Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation der Zeitbasen mindestens zweier terrestrischer Einrichtungen mittels drahtloser bidirektionaler Kommunika- tion zwischen den mindestens zwei Einrichtungen (sogenannter Synchronisations- dialog).

Die Synchronisation von Pseudoliten in großem Maßstab ist mittels Technologien nach dem Stand der Technik möglich, jedoch weisen die bestehenden Technolo- gien Nachteile auf. Es gibt im Wesentlichen vier Alternativen: GNSS-basierte Syn- chronisation (siehe z.B. US-A-3 378 837, DE-A-19 914 355 und US-A- 2011/0116386), direkte terrestrische Funkverbindungen, satellitenbasierte Syn- chronisation mit gemeinsamer Sicht und Glasfasersynchronisation.

Eine wichtige Referenz, die eine kontextuelle Ähnlichkeit aufweist, ist [1]. Darin beschreiben die Autoren ein Positionierungsverfahren, das auf Pseudoentfernungs- messung basiert, bei dem der Positionierungsbenutzer (z.B. ein Flugzeug) eine bestimmte Annahme zu den Uhren auf den Pseudoliten tätigt und diese wirksam einsetzt, um eine Positionsschätzung zu berechnen, die robust gegenüber be- stimmten Arten von Uhrfehlern und Ausfällen ist. Eine wesentliche Voraussetzung ist, dass eine Reihe von Beobachtungen über ein Zeitintervall hinweg zur Verfü- gung stehen muss. Dies hat den Nachteil, dass der Synchronisationsfehler mit räumlicher Unsicherheit verbunden wird und somit die Fehler von einer Pseudolit- uhr in andere Uhren eingekoppelt werden.

Nach dem Stand der Technik wird bei der Navigation von Flugzeugen entweder auf Satelliten, wie GPS oder Galileo, oder auf terrestrischen Baken, die nicht miteinan- der synchronisiert sind, zurückgegriffen. Aus Betriebsgründen wäre ein Netzwerk von eng synchronisierten "Pseudoliten", das unabhängig von Navigationssatelliten (GPS/Galileo) ist, hinsichtlich Robustheit und Sicherheit vorteilhaft, ist jedoch nicht in großem Maßstab verfügbar. Am ehesten entspricht die MLAT einem synchroni- sierten Netzwerk von Pseudoliten, ein System, das zur Lokalbereich-Multilateration in der Umgebung von Flughäfen verwendet wird, bei dem eine einzige MLAT-Ein- richtung einen einzigen Flughafen bedient. Stattdessen würden weiträumige Navi- gationsdienste die Navigation in der Umgebung vieler Flughäfen ermöglichen.

Im Gegensatz dazu bietet diese Erfindung keine Positionslösungen, sondern funk- tioniert wie eine Momentaufnahme, ohne auf Messreihen zurückgreifen zu müssen. Zu den Vorteilen gehören die präzise Zeitsynchronisation zwischen Pseudoliten so- wie die Fähigkeit, andere Benutzer mit dem Pseudolitnetzwerk zu synchronisieren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber [1] ist die Tatsache, dass das Ver- fahren keine Kenntnis der Flugzeugposition erfordert, solange die On-Board-Ver- arbeitungszeit zum Weiterleiten von Nachrichten entweder konstant ist oder kom- pensiert werden kann. Dies bedeutet, dass sich Fehler bei der Positionsschätzung nicht in Synchronisationsfehlern zwischen Pseudoliten widerspiegeln.

Eine weitere nützliche Referenz ist [2], da in dieser beschrieben wird, wie ein pseu- dolitenbasiertes Navigationssystem funktionieren würde, wenn eine entspre- chende Synchronisation verfügbar wäre. Die Autoren gehen davon aus, dass Pseu- doliten-Cluster miteinander synchronisiert werden sollen, ohne technologische An- nahmen für die Implementierung zu treffen. Theoretisch würde dies ähnlich wie eine Langstreckennavigation (LORAN) funktionieren, bei der Sender zu "Ketten" gruppiert werden und Empfänger mindestens zwei Sender in Sicht aufweisen müs- sen, von jeder Kette, die für die Positionsberechnung verwendet werden soll. Das gleiche Prinzip unterliegt der Arbeit in [2]: Pseudoliten-Cluster können eine Posi- tionierung bereitstellen, solange mindestens zwei Pseudoliten von jeglichem gege- benen Cluster sichtbar sind.

Derzeit bestehende weiträumige Synchronisationslösungen sind abhängig von Technologien, die eine hohe Vorlaufinvestition und/oder erhebliche Betriebsausga- ben erfordern. Einerseits gibt es auf glasfaserbasierte Synchronisationsverfahren, bei denen jeder Pseudolit mit allen anderen verbunden sein muss, mittels speziel- ler Glasfasertechnologie. Andererseits gibt es satellitenbasierte Synchronisations- verfahren, jedoch sind die Kosten, um Nutzlasten in die Umlaufbahn zu bringen, hoch, was diese Verfahren zu einer sehr teuren Lösung macht.

1. Die GNSS-basierte Synchronisation wird nicht als eine brauchbare Alternative für Systeme betrachtet, die unabhängig von einem GNSS sind.

2. Die Synchronisation mit direkten Funkverbindungen zwischen terrestrischen Baken erfordert in der Regel entweder eine Sichtlinienverbindung zwischen Stationen oder einen gut charakterisierte stationären Funkkanal zwischen den Stationen. Bei Sichtlinienverbindungen kommt es aufgrund der Dichtheit der Funkstationen zu einem erheblichen Anstieg der Installationskosten. Besteht keine Sichtlinienverbindung, sind die Kosten geringer, jedoch sind die Varia- bilität des Funkkanals aufgrund des Wetters oder anderen Einflüssen zu hoch, um eine aussagekräftige terrestrische Pseudoentfernungsmessung zu unter- stützen.

3. Die satellitenbasierte Synchronisation bewältigt viele der Probleme der ter- restrischen Funkverbindung. Die Hauptnachteile sind die verringerte Verfüg- barkeit und die hohen Kosten für Betrieb und Wartung. Die verringerte Ver- fügbarkeit kommt dadurch zustande, dass die Satellitenumlaufbahnen eine eingeschränkte Kinematik aufweisen; dadurch kann das Aktualisieren der Synchronizität zwischen zwei benachbarten Pseudoliten mehrere Umlaufperi- oden in Anspruch nehmen, bis sie fortgesetzt werden kann. Zudem erfordern die Inbetriebnahme, der Start und der Betrieb eines jeden Satelliten erhebli- che finanzielle Mittel.

