NO762378L - - Google Patents

Description

"Fremgangsmåte og apparat til synkronisering av , hovedtidsbas.issystemer og lokale ti.dshasissystemer"

Den foreliggende oppfinnelse angår synkronisering av tidsbasis-systemer, og mer spesielt en fremgangsmåte og et apparat til synkronisering av én eller flere fjerntliggende lokalklokker og oscillatorfrekvenser med en hovedklokke og en hovedklokkefrekvens.

Der er utviklet felles navigasjons- og styresystemer som tillater en gruppe av bruker-luftfartøyer, -skip eller kjøretøyer som danner et driftsfellesskap, å navigere og å styres ved bruk av navigasjons- og ledesignaler som mottas fra et hoved- eller styre-luftfartøy, -skip, -kjøretøy eller -bakkestasjon. Brukergruppens medlemmer er forbundet med hverandre og med hovedenheten ved radio-linker som benytter dekodede signaler for, identifikasjon, tids-angivelse for hendelser og dataoverføring. De over radio utsendte signaler tillater navigasjon ved tresidige beregninger, og overfører hoved-navigasjonsdata fra styreenheten til brukerfartøyene. Tids-delingsteknikker som gir multippel adkomst, blir benyttet sammen med de digitalt kodede radiooverføringssignaler for å tillate toveis kommunikasjon mellom gruppens medlemmer og styreenheten, og også for å lette identifikasjonen av medlemmene .'' : Tidsbasisen for systemet er "sann tid" og består av suksessivt gjentatte system-sykluser e"ller "perioder" . Hver systemperiode eller syklus har en bestemt varighet og er oppdelt i et antall like tids-"intervaller". Hver av brukerenhetene og styreenheten er tildelt et særskilt tidsintervall i systemsyklusen, slik at toveis radiokommunikasjon mellom styreenheten og hver av brukerenhetene kan foregå i brukerens tidsintervall en gang i løpet av hver systemsyklus. Når tidsbasisen i hver av brukerenhetene er synkronisert med tidsbasisen i styreenheten, kan de digitalt dekodede radiosignaler benyttes til å fast-legge tidspunkt og rekkefølge av hendelser og bestemme avstands målinger i skrå retning mellom enheter. Selvsagt er nøyaktigheten og påliteligheten av systemer av denne type i stor utstrekning avhengig av graden av synkronisme mellom klokkesystemene i brukerenhetene og klokkesystemet i styreenheten. Da medlemmene i fellesskapet kan innbefatte luftfartøyer, skip eller andre bevegelige objekter, kan der ikke benyttes noen felles kraftforsyning, og synkroniseringen av klokkesystemene i enhetene må utføres ved hjelp av radiosignaler. Den synkroniseringsteknikk som benyttes, må ikke bare være meget nøyaktig og pålitelig, men også omfatte mekanismer som er robuste og egner seg til bruk på land, på sjøen og i luften.

Foruten i gruppe-navigasjonssystemer benyttes tidsbasis-synkroniserings-systemer ofte til å synkronisere klokkesystemene i en flerhet av meget fjerntliggende datamaskiner og/eller industrielle styresystemer for å tillate felles utnyttelse av datamaskiner og/eller anvendelse av felles industriell styring. Dessuten brukes tidsbasis-synkronisering ved ren tidsmåling for å gjøre det mulig å synkronisere én eller flere fjerntliggende klokker med visuell visning med en hovedklokke for å skaffe nøyaktig og jevn visuell tidsvisning overalt.

Tidligere kjente tidsbasis-synkroniseringssystemer utfører generelt tidsbasis-korreksjonen ved tilbakestilling eller binding av den lokale tidsbasis for å gjøre den målte tidsfeil null innenfor kvantiseringsnivået for målingen. Denne teknikk gjør nøyaktigheten av et slikt system direkte avhengig av nøyaktigheten av den diskrete tidsfeil-måling, som selvsagt er forvrengt av støy og forringet ved systemfeil. Da tidssynkroniserings-feilen måles momentant, er den utsatt for store avvik i stabil tilstand på grunn av den iboende korte tidskonstant som kommer i betraktning, og fordi tidligere avvik og tidsfeil-korreksjoner ikke gjenspeiler seg i det korreksjons-signal som skriver seg fra den øyeblikkelige tidsfeil-måling. Et slikt system har ikke fordelen av å ta et gjennomsnitt av flere tidsfeil-målinger for å skaffe et tidsfeil-signal som er avhengig av den hastighet som tidssynkroniseringsfeilene endrer seg med i løpet av en korttids-historie. Ved tidligere kjente systemer blir dessuten frekvenskorreksjonene generelt ikke gitt til. lokal-oscillatorene som skaffer basis-klokketakten, med det resultat at kvaliteten og nøyaktigheten på den fremskaffede lokale tidsbasis er sterkt avhengig av kvaliteten av de lokal-oscillatorer som benyttes, så bruk av forholdsvis rimelige, markedsførte oscillatorer av dårlig kvalitet, er utelukket. Noen av de kjente tidsbasis-synkroniseringssystemer benytter frekvens- og tidsstandard-radiosignaler som kringkastes fra radiostasjoner tilhørende National Bureau of Standards. Sammenlignende mottagere benyttes til å sammenligne mottatte frekvens- og tidssignaler med frekvens og tid i lokale tidsbasis-systemer for å frembringe et feilsignal som så benyttes til å bringe de lokale systemer i synkronisme med utsendte frekvens- og tidsstandarder. Disse systemer er med hensyn til nøyaktighet, avhengige av en langtids-integrasjon som* krever meget lange tidsrom for gjennomshittsbestemmelse.. Det.nødvendige utstyret er innviklet og dyrt og passer vanligvis bare til bruk i et overvåket laboratoriemiljø.

En hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en fremgangsmåte og et apparat til tidsbasis-synkronisering, hvor synkroniserings-feilsignalet avspeiler hastighetsendringen av tidsfeil i en korttids-historie slik at den resulterende tidsbasis-korreksjon gjenspeiler den ferske historie om hvilke tidligere tids-korreksjoner som var nødvendige.

En ytterligere hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte og et apparat til tidsbasis-synkronisering som kan benyttes, ikke bare til å binde fjerntliggende, lokale klokker til en hovedklokke, men også til å utføre lokale,oscillatorfrekvens- og fasekorreksjoner.

Enda en hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte og et apparat til tidsbasis-synkronisering, hvorved det blir mulig å benytte forholdsvis rimelige markedsførte lokaloscillatorer av beskjeden kvalitet i de lokale tidsbasis-systemer uten å ofre nøyaktigheten og påliteligheten av systemene.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte og et apparat til tidsbasis-synkronisering, hvor frekvens- og tidskorreksjonene utledes fra digitale filterteknikker som simulerer driften av et enkelt Kalman-filter.

En videre hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en fremgangsmåte og et apparat til tidsbasis-synkronisering som ved bruk av kodede eller ukodede radiosignaler skaffer rask, nøyaktig binding av fjerntliggende lokale klokker og oscillatorer til en hovedklokke og -oscillator.

Endelig er det en hensikt med denne oppfinnelse å skaffe en fremgangsmåte og et apparat til tidsbasis-synkronisering som gjør det mulig å anvende mekanisk robust utstyr som egner seg til bruk i luftfartøys-, skips- og andre driftsmiljøer.

Sagt i korthet tillater tidsbasis-synkroniseringssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse at én eller flere lokale tidsbasis-systemer som hvert har en oscillatordreven klokke, blir synkronisert med et hoved-tidsbasissystem som omfatter en oscillatordreven klokke. Tidssynkroniseringsfeilen mellom systemene måles på forhåndsbestemte prøvetidspunkter, og frekvens- og fasekorreksjonssignaler for lokal-oscillatorene og tidskorreksjonssignaler for de lokale klokker utledes fra de målte feil på hvert prøvetidspunkt. Oscillatorkorreksjons-signalene tilføres den lokale oscillator, og tidskorreksjons-signalene tilføres den lokale klokke med forsterkninger som er en funksjon av størrelsen av feilen og antallet av prøvetidspunkter mellom korreksjonene, slik at de utførte korreksjoner baserer seg på hastighetsendringen av feil i en fersk historie om tidligere feilkorreksjoner og ikke bare på den øyeblikkelige verdi av den målte feil på hvert prøvetidspunkt. De enkelte oscillator-og klokkeforsterkninger som benyttes for en spesiell korreksjon, bestemmes ved styretilstanden i det lokale synkroniseringssystem som har en programmert styretilstandssekvens hvor overføring mellom styretilstander for store opprinnelige feil utføres automatisk for et forhåndsbestemt antall sekvensielt forekommende korreksjoner og er avhengig av størrelsen av feilen for mindre, påfølgende korreksjoner. Oscillator- og klokke-korreksjonsforsterkningene for en spesiell styretilstand kan være konstant eller variabel eller kan bero på summering av en konstant med en variabel. Den variable som benyttes, er antall prøvetidspunkter mellom korreksjonene, et antall som ved konstant prøvehastighet i virkeligheten er et mål for den tid som er forløpet mellom korreksjoner. Et digitalfilter som tilnærmet virker som et enkelt Kalman-filter, benyttes for. å frembringe de lokale oscillatorfrekvens- og fasekorreksjonssignaler og tids-korreks jonen for den lokale klokke.

Oppfinnelsens natur og andre hensikter og ytterligere for-deler ved oppfinnelsen vil lettere forstås for fagfolk etter gjennom-lesning av den følgende detaljerte beskrivelse under henvisning til tegningen.

Fig. 1 er et skjematisk diagram som viser styre-tidsbasisen

i forhold til en bruker-tidsbasis så vel som overføringssekvensen for grov-synkroniserings-, fin-synkroniserings-forespørsel- og fin-

synkroniserings-svar-signaler i tidsbasis-synkroniseringssysternet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et funksjons-blokkskjerna over et tidsbasis-synkroniseringssystem oppbygget i samsvar med den foreliggende oppfinnelses lære. Fig. 3 er et styretilstands-sekvensdiagram som viser de klokke- og oscillator-korreksjonsforsterkninger som benyttes i hver styretilstand, og sekvensen av styretilstandene under synkroniseringen i det gruppe-navigasjonssystem som beskrives. Fig. 4A og 4B viser utgangssignalet fra sekundærtelleren i styre-tidsbasissystemet som funksjon av tiden for henholdsvis den situasjon hvor synkroniseringsfeilen er null, og den situasjon hvor synkroniseringsfeilen er forskjellig fra null.

