und Δ=200 ms gewählt Die Eingänge zur Vorrichtung werden einer Prüfschaltung 30 zugeführt, die durch Prüfimpulse auf einer Leitung 80 gesteuert wird. Ein Eingangsimpuls auf einer Leitung 76 stellt das empfangene Referenzpaket dar, während ein Eingangs-

eo impuls auf einer Leitung 78 das empfangene C-Paket darstellt Diese Impulse werden in bekannter Weise in Abhängigkeit von den Codes in dem empfangenen Referenzpaket bzw. dem C-Paket erzeugt Der Empfang des reservierten C-Paketes gilt nur für die Station C Andere Stationen wurden ihre eigenen empfangenen Pakete nachweisen bzw. feststellen.

Die Prüfimpulse auf der Leitung 80 werden von einem Kontrollzähler 70 und einem Dekoder 71 erzeugt Der

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Zähler 70 kann ein Binärzähler sein, und der Dekoder ist so eingerichtet, daß er Ausgangsimpulse auf den Leitungen 80, 82 und 83 in Abhängigkeit von bestimmten vorgegebenen Zählerständen des Zählers 70 liefert. Die Eingangsimpulsrate zum Zähler 70 beträgt 8 kHz, wie es im folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Um für den richtigen Abstand zwischen den Prüfsignalen (Δ = 200 ms) zu sorgen, sollte der Zähler 70 nach jeweils 1600 Eingangsimpulsen zurückgesetzt werden. So kann der Zähler 70 ein Zwölfstufen-Binärzähler sein, der so aufgebaut ist, daß er nach jedem Zählerstand von 1600 auf 0 zurückgestellt wird. Der Dekoder 71 erzeugt auf der Leitung 80 einmal während jedes Zyklus des Zählers, der in diesem Fall 200 ms beträgt, einen Ausgangsimpuls.

Der Zeitpunkt des Auftretens der Prüfimpulse auf der Leitung 80 kann einem Zählerstand von Null im Zähler 70 entsprechen. Die Impulse auf den Leitungen 82 und 83, die ebenfalls eine Periode von 200 ms haben, folgen zeitlich den Prüfimpulsen.

Beim Empfang eines Prüfimpulses läßt die Prüfschaltung 30 den nächsten auf der Leitung 76 auftretenden Referenzpaket-Nachweisimpuls zur Ausgangsleitung 74 und den nächsten auf der Leitung 78 erscheinenden C-Paket-Nachweisimpuls zur Ausgangsleitung 72 hindurch. Infolgedessen repräsentieren die Ausgangsimpulse Pakete in der gleichen Zykluszeit, und der Zeitabstand der Pakete ist gleich der Zeit 7m, d. h. gleich dem gemessenen Zeitunterschied zwischen dem Referenzpaket und dem C-Paket.

Die Zeit T_M wird durch eine Flip-Flop-Schaltung 32, einen 500 MHz-Oszillator 36, ein UND-Gatter 34 und einen Sechzehnstufen-Binärzähler 38 in einen Digitalwert Tm umgeformt. Der Binärzähler 38 wird durch einen Impuls auf der Leitung 83 auf Null zurückgestellt und zählt jeden Zyklus des Oszillatorausganges, der das UND-Gatter 34 passiert. Die Impulse auf den Leitungen 74 und 72 werden den Setz- und Rücksetzeingängen der Flip-Flop-Schaltung 32 zugeführt, woraus ein Ausgangssignal Q resultiert, das eine Dauer gleich der Größe T_M hat Dieses Ausgangssignal betätigt das UND-Gatter 34, so daß es Taktimpulse vom Oszillator 36 zum Zähler 38 hindurchläßt dessen Zählerabstand dann dem Wert T_M entspricht.