4. Das bestehende Verfahren mit der besten Synchronisationsleistung ist die Synchronisation mittels Glasfasernetzwerken. Dieses Verfahren nutzt die ge- ringe Verzögerungszeit, die durch diese Hochgeschwindigkeits-Kommuni- kationstechnologie ermöglicht wird. Jedoch sind die Installationskosten für das Vergraben der Glasfaserkabel ebenfalls hoch.

5. Das Verfahren aus [1] bietet eine vergleichbare Fähigkeit zur Synchronisation von Pseudoliten beim Navigieren eines Flugzeugs. Der wesentliche Unter- schied besteht darin, dass deren Verfahren vier Pseudoliten in Sicht erfordert, da es auf dem Lösen für eine Own-Ship Position basiert, während diese Er- findung lediglich erfordert, dass die beiden zu synchronisierenden Pseudoliten im Sichtfeld des Flugzeugs sind. Die Erfindung erfordert keine Berechnung der Own-Ship Position, um eine Synchronisation zu ermöglichen. Die Ergeb- nisse können jedoch durch Messungen der Dopplerfrequenz verbessert wer- den.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Synchronisation der Zeitbasen zweier terrestrischer Einrichtungen anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Synchronisa- tion der Zeitbasen mindestens zweier terrestrischer Einrichtungen mittels drahtlo- ser bidirektionaler Kommunikation zwischen den mindestens zwei Einrichtungen (Synchronisationsdialog) vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren a) mindestens eine terrestrische erste Einrichtung über einen ersten Kommuni- kationskanal ein erstes Synchronisationssignal drahtlos an mindestens ein erstes Flugobjekt sendet, b) das erste Flugobjekt das erste Synchronisationssignal empfängt und nach Verstreichen einer Verzögerungszeit das erste Synchronisationssignal ggf. in veränderter Form über einen zweiten Kommunikationskanal drahtlos an min- destens eine terrestrische zweite Einrichtung sendet, c) die mindestens eine zweite Einrichtung ihrerseits über einen dritten Kommu- nikationskanal ein zweites Synchronisationssignal drahtlos an das erste Flug- objekt oder an ein zweites Flugobjekt sendet, wobei im dritten Kommunika- tionskanal im Wesentlichen die gleichen Kanalbedingungen herrschen wie im zweiten Kommunikationskanal, d) das erste oder das zweite Flugobjekt das zweite Synchronisationssignal emp- fängt und nach Verstreichen einer Verzögerungszeit das zweite Synchronisa- tionssignal ggf. in veränderter Form über einen vierten Kommunikationskanal drahtlos an die mindestens eine erste Einrichtung sendet, wobei im vierten Kommunikationskanal im Wesentlichen die gleichen Kanalbedingungen herr- schen wie im ersten Kommunikationskanal, e) die Schritte a) bis d), falls erforderlich, wiederholt oder mehrfach wiederholt werden, wobei die jeweiligen, bidirektional versendeten Synchronisationssig- nale Informationen zur Synchronisation der Zeitbasen der zu synchronisie- renden Einrichtungen enthalten, f) wobei insbesondere gilt, dass das erste Synchronisationssignal eine Informa- tion über den Zeitpunkt seines Sendens von der ersten Einrichtung (d.h. über seinen Absendezeitpunkt) erhält und mit dem ersten Synchronisationssignal dessen Laufzeit für die Übertragung über den ersten Kommunikationskanal und den zweiten Kommunikationskanal an die zweite Einrichtung übertragen wird und dass das zweite Synchronisationssignal eine Information über den Zeitpunkt seines Absendens (d.h. über seinen Absendezeitpunkt) von der zweiten Einrichtung enthält und mit dem zweiten Synchronisationssignal des- sen Laufzeit für die Übertragung über den dritten Kommunikationskanal und den vierten Kommunikationskanal an die erste Einrichtung übertragen wird.

Das Verfahren zur Synchronisation von Zeitbasen zweier oder mehrerer Einrich- tungen durch bidirektionales Senden von Synchronisationsinformation enthalten- der Signale ist grundsätzlich bekannt, und zwar z.B. aus [3], [4] oder [5].

Die Erfindung ermöglicht eine neue Art von Synchronisation zwischen terrestri- schen Sendern, die häufig als Navigationshilfen (NavAids) für die zivile Luftfahrt verwendet werden. Das System und Verfahren setzen Funkverbindungen zwischen diesen terrestrischen Sendern und einem Flugobjekt im Flug wirksam ein, um als Synchronisationssignale zu dienen. Der Einsatz eines Flugobjekts, wie z.B. eines Flugzeugs im Betrieb hat den Vorteil, dass Betriebsausgaben reduziert werden können, was in der Regel mit einer leistungsstarken Synchronisation verbunden ist.

Das Hauptmerkmal der Erfindung ist die Verwendung von projektierter Kommuni- kationshardware als ein Funkrelais mit gemeinsamer Sicht. Der Kommunikations- standard für das digitale Luftfahrtkommunikationssystem im L-Band (LDACS) kann wirksam eingesetzt werden, um luftgestützte Kommunikationsrelais bereitzustel- len, die bei entsprechend konzipierter Hardware eine Synchronisation zwischen Bodenstationen ermöglichen würden.

Die Hardware, die erforderlich ist, um die Bodenstationen miteinander zu synchro- nisieren, wird nun Teil der Kommunikationsausstattung an Bord jedes Verkehrs- flugzeugs. Dies ermöglicht ein beispielloses Maß an Redundanz bei der Synchroni- sation von Netzwerken von Pseudoliten. Dies macht das Bodennetz widerstands- fähig gegen Störungen in der Synchronisation.

Wenn bestehende Kommunikationsprotokolle wirksam eingesetzt werden können, beinhaltet die vorgeschlagene Lösung eine Entwicklung der Verarbeitung, jedoch keine größeren Investitionen in Infrastruktur oder Wartung. Dies macht die Erfin- dung zu einer sehr kostengünstigen Synchronisationslösung.