Fig. 5A og 5B viser utgangssignalet fra sekundærtelleren i

et bruker-tidsbasissystem som funksjon av tiden for henholdsvis den situasjon hvor synkroniseringsfeilen er null, og den situasjon hvor en synkroniseringsfeil foreligger.

Fig. 6A og 6B viser utgangssignalet fra tidsintervall-tidtagningsseksjonen i hovedtelleren i brukerenheten for henholdsvis en situasjon hvor der ikke finnes noen synkroniseringsfeil, og en situasjon hvor der foreligger en synkroniseringsfeil. Fig. 7 er et funksjons-blokkdiagram som viser aritmetikk-seksjons-regnemaskinen som frembringer oscillatorfrekvensen og fase-korreksjonene og klokkekorreksjonene. Fig. 8 er et funksjons-blokkdiagram over et tidsbasis-synkroniseringssystem som utgjør en alternativ utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse.

På fig. 1 ses hoved-tidsbasisen 20 for hovedstyreenheten i

et fellesskaps-navigasjonssystem i forhold til bruker-tidsbasisen 21 for et brukerfartøy "N" i systemet. I det viste system frembringer hovedstyreenheten en hoved-tidsbasis som består av suksessivt gjentatte system-sykluser eller -"perioder". Hver systemsyklus eller,

-periode som frembringes ved hovedstyreenheten, består av en serie av 1.024 separate tidsintervaller, hvorav ett er tilordnet hovedstyreenheten, og de øvrige tidsintervaller er tilordnet hvert sitt av brukermedlemmene i drifts-fellesskapet, slik at der i eksemplet er mulighet for 1.02 3 systembrukere. Ved det valgte eksempel er varigheten av en enkel syklus eller, periode 2,68 sekunder, slik at hvert av tidsintervallene innenfor perioden har en varighet på 2,62 milli-

sekunder. Tidsbasisen hos hovedstyreenheten på fig. 1 er for over-siktens skyld avkortet og viser intervall "0" som er tilordnet hovedstyreenheten, intervall "N" som er tilordnet bruker N, og intervall "1.023" som er tilordnet bruker 1.023 i fellesskapet. Tidsbasisen 21 som frembringes individuelt av hvert av. gruppens bruker-medlemmer, er den samme som tidsbasisen hos hovedstyreenheten og vil også bestå av 1.024 intervaller som hvert har en varighet på

2,62 millisekunder og en periode på 2,68 sekunder.i det viste eksempel.

I et gruppe-navigasjonssystem av den ovennevnte type er det vesentlig at lokal-tidsbasisen som frembringes hos hver system-bruker, er i nær synkronisme med den tidsbasis som frembringes ved . hovedstyreenheten, siden der skjer toveis radiokommunikasjon mellom hver bruker og hovedstyreenheten i løpet av det spesielle tids-, intervall som er tildelt den bestemte bruker. Radioforbindelsene mellom hovedstyreenheten og brukerne benyttes for å tillate navigering ved triangulering under anvendelse av radio-avstandsmålinger i skrå retningen mellom brukerne og hovedstyreenheten ved forskjellige posisjoner i et navigasjonsgitter som bestemmer fellesskapets drifts-område. Synkronisering oppnås ved bruk av grov-synkronisering, forespørsel om finsynkronisering og finsynkroniserings-svar i form av radiosignaler som er kodet digitalt ved særskilte koder for å identifisere dem til brukende og styrende medlemmer av drifts-fellesskapet. Hvert av disse synkroniseringssignaler kan hensikts-messig frembringes ved bruk av tofase-modulasjons-teknikk, og såkalt "Barker"koding kan tas i bruk for å identifisere det respektive spesielle synkroniseringssignal. Barker-koden kan f.eks. bestå av et sekvensielt overført tog av 13 bits.. Benyttes tofase-modulasjons-teknikk, vil hvert bit være definert som nærvær eller fravær av et faseskift i det utsendte RF-signal.Radiomottagerne som mottar signalene, kan benytte differensialfase-dekoding som er asynkron i drift. Under dekodingen summerer mottageren amplituden av det mottatte sekvensielle pulstog under varigheten av toget, og den resulterende utgangspuls får sin amplitude multiplisert med antall bits i Barker-koden. Den resulterende puls, som er en tids-bestemmende puls som i det foregående eksempel innleder en spesiell hendelse, ville ha en amplitudeforsterkning på 13 siden der benyttes en 13-bits kode. Det vil imidlertid forstås at enhver passende fremgangsmåte til overføring og mottagning av synkroniseringssignaler kan benyttes ved den foreliggende oppfinnelse, avhengig av den tiltenkte anvendelse.