Ein binärer Zeitabstandsselektor 44 enthält das binäre Äquivalent des Wertes T, der dem vorgegebenen Zeitabstand zwischen dem empfangenen Bezugspaket und dem empfangenen C-Paket entspricht Die Digitalwerte T und Tm werden einem digitalen Subtraktionswerk 42 zugeführt das einen Digitalausgangswert x, liefert und einen Vorzeichenausgang, der das algebraische Vorzeichen des unverbesserten Phasenfehlers x, darstellt Der Phasenfehler *, und das Vorzeichenbit werden einem digitalen Addierwerk 46 zugeführt Dem digitalen Addierwerk 46 werden auch das Vorzeichen und der Wert eines Abweichungsfaktors δ p-y zugeführt. Der Abweichungsfaktor 6p-1) repräsentiert die Paketsendezeitkorrektur, die als Folge der Berechnungen durchgeführt worden war, welche der vorangegangenen Prüfzeit folgten. Der digitale Ausgang und das Vorzeichen des digitalen Addierwerkes 46 stellen j? und dessen Vorzeichen dar. Der zuletztgenannte Wert und dessen Vorzeichen werden einem Digitalrechner zugeführt und zwar als Antwort auf einen Steuereingangsimpuls auf einer Leitung 8Z Der Wert und das Vorzeichen von öp-i) werden ebenfalls dem Digitalrechner 58 zugeführt Der Rechner 58 spricht auf die letzten sechs Messungen von x» (n=6), an und liefert die einfachen, oben angegebenen arithmetischen Funktionen, die erforderlich sind, um für s, den vorausgesagten Phasenfehler zu ermitteln. Wie sich für den Fachmann ohne weiteres ergibt, können die arithmetischen Funktionen von irgendeinem verfügbaren datenverarbeitenden Gerät durchgeführt werden. Wie in der Zeichnung dargestellt, enthält der Rechner 58 eine Eingabe-Ausgabe- und Steuerschaltung 60, einen Speicher 62, der eine Kapazität zur Speicherung von

ίο n-Werten von x; einschließlich deren Vorzeichen hat, einen arithmetischen Operator 64, der die einfachen arithmetischen Funktionen zur Lösung von 5 durchführt, ein binäres Subtraktionswerk 66 und einen binären Impulswandler 68.

Vor der Erzeugung des jeweiligen Phasenfehlers x, enthält der Speicher 62 die letzten sechs Phasenfehler Xi-i, Xi-2,... χ,-6- Als Antwort auf den Prüfimpuls auf der Leitung 80 beginnt das System den Phasenfehler x, zu erzeugen. Nach einer dem Prüfimpuls folgenden ausreichenden Zeit zur Bildung von x, erscheint ein Steuerimpuls auf der Leitung 82, der x, einschließlich Vorzeichen in den Speicher 62 überträgt und die Rechenoperation in Gang setzt. Der älteste Wert, nämlich *,-&, wird fallengelassen, und alle anderen Werte von x, rücken im Speicher um eine Position nach vorn. Die in dem arithmetischen Operator 64 durchgeführten Rechenoperationen erzeugen den binären Ausgangswert s„ der als ein Eingang dem binären Subtraktionswerk 66 zugeführt wird. Der andere Eingang des binären Subtraktionswerkes 66 ist ό(, - ;> der in einem SechzehnstufenßAuf/Ab-Binärzähler 54 gespeichert ist. Die in dem Zähler 54 enthaltene Zahl verändert die Paketsendezeit, was im folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Da der vorausgesagte Phasenfehler s, die Größe darstellt, um die die Paketsendezeit verändert werden muß, sollte der im Zähler 54 gespeicherte Wert jeweils berichtigt bzw. auf den neuesten Stand gebracht sein, so daß er gleich s, ist. Dieses wird erreicht, indem s, und δμ- η im Subtraktionswerk 66 subtrahiert werden, die Binärdifferenz (Si—Ö(i- ;;in eine Vielzahl von Impulsen umgeformt wird und diese Impulse im Zähler 54 gesammelt werden. Wenn die den Wert fs,—Of,-;;) repräsentierenden Impulse gezählt werden, wird die Richtung des Zählers durch den Vorzeichenausgang des Substraktionswerkes 66 gesteuert Der neue Wert im Zähler 54 wird mit ό, bezeichnet und ist gleich s»

Die Paketsendezeit wird von dem Zähler 54 und dem Oszillator 36 zusammen mit einem Binärzähler 48 und

so einer digitalen Vergleichsschaltung 52 gesteuert Da die Zykluszeit in dem beschriebenen System 125 μββΰ beträgt was einer Paketsendezeit für jede Station von 8 kHz entspricht wird der Binärzähler 48, der die Zyklen des Ausganges des Oszillators 36 zählt jeweils nach 125 usec auf Null zurückstellen, vorausgesetzt daß er nach einem Zählerstand von 62 500 rückstellt Wenn der Zählerstandswert im Zähler 48 gleich dem im Zähler 54 enthaltenen Wert ist liefert ein digitaler Komparator 52 auf einer Leitung 56 einen Ausgangsimpuls, der die Aussendung des Paketes der Station Cin Gang setzt Es wird somit deutlich, daß die Paketsendezeit durch den im Zähler 54 enthaltenen Wert δ verändert wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung synchronisiert das Paket einer bestimmten Station, basierend auf einem für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt vorausgesagten Phasenfehler. Wenn die Station zur Einstellung bereit jedoch noch nichi synchronisiert ist so ist die Synchronisationsvorrichtung noch nicht