Die Erfindung basiert auf der Synchronisation von Pseudoliten, ohne dass ein luft- gestütztes Relais die Own-Ship Position berechnen muss. Aus diesem Grund bietet die Erfindung eine höhere Verfügbarkeit als bestehende Vorschläge [1], [2].

Unter "Kanalbedingungen" im Sinne dieser Erfindung werden diejenigen Eigen- schaften eines drahtlosen Kommunikationskanals verstanden, die die Übertragung von Signalen bestimmen (Kanalimpulsantwort). Hierzu zählt beispielsweise, ob der Übertragungskanal ein Einzelpfad- oder ein Mehrfachpfad- Kommunikationskanal ist. Die Annahme, dass der dritte Kommunikationskanal im Wesentlichen die glei- chen Kanalbedingungen aufweisen soll wie der zweite Kommunikationskanal und dass der vierte Kommunikationskanal im Wesentlichen die gleichen Kanalbe- dingungen aufweisen soll wie der erste Kommunikationskanal, gilt sehr gut für das Beispiel, dass das Flugobjekt ein Flugzeug ist. Bei diesem Anwendungsfall trifft die Annahme recht gut zu. Im urbanen und terrestrischen Verkehr könnte dies anders zu beurteilen sein, weil dort sehr viel mehr Reflektionen existieren (Häuserwände, Bäume, Fahrzeuge, etc.), die sich auch noch relativ schnell verändern können. Flugzeuge hingegen fliegen relativ hoch und um sie herum existieren keine die drahtlose Kommunikation behindernde Flugobjekte, die in das Signal reflektieren könnten. Am Boden kann es dagegen durchaus zu Reflektionen kommen, aber diese sind in der Regel stabiler als in Häuserschluchten.

Im Wesentlichen "gleiche Kanalbedingungen" bedeutet, dass die Einzelpfad- oder Mehrfachpfad-Ausbreitung des Signals im Wesentlichen gleich ist. Unterbrechun- gen des Kanals durch z.B. Hindernisse sollten nicht zu befürchten sein. Im Idealfall herrscht für die Dauer eines Synchronisationsvorgangs beim ein- oder mehrmali- gen Hin- und Hersenden der Synchronisationssignale eine "Sicht-Verbindung" der jeweiligen Einrichtung mit dem jeweiligen Flugobjekt.

Bei der erfindungsgemäßen Zwei-Weg-Synchronisation sollte der Hinweg-Kanal und der Rückweg-Kanal im Wesentlichen gleichbleiben. Solange sich also der bei- spielsweise Multipfad von Hinweg und Rückweg nicht signifikant ändert, ist eine Zwei-Weg-Synchronisation, wie sie mit der Erfindung vorgeschlagen wird, auf je- den Fall durchführbar. Sie sind mehr als ein Flugobjekt involviert, gilt das zuvor Gesagte entsprechend.

In zweckmäßiger Weiterführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Syn- chronisationssignal eine Information über den Zeitpunkt seines Sendens, d.h. über seinen Absendezeitpunkt, von der ersten Einrichtung erhält und mit dem ersten Synchronisationssignal dessen Laufzeit für die Übertragung über den ersten Kom- munikationskanal und den zweiten Kommunikationskanal an die zweite Einrich- tung übertragen wird und dass das zweite Synchronisationssignal eine Information über den Zeitpunkt seines Absendens, d.h. über seinen Absendezeitpunkt, von der zweiten Einrichtung enthält und mit dem zweiten Synchronisationssignal dessen Laufzeit für die Übertragung über den dritten Kommunikationskanal und den vier- ten Kommunikationskanal an die erste Einrichtung übertragen wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann durch Ausnutzung des Doppler- Effekts auf eine Veränderung des Abstandes von involviertem Flugobjekt zu involvierter terrestrischer Einrichtung beschlossen und diese Abstandsänderung bestimmt werden, um Signallaufzeitveränderungen, die aus einer Veränderung des Abstandes resultieren, kompensieren zu können. In diesem Zusammenhang kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Synchronisationssignale eine bekannte Fre- quenz, insbesondere eine bekannte Trägerfrequenz aufweisen und dass das jewei- lige Objekt oder die jeweiligen Einrichtungen das oder die ein Synchronisations- signal empfängt, eine Information über eine potenzielle Doppler-Verschiebung der Frequenz des empfangenen Synchronisationssignals ermittelt und dass diese In- formation zur Kompensation einer potenziellen Laufzeitänderung des empfange- nen Synchronisationssignals verwendet wird. Hierbei kann ferner mit Vorteil vor- gesehen sein, dass aus einer Doppler-Verschiebung der Frequenz eines Synchro- nisationssignals eine Veränderung des Abstandes von involviertem Flugobjekt und involvierter terrestrischen Einrichtung ermittelt wird und daraus die Auswirkungen aufgrund der aus der Veränderung des Abstands resultierenden Veränderung der Laufzeit des Synchronisationssignals korrigiert werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Flugobjekt immobil ist oder sich relativ zu der ersten und der zweiten Einrichtung bewegt oder dass das zweite Flugobjekt, sofern vorhanden, immobil ist oder sich relativ zu der ersten und der zweiten Einrichtung bewegt oder dass ein Flugobjekt der beiden Flugobjekte, sofern das zweite Flugobjekte vorhanden ist, immobil ist und das andere Flugobjekt sich relativ zu der ersten und der zweiten Einrichtung bewegt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrere erste und dass mindestens eine zweite Flugobjekt oder dass mindestens eine erste und mehrere zweite Flugobjekte vorhanden sind, die entweder immobil sind oder sich relativ zu der ersten und der zweiten Einrichtung bewegen oder, dass einige der ersten und/oder zweiten Flugobjekte immobil sind und andere der ersten und/oder zweiten Flugobjekte sich relativ zu der ersten und der zweiten Einrichtung bewegen.

Alternativ dazu kann erfindungsgemäß in vorteilhafter Weiterbildung auch vorge- sehen sein, dass die mindestens eine erste Einrichtung und/oder die mindestens eine zweite Einrichtung jeweils als eine feststehende Einrichtung, z.B. als eine Bo- denstation (für insbesondere die Luftfahrt) ausgebildet ist.