På fig. 1 er tidsbasisen 21 hos en bruker N i drifts-fellesskapet vist ute av synkronisme med tidsbasisen 20 i hovedstyreenheten. Når tidsbasisen i hovedstyreenheten frembringer intervall 1.023, vil følgelig bruker-tidsbasisen frembringe et intervall "X". Ved begynnelsen av intervall 0, som er tilordnet hovedstyreenheten

i fellesskapet, overfører denne et grov-synkroniseringssignal 22

som mottas av alle brukerfartøyene i gruppen, deriblant bruker N. Når dette signal mottas av bruker N, benyttes det til å tilbakestille brukerens klokke- eller tidsbasis til start av en periode som vist på fig. 1. Da grov-synkroniseringssignalet mottas av bruker N

etter en forsinkelse t lik overføringstiden av RF-signalet mellom hovedstyreenhet og bruker, vil brukerens tidsbasis ha en synkroniseringsfeil E i forhold til hovedstyreenhetens tidsbasis lik gangtiden for RF-signalet. På dette stadium er der oppnådd grov-synkronisering mellom hovedstyre- og brukerklokkene. Etterhvert som systemsyklusen eller perioden fortsetter, nås intervall N i bruker-klokken. Da dette' tidsintervall er spesielt tildelt bruker N, overfører denne N ved starten av sitt intervall "N" et.finsynkroniserings-spørresignal 23, som mottas av hovedstyreenheten på et tidspunkt T i intervallet "N" i styreenhetens tidsbasis. Når hovedstyreenheten mottar dette signal, måler den medgått tid mellom starten av sitt intervall N og mottagningen av finsynkroniserings-spørresignalet på tidspunktet T. Hovedstyreenheten overfører deretter et finsynkroniserings-svarsignal 24 på det tidspunktet (10-T) av sitt intervall N, som ligger i en tidsavstand fra slutten av dette intervall lik avstanden T fra starten av intervallet.. Når finsynkroniserings-svarsignalet 24 mottas av bruker N, måler brukeren medgått tid mellom mottagningen av finsynkroniserings-svarsignalet og slutten av sitt intervall N. Lengden av den således målte, medgåtte tid er lik to ganger den tidssynkroniseringsfeil E som forekommer mellom bruker- og hovedstyre-enhetsklokkene. Da nå bruker N har fått informasjon om størrelsen av den dobbelte feil E, kan den nå innstille sin lokale tidsbasis med en halvdel av den målte størrelse for derved å bringe sin tidsbasis i synkronisme med tidsbasisen i hovedstyreenheten.

På fig. 1 er f.eks. tidsbasisen 21 for bruker N vist å være ute av synkronisme med hovedstyreenhet-tidsbasisen 20 med to enheter av et ti enheters intervall. Antas det nå at RF-gangtiden t ir mellom hovedstyreenheten og bruker utgjør to enheter av et intervall, vil finsynkroniserings-spørresignalet 23 som utsendes av bruker N, bli mottatt av hovedstyreenheten på et tidspunkt T som ligger fire enheter fra begynnelsen av intervallet N. Hovedstyreenheten over-fører da finsynkroniserings-svarsignalet 24 på et tidspunkt som ligger fire enheter fra enden av intervallet N, så finsynkroniserings-svarsignalet mottas av brukeren N på et tidspunkt som ligger fire enheter fra dens intervall N. Brukeren N måler da en"medgått tid på fire enheter fra mottagning av finsynkroniserings-svarsignalet til enden av sitt intervall N og innstiller sin lokale klokke med en forskyvning lik halvparten av denne størrelse, dvs. med en forskyvning på to enheter. Følgelig innstiller brukeren N sin klokke til å begynne sending av neste intervall når åtte enheter av dens intervall N har forløpet, så dens korrigerte tidsbasis 25 blir i synkronisme med tidsbasisen 20 i hovedstyreenheten. Finsynkroniserings-spørresignalet og finsynkroniserings-svarsignalet overføres hver for seg av henholdsvis brukeren og hovedstyreenheten en gang for hver fullstendige system-syklus eller periode, så synkroniseringsfeilen E blir målt en gang for hver systemsyklus, hvilket i det ovenstående eksempel vil si en gang hvert 2.68 sekund. Når den første finsynkronisering av bruker-tidsbasisen med hovedstyreenhet-tidsbasisen er oppnådd, vil grovsynkroniseringssignalet som ble utsendt av hovedstyreenheten ved begynnelsen av intervall 0, ikke lenger bli brukt, da det automatisk ville si et tap i synkronisme mellom tidsbasisene hos brukerén N og styreenheten lik gangtiden for RF- eller grovsignalet. Følgelig blir grovsynkroniserings-signalet bare benyttet av brukeren N når synkronisering eller utjevning oppnås for første gang, f.eks. når brukeren N for første gang slutter seg til. det driftsfellesskap som styres av hovedenheten.