12

eingeschaltet, mit Ausnahme des Oszillators 36, des Zählers 38, des !Comparators 52 und des Zählers 54. Der

im Zähler 54 gespeicherte Anfangswert ist (5 = 0. Auf

diese Weise erscheint jedesmal, wenn der Zähler 48 Die Werte von ä bzw. b, wodurch / (ά, b) auf ein

einen Zählerstand von 0 erreicht, ein Ausgangsimpuls 5 Minimum reduziert wird, müssen folgenden Gleichun-

auf der Leitung56. gen genügen:

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Wert von <5 nicht geändert wird, bis die ersten sechs Messungen erfolgt sind. Bei dem speziellen angenommenen Beispiel wird dieses im Anschluß an die Einstellung 1, 2 see in ι ο Anspruch nehmen.

Im folgenden wird das mathematische Prinzip, auf Σ

dem die Erfindung basiert, näher beschrieben. ^b ,, ι

Das Voraussageproblem, dem man gegenübergestellt

ist, besteht darin, eine erste Voraussage der Form 15 wobei sich aus (4) und (5) folgende lineare Gleichun

gen zur Lösung von ä und b ergeben:

—4- = 0 = 2

+ Bx₁)I,

(2)

+ Ä - V

zu erhalten, welche in gewissem Sinne eine Ausgleichsgerade bzw. beste Anpassung an die gemessenen Daten darstellt, so daß eine gute Schätzung von s(t\ + T) erhalten werden kann. Wenn als Kriterium für die

Ausgleichsgerade das mittlere Fehlerquadrat benutzt '"' '"'

wird, dann wäre eine Anpassung bzw. Ausgleichsgerade 25 _{wobej unt£r Verwendu der} Beziehung

nach dem Prinzip aer kleinsten Fehlerquadrate optimal.

Solch eine Anpassung nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate wird erhalten durch Reduktion folgender Funktion auf ein Minimum:

Gesamtfehler E = f{ä,b) =

Σ '? = Σ

t, + b ~x,f (3) geschrieben werden kann:

η η

A¹I²) = ni{-2A 1, Σ / + A²

= nt] - A ■ f,n(n-l) +-^- ■ η ■ (n-l)(2n-l). 6

Durch Einsetzen von (8) und (9) in (6) und (7) ergibt sich

Ff₁ - ^- (n-l)~| +A = J-

L I J " ;-

Wenn man definiert

U₂ = t] - [A - r, ■ (n-1)] I

^C2 = — Σ*//"

dann werden (10) und (11) zu άκ, + b = C₁.

13

14

Bei Anwendung der Cramerschen Regel erhält man c₂u_}

C₂ - C| M₁

UtU_x

\u7C2

-u\

(14)

b =

H₂M₁

U₂C₁ - C₂U₁

U₂ -u\

(15)

Es ergibt sich als vorausgesagter Wert S(/, + T) = ά (r, + T) + b, wobei ä und b durch die Gleichungen (14 und (15) gegeben sind.
Der wahre Wert ist s(r, + T) = a(t, + T) + b.
Das Quadrat des Mittels des Vorhersagefehlers ist danach wie folgt gegeben:

= {a-äf (r, +T)² + (b-b)² +20,+T) (a-ä)(b-b) Durch Einsetzen von c₂ (gem. Definition) läßt sich die Gleichung (12) ausdrücken als

(16)

τι

/ϊ

i=l " i=l ' i

Aus der Definition von u-, und M₂ erhält man

Su₂ + Ou₁ = OU₂ + bu, H Σ "/',

au

(17)

Durch Einsetzen von C₁ (gem. Definition) läßt sich die Gleichung (13) ausdrucken als

(a - ä)u₂ +b = — Σ'/ ^{+ b} + — Σ "i + ^a"i + * + — Σ "/

-ä)u, +(b-b) = - — Σ "-

(18)

Bei Benutzung der Cramer'schen Regel in Verbindung mit (17) und (18) erhält man

und daraus

£•3 «1 C₄I

C₃ - M, C₄

M₂U, U₁I

U₂C₃ U₁C₄

U₂ -u}

U₂ - u²,

M,

(a-ä)(b-b) =

15

16

Aus den Definitionen von c₃ und c, gemäß (17) und (18) ergibt sich 1 v-i ^-i δη' χ-» δη~