Bei dem mindestens einen ersten Flugobjekt und, sofern vorhanden, bei dem zwei- ten Flugobjekt kann es sich (jeweils) um ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flug- zeug, eine Drohne, ein Luftschiff oder einen anderen Flugkörper handeln.

Nachfolgend werden anhand der Figuren einzelne Ausführungsbeispiele der Erfin- dung mehr erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

Fig. 1 ein theoretisches Setup für eine Zeitübertragung zwischen zwei terrestri- schen Baken unter Verwendung eines luftgestützten Funkrelais,

Fig. 2 ein Timing-Diagramm eines Synchronisationsdialogs zwischen zwei Bo- denstationen,

Fig. 3 eine Darstellung einer Synchronisation eines einzelnen Paars von Uh- ren/Pseudoliten unter Verwendung mehrerer luftgestützter Relais,

Fig. 4 eine Darstellung einer Synchronisation mehrerer Paare von Pseudoliten (dargestellt durch Uhren) mit einem einzelnen luftgestützten Relais,

Fig. 5 ein Netzwerk von Pseudoliten (dargestellt durch Uhren), die durch die mehreren luftgestützten Relais synchron gehalten werden, und Fig. 6 eine Darstellung diverser Anwendungen der präzisen Zeitsynchronisation über die Luftfahrt hinaus.

Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Funkrelais, das dazu in der Lage ist, zeitgestempelte und authentifizierte gepackte Daten, die vom Boden aus über- tragen werden, zu entschlüsseln, Empfangs- und Rückübertragungszeittempel hin- zuzufügen, die Daten erneut zu verschlüsseln und mit extrem geringer Verzöge- rungszeit zurück zum Boden zu übertragen.

Die von dem luftgestützten Funkrelais erforderte Schlüsselfähigkeit ist, dass es Zeitanfragen mit konstanter Verzögerungszeit verarbeitet. Die Größe der Verzö- gerungszeit ist nicht kritisch, lediglich ihre Variabilität.

Die Herausforderung, Flugzeugdynamik in dem Funkrelais präzise zu modellieren und zu kompensieren, ist ein wesentliches Merkmal für eine erfolgreiche präzise Zeitübertragung. Das Modell muss jegliche Asymmetrien in dem Ausbreitungsweg von zwischen zwei Bodenstationen berücksichtigen. Beispielsweise, wenn sich das luftgestützte Relais mit einer hohen Relativgeschwindigkeit bewegt, unterscheidet sich die Flugzeit des Funksignals von Station Gl (über das luftgestützte Relais) zu Station G2 von der Flugzeit von G2 (über das luftgestützte Relais) zu Gl (siehe z.B. Fig. 1). Die beste erreichbare Leistung kommt zustande, wenn die Sichtlini- engeschwindigkeit des luftgestützten Relais zu den zu synchronisierenden Statio- nen Null beträgt, wobei diese Situation grundsätzlich nicht bei hohen Frequenzen auftritt.

In Fig. 1 ist die Ausbreitungszeit von Gl zu G2 zum Zeitpunkt tl die Summe der Laufzeit von der ersten terrestrischen Einrichtung Gl zu Flugzeug O (über den ersten Kommunikationskanal D) zum Zeitpunkt tl und die Laufzeit von Flugzeug O zum Zeitpunkt tl zu der zweiten terrestrischen Einrichtung G2 (überden zweiten Kommunikationskanal E) . Zum Zeitpunkt t2 geht die Ausbreitungszeit von G2 zu Gl über Flugzeug O durch den dritten Kommunikationskanal F (von G2 zu O) und den vierten Kommunikationskanal G (von O zu Gl). Es sei darauf hingewiesen, dass sich |A(tl) - Gl | + |G2 - A(tl)| von der Entfernung (Weg) |A(t2) - G2\ +

| Gl — A(t2)| unterscheidet.

Eine präzise Kompensation für diese Asymmetrie in dem Funkrelais ist wesentlich für die Vorhersehbarkeit von Ergebnissen und daher ebenso dafür, die Fähigkeit, bessere Luftverkehrsdienste und andere sicherheitskritische Anwendungen unter- stützen zu können.

Das Timing-Diagramm in Fig. 2 zeigt sämtliche relevante Ereignisse, die in der Synchronisation von GS1 und GS2 stattfinden müssen. Die grundlegende Glei- chung lautet wie folgt: Der Ausdruck D ₁₂ steht für den Zeitversatz zwischen Gl und G2. Die gleiche Zeit- versatzmessung ist D ₂₁ = D' ₁₂ . Wenn diese zwei Zeiten identisch wären, wäre die Synchronisation perfekt. Unregelmäßigkeiten bei der Modellierung von D ₁₂ führen zu einer weniger als perfekten Synchronisation. Die Unregelmäßigkeiten werden in den "Hardwareverzögerungsausdrücken" d _xy erfasst, die kalibriert werden kön- nen, und in den "Ausbreitungsverzögerungsausdrücken", die sich über die Zeit verändern können. Eine wichtige Annahme ist, dass Ausbreitungsverzögerungen im Voraus präzise modelliert werden können. Beispielsweise durch Kenntnis der Relativgeschwindigkeit zwischen Flugzeug und jeder Bake aus der Dopplerfre- quenz.

Die Zeitstempel stehen für "Beobachtungen", d.h. für die tatsächlichen Messun- gen, die eine Zeitübertragung ermöglichen. Das Flugobjekt kann derart konstruiert sein, dass immer die gleiche Verzögerung zwischen empfangenem und weitergeleitetem Signal eingeführt wird, wodurch der Term (DA - D/0 gestrichen werden kann. Die Ausbreitungsverzögerungen müssen berücksichtigt werden, es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nur die Differenz zwischen Pfaden relevant ist. Zuletzt ermöglichen die Differenzen zwischen instrumenteilen Verzögerungen deren Einfluss zu reduzieren, jedoch muss das Ausmaß solch einer Entschärfung untersucht werden. Wenn die Hardwareverzögerungen über kurze Zeit nahezu konstant sind (z.B. die thermische Reaktion der Sender-Empfänger und Antennen ausreichend langsam ist), werden diese weitgehend entschärft oder sogar aufge- hoben.