Et funksjons-blokkdiagram over et synkroniseringssystem oppbygget i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære, er vist på fig. 2. Systemet på fig. 2 kan benyttes for både hovedstyre-medlemmet og brukermedlemmene av fellesskapet. Når .systemet benyttes for hovedstyre-medlemmet, vil dets tidsbasis-korreksjonslogikk være uvirksom fordi hovedtidsbasisen danner.referanse eller "master" for hele fellesskapet så der ikke behøves noen korrigering. Systemet på fig. 2 vil derfor hovedsakelig bli beskrevet i forbindelse med sin bruk hos et brukermedlem av gruppen. En hoved-digitalteller eller deler 30 og en spenningsstyrt relaksjonsoscillator 31 sørger for å frembringe den lokale tidsbasis for hvert forbrukermedlem i fellesskapet. For brukeren danner disse enheter sammen et.klokkesystem som benyttes i navigeringssystemet, og som må holdes i synkronisme med det tilsvarende klokkesystem i hovedstyreenheten. Den spenningsstyrte oscillator 31, som kan omfatte en oscillator av forholdsvis beskjeden kvalitet, har en utgangsfrekvens som styres av en spenning som tilføres oscillatoren.fra utgangen fra en digital/analog-omforraer 32 som på sin side drives av de digitale utgangssignaler fra en opp/ned-teller 33. Opp/ned-telleren 33 settes til å begynne med i en midlere telleverdi somøkes eller minskes med et antall pulser proporsjonalt med. den målte synkroniseringsfeil. Inngangs-signalene til denne teller styrer oscillatorfrekvens og -fase samt fortegn eller retning av korreksjonen. Forsterkningen av oscillatorkorreksjonen bestemmes ved den klemme på opp/ned-telleren som korreksjonssignalet tilføres, slik det vil bli forklart i det følgende. Tids-utgangssignalet 34 fra hovedtelleren 30 frembringer bruker-tidsbasisen som skal holdes i synkronisme med tidsbasisen i hovedstyreenheten. Dette utgangssignal i brukerenheten kobles til senderlogikken, som bevirker at finsynkroniserings-spørresignalet utsendes ved begynnelsen av det intervall som er tildelt brukeren.

I hovedstyreenheten bevirker, tids-utgangssignalet 34 at senderlogikken frembringer grovsynkroniserings-signalet ved begynnelsen av hovedstyreenhet-intervallet 0.

En sekundær teller eller deler 35 benyttes i synkroniseringssystemet til å utføre en flerhet av funksjoner. Denne teller er en arbeidsteller som utfører synkroniseringsfeil-målinger i brukerenheten i fellesskapet ved måling av medgått tid mellom mottagning av finsynkroniserings-svarsignalet og slutt av det intervall som er tildelt brukeren. Følgelig har sekundærtelleren et utgangssignal 36 som uttrykker den målte synkroniseringsfeil i digital form. Hos styremedlemmet i fellesskapet skaffer sekundærtelleren et tids-ut.gangssignal 37 som tilføres radio-senderlogikken for å frembringe et finsynkroniserings-svarsignal på det bestemte tidspunkt før slutten av det intervall som er tilordnet brukeren. Denne virkemåte av sekundærtelleren forhindres når synkroniseringssystemet brukes i et brukerfartøy. Den tredje funksjon som utføres av denne teller,

er avstandsmålinger i skrå retning som tjener til å bestemme avstand mellom innkoblede medlemmer i fellesskapet ved trekantberegninger

som angitt ovenfor. Både hovedtelleren 30 og sekundærtelleren 35 kan omfatte kjente digitale frekvensdelere. F.eks. kan hovedtelleren 30 omfatte en 28-bits digitaldeler som drives av et frekvensutgangssignal på 100 Mhz fra oscillatoren 31. Systemsyklusen eller -perioden bestemmes da ved varigheten av det mest betydningsfulle bit i hoveddeleren, og ved hjelp av perioden hos.

100 Mhz-oscillatoren 31 blir der tilveiebrakt en måleoppløsning på tilnærmet 10 nanosekunder. De 10 mest betydningsfulle bits hos hoveddeleren benyttes til intervalltellefunksjonen og de 18 minst betydningsfulle bits er reservert for intervall-lengde-funksjonen. Når en tids-synkroniseringsfeil måles av brukeren, må denne innstille fasen og frekvensen hos det lokale klokkesystem, slik at. tilstanden av hovedtelleren 30 på et hvilket som helst tidspunkt,

er den samme som tilstanden av hovedtelleren i hovedstyreenheten. Dette oppnår man ved å innstille den.totale fase av frekvenskilde pluss deler og ved å innstille frekvensen hos kilden. Som vist på fig. 2 benyttes utgangsfrekvensen 38 fra oscillatoren 31 til å

drive både hovedtelleren 30 og sekundærtelleren 35.

Resten av systemet på fig. 2. benyttes til å frembringe frekvens- og fasekorreksjonssignalene for oscillatoren og tids-korreks jonssignalene for hovedtelleren. Den programmerer styretilstander og virker som et digitalt filter for å frembringe tids-og frekvenskorreksjoner som funksjon av den målte synkroniseringsfeil og medgått tid siden siste korreksjon. Som det vil bli forklart senere, nærmer algoritmen for dette filter seg driften av et enkelt Kalman-filter, som i hovedsaken er et lineært filter med tidsvarierende forsterkninger. Filterlogikken aksepterer en målt tidsbasis-synkroniseringsfeil og bearbeider den i samsvar med filteralgoritmen for å frembringe en tidskorreksjon for hovedtelleren 30 og frekvens- og fasekorreksjoner for oscillatoren 31. Filteralgoritmen utjevner tids-, frekvens- og fasekorreksjoner for å skaffe nær synkronisme mellom brukerens oscillator og hovedteller og hovedstyreenhetens oscillator og hovedteller. Utviklingen av dette filter vil nå bli beskrevet for det ovenstående system.