Γ⁷

OtV

ο IV

Es ist zu beachten, daß n~ö; = 5^^,-da die zusätzliche Störgröße bei jeder Messung unabhängig von den bei anderen Messungen addierten Störgrößen ist. Daraus folgt:

(a-ä)(b-b) = Es folgt

δη²

U₂U) - U₁ U₂ - U) M₂ + ivj Ί _ _ <5/;² Γ μ, "Ι (u₂ - u²)² J "L ("2 ~ ^ui) J

_ ..2 _ Ct, - 2 Uf C) C₄ + U] q _ δη² Iv₁ - 2 »j + κ, _

(α-ά)

-flY - "2 ^4 ~ 2 Μ| Kj t~4 C3 + »Ι d _ δ Π² U₂ - 2 U] U₂ + U] U₂ _ f?»²

(«2 -1/?)² ίΓ~ (U₂-M²)² η

Durch Einsetzen von (19), (20) und (21) in (16), folgt

(5 h²

E a

[S (t, + T) -s (t,+ T)]²

/1 (u₂ -U,)

(U₂-U]))

und daraus

r, + T-Uf = I₁ + T- i, - — (η-D = T+ — (H-

u, - u² = π - A ■ ί, · (H-I) + — (H-I) (2 H-I) - t] + zl Γ, (H-I) - — (H-I)²

= -^- [8η^:-12η+4-6/γ

(5 h²

+

12

Als Beispiel kann angenommen werden: Δ = 125 x 10~"sec,

7"= 350X 10"·' see,

(5h = 2 x 10"^gsec.

Dann wird (22) zu

E =

4 x 10

[350 + .0625 (h-1)]^:

+

(ms)·

Eine Aufzeichnung von /E über π ist in Fig.5 abgebüdet Bei einer Genauigkeit der Voraussage des Wertes s(u + T) von 2 Nanosekunden ist n=800 oder eine Beobachtungsperiode von 100 Millisekunden erforderlich.

Aus (14) und (15) ist zu entnehmen, daß es zur Durchführung dieser Voraussage notwendig ist, ui, u₂, ei und es zu bestimmen. Die Werte c\ und es sind jedoch die einzigen Ausdrücke, die von der gemessenen Phasendifferenz abhängig sind, und diese Parameter sind gegeben durch

1 "_v

^{C} =}~^h^x·

welches einfache, auf den gemessenen Werten basierende Rechenoperationen sind.

Die Vorhersage liefert eine Abschätzung der Phasendifferenz zwischen der Bezugsstation und der örtlichen Station, und zwar für einen Zeitraum von T Sekunden in der Zukunft, wobei Tdie Umlaufzeitverzögerung zum Satelliten ist Wie oben beschrieben, war die Vorhersage gegeben durch

Unter Berücksichtigung dessen, daß ;, = (,,-1)Λ, wobei Λ gleich der Zeit zwischen den Messungen ist, kann die Gleichung (1) nach Einsetzen der oben abgeleiteten Ausdrücke von α urd b ausgedrückt werden durch

SU₁ +T) = ο,

(2)

ι-I /= 1

wobei

12

Wie oben abgeleitet wurde, ist der vorhergesagte mittlere Quadratwurzelfehler gegeben durch

VE

VT,

(3)

Es ergibt sich aus der obigen Gleichung, daß ein feststehender mittlerer Quadratwurzelfehler für verschiedene Kombinationen von η und Δ erhalten werden kann. Fig.6 zeigt die Veränderung, welche für »/?« erforderlich ist, um als Voraussage einen mittleren Quadratwurzelfelder zu erhalten, weicher gleich der Standardabweichung des Fehlers bei jeder Messung ist. Wenn z. B. der Fehler bei jeder Messung eine Standardabweichung von zwei Nanosekunden hat, zeigt die (über η aufgetragene) Kurve in F i g. 6 die notwendigen »n«-Werte, um durch Voraussage einen mittleren Quadratwurzelfehler von zwei Nanosekunden zu erhalten. Der geringste Wert für Δ beträgt 0,125 Millisekunden, was einer Messung bei jedem aufeinanderfolgenden Paket in dem TDMA-System entspricht. Um mit einem Wert von »4« den spezifizierten mittleren Quadratwurzelfehler zu erhalten, sind 500 Messungen erforderlich. Bei Erhöhung von Δ auf 100 Millisekunden werden nur noch neun Messungen benötigt, um den gleichen mittleren Quadratwurzelfehler zu erhalten, und bei 4=200 Millisekunden werden für den gleichen Fehler nur noch sechs Messungen benötigt.