Über ein kurzes Zeitintervall (bei einer angenommenen Entfernung von 200 km zwischen dem Luftfahrzeug und jeder der Stationen beträgt die gesamte Pfadver- zögerung weniger als 10 ms; selbst durch Addieren einiger Verarbeitungs- und Hardwareverzögerungen kann die Gesamtsignalumlaufzeit für die Synchronisation weit unter 1 s liegen), können die beiden Versätze D12 und D ^' ₁₂ als nahezu gleich- wertig betrachtet werden (je nach Grad der Stabilität, den die lokalen Uhren an den beiden Stationen bieten, aber innerhalb von 1 s liegt man in der Regel weit unter jedem messbaren Schwellenwert). Unter dieser Annahme kann Plattform 1 den Signalumlaufaustausch wie folgt mittein:

D _12,av ( D ₁₂ + D' ₁₂ )/2 (2)

Das ist der Ausdruck der allen Zwei-Weg-Zeitübertragungsalgorithmen zugrunde liegt, wobei ein nennenswertes Beispiel das Network Time Protocol (NTP) ist, das zur Zeitverteilung über das World Wide Web verwendet wird. Die meisten Algo- rithmen (z.B. NTPv4) arbeiten unter der Annahme symmetrischer Verzögerungen: alle "Störterme" heben sich auf und der Zeitversatz wird einfach geschätzt, indem die Terme mit Zeitstempeln auf der rechten Seite der Gl. (1) beibehalten werden. Im vorliegenden Fall ermöglicht die Übertragung zwischen zwei Stationen über ein Luftfahrzeug diese Vereinfachung möglicherweise nicht. Nehmen wir ein Luftfahr- zeug, das sich von Station 1 mit einer Geschwindigkeit relativ zum Boden von 300 m/s entfernt: Die Differenz zwischen den Ausbreitungsverzögerungen in dem Term (diA - CJAI) entsteht durch die Bewegung des Luftfahrzeugs während seiner Kommunikation mit Station 2. Bestenfalls sendet das Luftfahrzeug das Signal an Station 1 zurück nach einem Zwei-Weg-Austausch mit Station 2, der ungefähr 1,3 ms dauert (bei einem Abstand von 200 km zwischen Luftfahrzeug und Sta- tion 2) zuzüglich Hardware- und Verarbeitungsverzögerungen. Geht man von 5 ms zwischen dem Empfang der Daten von Station 1 und der Rückmeldung des Flug- zeugs an Station 1 aus, so ist die Verzögerung der Rückmeldung um 300 ^. 0.005 = 1.5 m länger, was etwa 5 ns entspricht. Wenn die Hardwareverzögerungen über kurze Zeit als konstant angenommen werden und gleichermaßen auch die zugrun- deliegende Luftfahrzeugverzögerung angesehen werden kann, kann Zeit mit dem folgenden relativ einfachen Ausdruck übertragen werden:

D12,av = ( (t1 T + t1 R ) - (t2 T + t2R ) + (d1A - dA1 + d2A - d1A ) )/2 (3)

Dieser Ansatz sollte eine Reihe von technischen Anforderungen sowohl an die Verfahren als auch an die Einrichtung erfüllen:

I. Die Datennachrichtstruktur ist unter Berücksichtigung präziser Zeitstempe- lung zu konstruieren. Datenstruktur und Hardware-Implementierung sind unter Berücksichtigung dieses Aspekts zu konstruieren. Insbesondere die Präzision der Zeitstempelung ist von großer Bedeutung.

II. Die Entfernungsmessfähigkeiten bestimmen die Genauigkeit der Modellierung von Ausbreitungsverzögerungen. Eine Entfernungsmessgenauigkeit von 10 m (l-s) lässt sich in eine Unsicherheit von etwa 33 ns bei der Modellierung des letzten Terms in Gl. (3) übersetzen.

III. Die Hardwareverzögerungen dürfen keine kurzfristigen Verzerrungen mit sich bringen, d.h. die Hardwareverzögerungen sollten eine sich langsam verän- dernde Hüllkurve haben.

IV. Die Luftfahrzeug-Relais-Einrichtung könnte ein einfacher Repeater sein. Es wäre vorteilhaft, einen solchen Repeater so zu konstruieren, dass eine kon- stante Verzögerung zwischen dem empfangenen und dem weitergeleiteten Signal eingeführt wird, oder eine Schätzung dieser Verzögerung bereitgestellt wird, wenn die Verzögerung nicht konstant gehalten werden konnte.

In Bezug auf Punkt II. könnte es vorteilhaft sein, die Verwendung von Doppler- Messungen zu analysieren, um die Schätzung der differentiellen Ausbreitungsver- zögerungen weiter zu verbessern. Die gemessene Doppler-Verschiebung bezieht sich auf die Sichtlinien-Komponente der Geschwindigkeit i/|os als

V/los = —l _o Df (4) wobei l ₀ die nominale Übertragungswellenlänge bei einer Nennfrequenz fo ist, Df die gemessene Frequenzverschiebung ist and c die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei einer Nennfrequenz von 1 GHz beträgt die Wellenlänge 30 cm. Bei einer Signal- umlaufzeit DRT von Übertragung bis zum Empfang an Station 1, wird der Term {dlA - dAl) durch V |os DRT angenähert, woraus sich Folgendes ergibt: dlA - dAl -lo DRTDf (5)

Der Fehler bei der Schätzung der differentiellen Pfadverzögerung ad breitet sich aus als ad = lo DRTsDf (6) wobei dann etwa 30 cm (1 ns) Fehler pro Einheit Doppler-Messfehler (Hz) für eine Übertragung bei 1 GHz eingeführt werden. Der Zeitparameter kann herausgenom- men werden, wenn berücksichtigt wird, dass die Doppler-Messung zur Verfeine- rung über das gleiche Intervall gemittelt werden sollte. Die Doppler-Messfähigkeit ist dann wichtig, um den Grad der Genauigkeit zu verstehen, der durch das System erreicht werden kann.

Zusammenfassend kann kurz Folgendes gesagt werden

Die Zeitübertragung (d.h. die Messung des Uhren Versatzes zwischen den zwei Stationen) wird durch Gl. (2) erhalten. Die Terme in Gl. (2) werden wie in Gl. (1) dargestellt erhalten.