Ved utviklingen av Kalman-filteret kan de feil som skyldes konstant oscillatordrift, uttrykkes ved ligningene:

hvor wn Q er frekvensfeil på tidspunktet t npå grunn av oscillatordrift, 6^ er fasefeil på tidspunktet t på grunn av oscillatordrift, co er oscillatordrifthastighet og At prøveintervallet... Den tilfeldige oscillatorstøy kan representeres ved en Markov-prosess med tidskonstant x (autokorrelasjonstid). Feilene på hvert prøvetidspunkt kan uttrykkes ved ligningene: og oo er frekvensfeilen på tidspunkt t på grunn av tilfeldig oscillatorstøy, 9n er fasefeil ved tidspunktet tRpå grunn av tilfeldig oscillatorstøy, Rner en tilfeldig Gaussisk variabel med gjennomsnitt null og standard avvik lik tilfeldig oscillatorstøy, x er autokorrelasjonstid for støyen og At er prøveintervallet. De totale fase- og frekvensfeil kan uttrykkes ved følgende ligninger:

Ut fra disse ligninger kan feildynamikkene skrives i matriseform som følger: —■— —r hvor 9T n er fasemålingen påo. tidspunkt t n , og Vner en tilfeldig Gaussisk variabel som representerer en tilfeldig målt feil.

De ovennevnte tilstands- og måleligninger omfatter et lineært system av formen:

For disse ligningssett kan man benytte et Kalman-filter for å oppnå et rekursivt optimalt anslag om de observasjoner Ynsom er gitt ved tilstandsvektoren X^. Tilstandsanslaget på. hvert prøvetidspunkt n er gitt ved:

hvor Xn er tilstandsanslaget på tidspunktet tR, £KnJer en for_ sterkningsmatriks og YR er observasjone n eller må linge n. Dersom den totale faser- og frekvens-feil, henholdsvis 0 og co, korrigeres efter hvei måling med en størrelse lik~de tilhørende tilstandsanslag, vil anslagsligningene bli: fordi £hJ J^fJ Xn-1 er gjort lik null. Således er hensikten ■__ _ _j her å korrigere de totale fase- og frekvensfeil (0 og w) når fase-målingene (0 T) er gitt. Korreksjonene er det negative av tilstands-anslagene som ble funnet, basert på de ovennevnte ligninger:

hvor Kcog Kq er forsterkningene for henholdsvis klokke og oscillator. De optimale verdier av disse forsterkninger er variable med tiden og er avhengige av prøvehastigheten såvel som kovarians-matrise-usikkerheter forbundet med alle fem tilstander.

Ved å bruke den ovennevnte lineære modell som hjelpemiddel ved konstruksjonen for å oppnå en passende tilnærmelse tilede optimale forsterkningsverdier, er det mulig å beregne og utvikle Kalman-forsterknings-matriseverdier ved bruk av følgende ligninger:

hvor j^pnJ er tilstands-kovariantmatrisen på tidspunktet tneller E(XX<T>) når alle observasjoner til og med innbefattet Y er gitt,

£MnJer tilstands-kovariansmatrisen på tidspunktet tn ellerE(XnXn<T>)

når alle observasjoner til og med Y _, er gitt, Q er konstant-oscillator-matrisen for tilfeldig støy gitt ved E(UnUn ) for en hvilken som helst verdi av n, og av er den konstante målefeil' på et hvilket som helst tidspunkt, gitt ved E(Vn^) for en hvilken som helst verdi av n.

I den ovenstående kovarians og for de beskrevne synkroniserings-problemer kan der antas en begynnelses-frekvensfeil på 1 Hz og 1 a, en begynnelses-fasefeil på 600 ms mellom bruker- og hovedstyreenhet-klokkene tillike med en tilfeldig oscillatorstøy på 0,1 Hz RMS, en langtids-driftsverdi på maksimalt 1 Hz pr. døgn samt en korrelasjons-tid for den tilfeldige oscillatorstøy på 4 timer. Med disse parametre kan den optimale forsterkning for oscillator- og klokkekorreksjonene bestemmes for de prøvetidsintervaller som benyttes. I det ovenfor beskrevne system er perioden på 2,68 sekunder tiden mellom oppdateringer for hvert brukermedlem i driftsfellesskapet og utgjør således prøveintervallet. For dette prøveintervall er de følgende forsterkningsvariasjoner funnet:

I den ovenstående tabell er N antall systemsykluser mellom oppdateringer. Fase- eller tidskorreksjon på AØ fra ligning (13) adderes til klokken, og en frekvenskorreksjon på Aco fra ligning (14) adderes til oscillatoren etter hver oppdatering. Klokkekorreksjonen av-rundes til klokkens digitaliseringstid som i det ovenfor angitte eksempel er 10 nanosekunder. Den overskytende rest som skyldes av-rundingen, kan man kompensere ved å foreta en fasekorreksjon av oscillatoren.