Das gesamte Zeitintervall, währenddessen Messun-

gen durchgeführt werden, um den vorausgesagten Wert zu bestimmen, ist gleich πΔ. Die in Fig.6 über »ηΔ« aufgezeichnet Kurve zeigt, wie diese Zeit sich mit den verschiedenen Kombinationen von η und Δ verändert, welche benötigt werden, um durch Voraussage einen feststehenden mittleren Quadratwurzelfehler zu erhalten. Aus F i g. 6 ist zu entnehmen, daß beim Anwachsen von »Δ« die zum Erhalten eines festen mittleren Quadratwurzelfehlers benötigten Werte für »n« vermindert werden, während die dafür benötigten Werte für »ηΔ« größer werden. Da oben angenommen wurde, daß sich die tatsächliche Phasendifferenz zwischen der Bezugsstation und den örtlichen Stationen linear mit der Zeit verändert, muß diese Annahme für ein Zeitintervall πΔ+Τ gültig sein. Aus diesem Grunde muß die Linearitätsannahme für größere Zeitintervalle gültig sein, wenn größere Werte für Δ benutzt werden. Für synchrone Satelliten scheint diese Linearitätsannahme über Zeitintervalle von zehn Minuten und mehr gültig zu sein, wobei kein Problem in der Verwendung von größeren Werten für »4« besteht. Die Veränderung des durch Voraussage erhaltenen mittleren Quadratwurzelfehlers als eine Funktion von η für einen festen Wert Δ = 0,125 Millisekunden ist in F i g. 5 dargestellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

20 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Veränderung der Informationspaketsendezeit von einer HilfsStation in einem Nachrichtenübertragungssystem mit Vielfachzugriff im Zeitmultiplex über Satelliten, wobei die Hilfsstation eine von mehreren Bodenstationen ist, die an einen Übertragungssatelliten in einzelnen festgelegten Zeitschlitzen einzelne, in bestimmte Beziehung zu dem Informationspaket einer Bezugsstation gesetzte Informationspakete senden und wobei die Sendezeit des Informationspaketes von der Hilfsstation zu dem Satelliten veränderbar ist in Übereinstimmung mit: (1) der Empfangszeit der Bezugsstationsinformationspakete von dem Satelliten, (2) der Empfangszeit der Hilfsstationsinformationspakete von dem Satelliten und (3) einem Korrektursignal, welches die Veränderung der Empfangszeit .der Hilfsstationsinformationspakete im Verhältnis zu den Bezugsstationsinformationspaketen anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal erhalten wird durch

a) den Empfang der Bezugsstationsinformationspakete und der Hilfsstationsinformationspakete an der HilfsStation,

b) periodisches Messen des Unterschieds in der Zeit zwischen dem Empfang der Bezugsstationsinformationspakete und der Hilfsstationsinformationspakete an der HilfsStation, so daß sich eine gemessene Zeitdifferenz ergibt und

c) Abzug der gemessenen Zeitdifferenz von einer vorgegebenen Standard-Zeitdifferenz an der Hilfsstation, so daß man einen gemessenen Phasenfehler erhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der gemessene Phasenfehler mittels eines vorausgesagten Phasenfehlers korrigiert wird, der die Zeitveränderung der Sendezeit der Hiifsstationsinformationspakete angibt, so daß sich ein korrigierter Phasenfehler ergibt, wobei jeder der gemessenen Phasenfehler mit dem vorausgesagten Phasenfehler, der zum Zeitpunkt der Feststellung des gemessenen Phasenfehlers auftritt, kombiniert wird,

b) der korrigierte Phasenfehler für einen bestimmten späteren Zeitpunkt vorausgesagt wird, wobei diese Voraussage auf einer bestimmten Anzahl von in der Vergangenheit ausgerichteten Phasenfehlern basiert und stets neu für jeden neuen korrigierten Phasenfehler durchgeführt wird, und

c) die Sendezeit von der Hilfsstation in Übereinstimmung mit den vorausgesagten Phasenfehlern verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren der Phasenfehler

a) der vorausgesagte Phasenfehler gespeichert wird, durch den die jeweilige Paketsendezeit eingestellt wird, und

b) jeder vorausgesagte Phasenfehler von dem einzelnen Phasenfehler zur Bildung der korrigierten Phasenfehler subtrahiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Voraussage des Phasenfehlers

1")