Wenn sich die zweite, dritte und vierte Gruppe von Termen auf der rechten Seite der Gl. (1) ("Störterme") aufheben würden, würde Gl. (2) den genauen Zeitversatz zwischen den Stationen angeben.

In Wirklichkeit sind die "Störterme" immer vorhanden und führen zu einem Fehler bei der Bestimmung des Versatzes zwischen den Stationen. Dieser Fehler kann wie folgt entschärft werden:

Dank der in Gl. (2) vorgenommenen Differenzierung heben sich die meisten Differenzen in Gl. (1) auf. Insbesondere die Restverzögerung des Luftfahrzeugs ist nahe Null, wenn die Luftfahrzeug-Relaiseinrichtung eine konstante Verzögerung zwischen dem Empfang und der Weiterlei- tung der Signale aufrechterhält.

Die Hardwareverzögerungen heben sich für den Anwendungsbereich dieser Anwendung größtenteils auf: Diese Terme ändern sich langsam im Laufe der Zeit, hauptsächlich aufgrund von Temperaturschwankun- gen, und der typische Austausch zwischen zwei Stationen in dieser An- wendung liegt auf der Sub-Sekunden-Ebene. Innerhalb weniger Sekun- den weisen die Hardwareverzögerungen sehr geringe Schwankungen auf und tragen nicht wesentlich zum Gesamtfehler bei der Versatzschät- zung bei.

Der Hauptterm, der die Bestimmung des Versatzes verzerrt, ist derje- nige, der die differentiellen Ausbreitungsverzögerungen enthält, die durch die Bewegung der Plattform während des Zwei-Wege-Austauschs induziert werden. Diese könnten effektiv modelliert und beseitigt wer- den, wenn man die unterschiedlichen Entfernungen zwischen dem Luft- fahrzeug und den beiden Stationen während des Austauschs kennen würde. Diese Informationen können im Doppler kodiert werden, was eine direkte Messung der sich ändernden Sichtlinie zwischen Stationen und Luftfahrzeug ist. Wie in Gl. (5) gezeigt, bezieht sich die Doppler- Messung (Delta f) direkt auf die Differenz zwischen zwei Ausbreitungs- pfaden und kann daher zur Bestimmung der Ausbreitungsverzögerun- gen in Gl. (1) verwendet werden. Dementsprechend können die Doppler-Messungen verwendet werden, um den Hauptbeitragenden zum Fehler bei der Bestimmung des Versatzes zu be- stimmen. Die Doppler-Messungen erlauben es, die Differenz zwischen der von der ersten Station angegebenen Zeit und der von der zweiten Station ange- gebenen Zeit besser zu bestimmen, die nun weitgehend von dem durch die Ausbreitungsverzögerungen verursachten Fehler befreit ist.

Synchronisation von Pseudoliten und Pseudoentfernungsmessungs-An- wendungen in der Luftfahrt

Das Potenzial für Auswirkungen auf Luftfahrtanwendungen liegt in der Fähigkeit, Pseudoliten miteinander zu synchronisieren. Wenn diese Fähigkeit gegeben ist, können Netzwerke von Funknavigationsbaken im Pseudoentfernungsmessungs- Modus (oder passivem Entfernungsmessungs-Modus) arbeiten. Eine passive Ent- fernungsmessung ist vorteilhafter als eine aktive Entfernungsmessung, bei der die Verarbeitungskapazität eins Bakens eingeschränkt ist, da die Pseudoentfernungs- messung keine Interaktion mit dem Benutzer eines Entfernungsmessungssystems erfordert. In diesem Sinne könnte die Erfindung die Luftverkehrsnavigation sowie Kommunikations- und Überwachungsdienste unterstützen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung greift nicht auf ein einzelnes luftge- stütztes Funkrelais zurück, sondern auf eine Vielzahl von Funkrelais, die parallel arbeiten. Dies führt zu Redundanz bei der Synchronisation, die sich in höhere Prä- zision oder zusätzliche Robustheit oder beides übersetzen lässt. In diesem Sinne kann die Synchronisation zweier Pseudoliten gleichzeitig durch eine beliebige An- zahl von Flugzeugen gehen, sofern alle Flugzeuge beide Pseudoliten sehen. Das Addieren unabhängiger Beobachtungen (d. h. von mehreren simultanen Kanälen) der gleichen physikalischen Einheit (d. h. Zeit) ergibt eine genauere Schätzung durch einen Faktor proportional zur Quadratwurzel der Anzahl von Beobachtungen. Auf ähnliche Weise können mehrere Paare von Uhren von einem beliebigen luftge- stützten Relais synchronisiert werden. Eine Folge dieser zwei Verfahren ist, dass eine vollständig vernetzte Lösung ebenfalls umsetzbar ist, in der mehrere Paare von Uhren durch mehrere luftgestützten Relais synchronisiert werden.

Eine Schlüsselkomponente der Luftfahrtanwendung ist der Bootstrapping-Prozess. Bootstrapping bezieht sich auf den Selbstinitialisierungsprozess, welcher das Sys- tem von einem nicht in Betrieb befindlichen Zustand in einen Stationärzustand versetzt. Bootstrapping wäre lediglich in einer ganz bestimmten Situation erfor- derlich: bei einem vollständigen Ausfall von satellitenbasierten Navigationsdiens- ten und einer kompletten Stilllegung des Luftraums. In diesem Fall müsste ein einziges Flugzeug in den Luftraum geschickt werden, das lediglich mit einem Ba- rometer und einem Kompass ausgestattet ist. Sobald sich mehr als ein Pseudolit in Sicht des Flugzeugs befindet, wird die Synchronisation ermöglicht. Sobald die ersten drei Pseudoliten synchronisiert sind, kann das Flugzeug seinen eigenen Breitengrad und Längengrad berechnen und der Luftverkehr kann wieder aufge- nommen werden.