Tabell I anskueliggjør hvordan oscillator- og klokke-forsterkningene kan varieres idet synkroniseringssysternet gjennomgår suksessive oppdateringer. Etter at bruker-tidsbasisen er innledet ved grov-synkroniseringssignalet, finner den første oppdatering sted når det tidsintervall som er tilordnet brukeren nås i systemsyklusen. Under den første oppdatering som fremskaffes ved finsynkronisérings-spørresignalene og finsynkroniserings-svarsignalene i brukerens tidsintervaller i den foreliggende periode,•har klokkeforsterkningen Kcenhetsverdi, og oscillatorforsterkningen KQ er null. Under de neste fire suksessive oppdatéringer (oppdateringer 2, 3, 4 og 5) forblir klokkeforsterkningen på enhetsverdi, men oscillatorforsterkningen økes. For den sjette oppdatering reduseres klokkeforsterkningen med en konstant pluss en variabel som er avhengig av antallet av tapte oppdateringer N, og oscillatorforsterkningen reduseres til en lav verdi. Klokke- og oscillatorforsterkningene forblir på disse verdier under syvende og påfølgende oppdateringer, dog under den forut-setning at den målte synkroniseringsfeil E er.lik eller mindre enn en fastlagt telleverdi. Dersom feilen E ved en påfølgende oppdatering overskrider den fastlagte telleverdi for denne oppdatering og feilen ved neste oppdatering fremdeles overskrider den fastlagte telleverdi, skiftes systemet til en tilstand som kan ha høyere klokke- og oscillator-forsterkninger. Dersom feilen som overskrider den fastlagte telleverdi, ikke gjentas for de to suksessive, ovennevnte oppdateringer, holdes forsterkningene på de verdier som ble brukt ved sjette og syvende oppdatering fordi det antas at den høye feilverdi bare var en transient. Dersom feilen overskrider den fastlagte telleverdi med stor margin og gjentar seg i to suksessive oppdateringer, settes klokke- og oscillatorforsterkningene tilbake til de høye verdier som ble benyttet ved oppdatering 2, 3, 4 og 5, og styretilstandssekvensen for disse og påfølgende oppdateringer vil igjen bli repetert. Dersom feilen er større enn den fastlagte telleverdi, men ikke med så stor margin, og feilen gjentar seg i de to suksessive oppdateringer, vil systemet bli ført tilbake til den styretilstand som har mellomliggende klokke- og oscillator-forsterkninger.

De spesielle klokke- og oscillatorforsterkninger som benyttes for et bestemt system, vil i almindelighet være avhengige av den Kalman-filter-algoritme som benyttes i systemet, og denne vil i sin tur være avhengig av systemparametrene. F.eks. er det med de systemparametre og komponentkarakteristikker som ble beskrevet ovenfor, og med en periode på 2,68 sekunder med 1.024 tidsintervaller i hver periode, mulig å benytte de spesielle klokke- og oscillatorforsterkningsverdier som er angitt i den følgende tabell:

Også her er N antall perioder eller sykluser mellom oppdateringer. De ovenstående forsterkningsverdier er tilnærmelser som man er kommet frem til ved simuleringsteknikk for de systemparametre som er beskrevet ovenfor.

Et styretilstands-sekvensdiagram for tabell II er vist på figur 3, hvor de forskjellige styretilstander som brukerens synkroniseringssystem kan anta, er anskueliggjort ved parametre som klokkeforsterkning, oscillatorforsterkning, synkroniseringsfeil-telleverdi og antall perioder mellom oppdateringer. Som det vil ses på figur 3, blir brukerens synkroniseringssystem, når det til å begynne med slås på, bragt i en uvirksom tilstand 40, hvor det av- venter mottagning av grovsynkroniserings-signalet fra hovedstyreenheten. Når grovsynkroniserings-signalet mottas av brukeren, tilbakestilles dennes tidsbasis for å starte frembringelse av en ny periode med tidsintervall null, og brukerens system settes i styretilstand 41 for den første fin-oppdatering.. I denne tilstand har klokkeforsterkningen enhetsverdi, og oscillatorforsterkningen er null for å tillate korreksjon av store begynnelses-fasefeil.

For annen, tredje, fjerde og femte oppdatering gjennomløper brukerens system styretilstandene 42, 43, 44 og 45, hvor klokkeforsterkningen forblir på enhetsverdi, men oscillatorforsterkningen økes til 1/4 av enhetsforsterkningen. Økningen av oscillatorforsterkningen i løpet av annen til femte oppdatering tillater korreksjon av store begynnelses-frekvensfeil. Ved den sjette oppdatering skifter brukerens system til styretilstand 46, hvor klokkeforsterkningen reduseres til en verdi lik 1/8 av enhetsforsterkningen pluss en brøk N/32 som avhenger av antall perioder mellom oppdateringene. Oscillatorforsterkningen reduseres til en lav, stabil tilstands-verdi på 1/256 av enhetsf orsterkningen... Klokke- og oscillatorforsterkningene i styretilstanden for sjette oppdatering bibeholdes inntil synkroniseringsfeil-telleverdien E blir lik eller mindre enn 2, på hvilket tidspunkt brukerens system skifter til styretilstand 47. Klokke- og oscillatorforsterkningene i styretilstand 47 er de samme som i styretilstand 46 og bibeholdes på dette nivå og i denne styretilstand inntil feilen E blir større enn 2. Når feilen E blir større enn 2, skifter brukerens system til styretilstand 48, som igjen, bibeholder de samme stillstands-klokke- og oscillator-forsterkninger som i styretilstandene 46 og 47. Ved neste oppdatering vil brukersystemet, dersom feilen E er lik eller mindre enn 2, bli ført tilbake til styretilstand 47, forutsatt at den høyere feilverdi bare var en transient og følgelig ikke ble gjentatt ved suksessive oppdateringer. Hvis på den annen side feilen E er større enn 2 når systemet er i styretilstand 48, blir brukersystemet ført. tilbake til en av de tidligere styretilstander, avhengig av feilens størrelse.