Mit entsprechender Modellierung kann das Verhalten der Pseudoliten über die Zeit vorhergesagt werden. Dies ermöglicht es, Lücken in der Konnektivität zu schlie- ßen. Beispielsweise, wenn zwei Uhren kein gemeinsames Funkrelais in Sicht auf- weisen, können diese innerhalb der Grenzen des verfügbaren Dynamikmodells im- mer noch synchron gehalten werden. In diesem Sinne können Uhren derart aus- gewählt werden, dass deren Dynamikmodell auf einer Zeitskala stabil ist, die grö- ßer ist als Ausfälle in der Konnektivität. Wenn man zwei Pseudoliten in einem Teil der Welt, in dem ein Flugzeug stündlich vorbeifliegt, synchronisieren würde, müss- ten die Uhrenmodelle für die Pseudoliten über mehr als eine Stunde stabil sein, damit dieses Verfahren funktioniert.

Die Kombination der letzten beiden Merkmale, Dynamikmodelle und vernetzte Synchronisation, ermöglicht ein vollständig asynchrones Protokoll. In diesem Fall bezieht sich asynchron auf die Fähigkeit des Systems, neue Informationen zu einer beliebigen gegebenen Zeit aufzunehmen, ohne auf bestimmte Bedingungen war- ten zu müssen (z.B. bei einer satellitenbasierten Synchronisation muss man ggf. warten, bis der Satellit sichtbar wird, mit einer Umlaufperiode in der Größenord- nung von Stunden).

Präzise Zeitübertragungsdienste für Non-Aviation-Sektoren der Wirt- schaft

Dazu könnten sichere, prüffähige Zeitdienste gehören, wie sie für Bankanwendun- gen, aber auch für forensische Anwendungen, zeitbasierte Abrechnung oder Netz- werksynchronisierung verwendet werden können. Danke der Erfindung ist es mög- lich, auch entfernte Uhren ohne komplexe Infrastruktur zu synchronisieren, so- lange ein Overhead-Luftverkehr besteht; Beispiele sind Ölplattformen, Offshore- Windparks und Umweltüberwachungsstationen.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass sie bei angemessener Produktgestaltung und -Vermarktung wirtschaftlich umsetzbare Zeitübertragungs- dienste ermöglicht, welche die Belastbarkeit bestehender Systeme erhöhen könn- ten. Dies könnte wirksam als Einnahmequelle genutzt werden, die in gewisser Weise dabei helfen würde, die anfänglichen Installationskosten zu decken. Die Er- findung kann ebenfalls wirksam eingesetzt werden, um eine Synchronisation für bestehende Untergruppen von Funknavigationssystemen bereitzustellen. Als Bei- spiel seien Empfängerketten in der Langstreckennavigation (LORAN) und deren Weiterentwicklungen (z.B. eLORAN) genannt. LORAN-basierte Systeme arbeiten basierend auf terrestrischen Sendern, die innerhalb jeder Kette miteinander syn- chronisiert sind, während Sender von anderen Ketten nicht synchronisiert sind. Ein Overlay-Dienst zur externen Synchronisation zwischen verschiedenen Ketten würde die Reichweite der LORAN-basierten Navigation in vielen Teilen der Welt verbessern.

Die Erfindung sieht eine auf Luftverkehr basierende Synchronisation von Pseudo- liten vor. Wie vorstehend beschrieben, schlägt die Erfindung eine Lösung des Prob- lems vor, große Anzahlen terrestrischer Baken miteinander zu synchronisieren. Durch Lösen des Problems wird eine neue Klasse von Navigationshilfen basierend auf passiver Entfernungsmessung ermöglicht, anstatt aktiver Entfernungsmes- sung, die sich wiederrum mit der grundlegende Kapazitätsfrage befasst, die jeder aktiven Entfernungsmesstechnologie zugrunde liegt. Das Verfahren der Synchro- nisation ist eine Zwei-Wege-Zeitübertragung, die eine Hochgeschwindigkeits-Kom- munikationsverbindung zwischen Sendebaken erfordert. Herkömmliche Ausgestal- tungen greifen auf Glasfaserkommunikationsverbindungen oder satellitenbasierte Kommunikationsverbindungen zurück, die beide erhebliche Investitionen und Be- triebsausgaben erfordern. Bei der vorgeschlagenen Lösung ist lediglich ein funk- basierter Datenkanal erforderlich, der mit jeder digitalen Funkkommunikations- technologie umgesetzt werden kann.

In der Luftfahrt besteht das Bedürfnis, Satellitennavigationstechniken, basierend auf passiver Entfernungsmessung, für terrestrische Signale einzusetzen. Der Fort- schritt wird jedoch durch die Herausforderung behindert, eine Vielzahl von Entfer- nungsmessungsquellen zu synchronisieren. Ein Teil der Herausforderung liegt da- rin, dass keine Garantie für eine ungehinderte Sichtlinie zwischen zwei Standorten besteht, und ein anderer Teil stammt aus einer praktischen Sicht der Dinge: Stand- orte, die sich mit Navigationshilfen befassen, sind in der Regel nicht mit Hochge- schwindigkeitsdatennetzwerken oder Glasfaserdatennetzwerken verbunden und die Installation solcher Verbindungen ist teuer. Die gemäß der Erfindung vorge- schlagene Lösung ist, luftgestützte Funkrelais zu verwenden, die dazu in der Lage sind, präzise Zeitstempelung und digitale Kommunikation mit geringer Verzöge- rungszeit durchzuführen.

Die Entwicklung neuer Kommunikationsstandards für die Luftfahrt hat zudem zu der Entwicklung unterschiedlicher neuer Einsatzmöglichkeiten geführt, darunter auch Pseudoentfernungsmessung für nicht GNSS-basierte Navigation. Die Erfin- dung erforscht ein weitere Einsatzmöglichkeit digitaler Kommunikationssysteme für die Zeitsynchronisation, da dies unter anderem einen Einfluss auf die Pseudo- entfernungsmessung haben würde. Ein synchronisiertes Netzwerk von Pseudoliten würde unterschiedliche Navigati- onsdienste ermöglichen, die unabhängig von Satellitennavigation sind und häufig als Alternative Position, Navigation, and Timing (APNT) bezeichnet werden. Beste- hende Vorschläge zur Synchronisation von Pseudoliten beinhalten satellitenba- sierte Synchronisation sowie Synchronisation mittels Glasfaserverbindungen [3]. Jede dieser Technologien hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Erfindung prä- sentiert einen anderen Ansatz, der weniger Vorlaufinvestitionen in die Infrastruk- tur erfordert als glasfaserbasierte Synchronisation und gleichzeitig eine größere Dienstverfügbarkeit als satellitenbasierte Synchronisation bietet.

Synchronisation, die nicht auf GNSS-Satelliten basiert, wird beispielsweise bei der Synchronisation von LORAN-Sender [6]; es ist ein bewährtes Verfahren, erfordert jedoch einen dedizierten Satelliten und bietet nur sporadische Verfügbarkeit. Diese beiden Merkmale bedeuten erhöhte Betriebsausgaben im Vergleich zu der vorge- schlagenen Lösung: die Inbetriebnahme, der Start und der Betrieb eines Satelliten sind kostspielig, während durch sporadische Deckung die Anforderungen an die Langzeitstabilität des Lokaloszillators steigen.

Andererseits sind mit der Synchronisation über Glasfaserverbindungen hohe In- stallationskosten verbunden, die für jede aktive Bodenstation gedeckt werden müssen. Eine mögliche Abhilfe für dieses Problem ist, Stationen einzusetzen, bei denen bereits Glasfasern zur Verfügung stehen, jedoch wird diese Beschränkung durch die vorgeschlagene Erfindung obsolet.

Vorgeschlagene Lösung: Zwei-Weg-Zeitübertragung

Das Wesentliche der Zwei-Weg-Zeitübertragung ist, dass zwei Bodenstationen miteinander synchronisiert werden können, wenn sie eine gemeinsame Funkrelais- station aufweisen [4]. Bei satellitenbasierter Zeitübertragung, wie vorstehend be- schrieben, wäre es die Wahlmethode. Die Grundannahme ist, dass die Zeit, die das Signal benötigt, um sich über das Relais (d_ab) von Bodenstation A nach Bodenstation B zu bewegen, die gleiche Zeit ist, die über das Relais (d_ba) von B zu A benötigt wird.

Zum Realisieren einer Zwei-Weg-Zeitübertragung sendet Station A eine Anfrage an Station B zum Zeitpunkt T_as. Die Anfrage wird bei Station B zum Zeitpunkt T_br empfangen und eine Antwort wird entweder unmittelbar oder nach einer be- stimmten, kalibrierten Verzögerung zum Zeitpunkt T_bs gesendet. Die Antwort wird bei Station A zum Zeitpunkt T_ar empfangen. Nach Empfangen der Antwort kann Station A den Synchronisationsfehler mit Station B berechnen, vorausge- setzt, dass d_ba gleich d_ab ist.

Verwendung des Luftverkehrs als luftgestütztes Relais

Täglich befinden sich mehr als 9.000 Flugzeuge über Deutschland. Gemäß der Er- findung wird diese Beobachtung als Grundlage einer Annahme verwendet, dass viele Paare von terrestrischen Pseudoentfernungsmessungs-Stationen in Deutsch- land im Verlauf eines Tages mindestens ein gemeinsames Flugzeug in Sichtweite aufweisen, ggf. sogar mehr als eins. Das heißt, dass eine Synchronität zwischen Pseudoliten aufrechterhalten werden kann, solange der Luftverkehr ausreichend dicht ist. Wenn der Luftverkehr nicht dicht genug ist, um das vorgeschlagene ver- teilte Synchronisationsschema zu unterstützen, ist zu erwarten, dass das Luftver- kehrsmanagement in der Lage ist, mit der verminderten Navigationsleistung zu- gehen.

Bereitstellung des Dienstes

Während manche Autoren annehmen, dass die Funktion eines APNT-Systems Na- vigationsdienste unmittelbar nach einem Ausfall von GNSS bereitstellt, als eine "Return-Home-Funktion", ist es auch lohnenswert über Strategien zum Initiieren des Luftverkehrs bei einem GNSS-Ausfall nachzudenken, wenn der Luftraum leer ist. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung ein Backbone-Untergruppe von terrestri- schen Stationen vor, die mit einem anderen Verfahren synchronisiert werden müssen (z.B. Glasfaser) und eine Strategie zum Bootstrapping vollständiger Syn- chronität zwischen Transpondern unter Verwendung des regulären Luftverkehrs. Das Backbone-Netzwerk und die Bootstrapping-Strategie werden im späteren Ver- lauf erläutert.

Erwartete Ergebnisse

Das erwartete Ergebnis der Untersuchung ist eine Reihe von Anforderungen für die Zwei-Weg-Timing-Technologie. Es wird zudem bewertet, ob eine Synchronisation mit gemeinsamer Sicht für das Einsatzszenario angemessen ist oder ob es opti- miert werden muss, um nicht unerhebliche Asymmetrien in den Verzögerungswe- gen aufzunehmen. Ein weiteres erwartetes Ergebnis ist die Netzwerkdichte, die erforderlich ist, um einen stabilen Betrieb bei niedrigem Verkehrsaufkommen auf- rechtzuerhalten.

BEZUGSZEICHENLISTE

Gl terrestrische Einrichtung G2 terrestrische Einrichtung 01 erstes Flugobjekt 02 zweites Flugobjekt D erster Kommunikationskanal E zweiter Kommunikationskanal F dritter Kommunikationskanal G vierter Kommunikationskanal

LITERATURVERZEICHNIS

[1] Süß, Belabbas, Meurer: Joint Positioning and Time Synchronization for APNT. Proc. of the International GNSS Meeting of the Institute of Navi- gation, 2013. Nashville, TN

[2] Süß, Belabbas, Furthner, Meurer: Robust Time Synchronization Methods for Future APNT. Proc. of the International GNSS Meeting of the Institute of Navigation, 2012. Nashville, TN.

[3] Matsakis, Defraigne, Banerjee: Precise Time and Frequency Transfer. Radio Science Bulletin No 351. December 2014

[4] Levine: A review of Time and Frequency Transfer Methods. Metrologia, No 45. 2008

[5] D. Kirchner: Two-Way Time Transfer Via Communication Satellites, Pro- ceedings of the IEEE, vol.79, no. 7, pp. 983-990, July 1991

[6] A. Helwig, G. Offermans, C. Schue: Wide-Area "Sky-Free" Positioning, Navigation, Timing and Data. Proceedings ION GNSS 2012. Nashville, TN