Er feilen større enn 2, men mindre eller lik 20, føres brukersystemet tilbake til styretilstand 46, som innebærer de stabile tilstandsverdier av klokke- og oscillatorforsterkninger som kan ta seg av en liten korreksjon. Er feilen E større enn 20 samtidig som systemet befinner seg i styretilstand 48, skifter brukersystemet tilbake til styretilstand 42, som har de høyere klokke- og oscillatorforsterkninger som skal til for å ta seg av de større feilverdier. Systemet følger deretter de programmerte sekvenser av styretilstander 42, 43, 44, 45, 46 og 47 inntil feilen er redusert til et akseptabelt nivå. Det skulle dermed være klart at digitalfilteret virker til å frembringe tids- og frekvenskorreksjonsdata som funksjon av målt synkroniseringsfeil og medgått tid siden den siste korreksjon eller oppdatering. Det er hovedsakelig et enkelt lineært filter med tidsavhengige forsterkninger.

Idet der igjen henvises til fig. 2, vil digitalfilterets virkemåte nå bli belyst i forbindelse med komponenter som inngår i systemet. Som vist på fig. 2 blir et grovsynkroniserings-inngangs-signal 50 og et finsynkroniserings-svarinngangssignal 51 tilført synkroniseringstilstands-styrelogikken 52. Grovsynkroniserings-inngangssignalet 50 har form av en puls som representerer det digitalt kodede RF-signal som ble utsendt fra hovedstyreenheten. Når det digitalt kodede RF-grovsynkroniseringssignal mottas av brukeren, blir det dekodet for å gi en utgangspuls som representerer signalet. Den anvendte dekoder kan f.eks. omfatte kjente digital-sammenligningskretser som sammenligner et kjent digitalt signal med et ukjent signal på en bit-for-bit basis for å frembringe et puls-utgangssignal når der foreligger fullstendig identitet av digital informasjon. På lignende måte blir finsynkroniserings-svarsignalet av typen RF dekodet for å frembringe en finsynkroniserings-svarpuls 51, slik at synkroniseringstilstands-styrelogikken 52 bare mottar de pulser som representerer mottagning av disse signaler. Synkroniseringstilstands-styrelogikken 52 styrer forsterkningen for oscillatoren og klokkekorreksjonene og mottar følgelig inngangssignaler fra sekvenslogikken 53 og en..feilbegrensende logikk 54, da klokke- og oscillatorforsterkningene er avhengige av den styretilstand brukersystemet befinner seg i, antall av perioder mellom oppdateringer og den fastlagte telleverdi for feilsignalet E. Inngangssignalet 51 som representerer finsynkroniserings-svaret, tilføres ikke bare synkroniseringstilstands-styrelogikken 52 og sekvenslogikken 53, men også en aritmetisk seksjon 55, sekundærtelleren 35 og hovedtelleren 30. Den aritmetiske seksjon 55 reagerer også på den målte synkroniseringsfeil fra sekundærtelleren 35 og styres også av sekvenslogikken 53. Den aritmetiske seksjon 55 skaffer utgangssignaler som representerer størrelse og fortegn av de nødvendige korreksjoner, og overfører dem til en tilvekststyring 56

som skaffer frekvens- og fase-justeringer for opp/ned-telleren 53

og tidsjusteringer for hovedtelleren 30.

Under begynnelses-synkroniseringen da brukeren for første gang slutter seg til driftsfellesskapet, vil mottagningen av grov-synkroniserings-inngangssignalet 50 hos brukeren tjene til å tilbakestille hovedtelleren 30og synkroniseringstilstandsstyre-logikken 52 for å la brukeren begynne med å frembringe en fullstendig periode. Denne korreksjon skjer i en høyforsterkningsmodus ved utførelse av en direkte korreksjon på hovedtelleren 30. Når brukerens hovedteller 30 når begynnelsen av det individuelle tidsintervall som er utpekt for vedkommende bruker, vil tidsstyrings-, utgangssignalet 34 fra hovedtelleren bevirke at brukeren utsender finsynkroniserings-forespørselssignalet til hovedstyreenheten. Hovedstyreenheten overfører deretter finsynkroniserings-svarsignalet. Når finsynkroniserings-svarsignalet mottas av brukeren, stoppes. synkroniseringsfeiltelleren, d.v.s. sekundærtelleren 35, og den målte synkroniseringsfeil E overføres til den aritmetiske seksjon 55. Sekvens-logikken 53 og den aritmetiske seksjon 55 samvirker med tilvekststyringen 56 for å frembringe frekvens-, tids- og fase-korreks<j>onssignaler under utnyttelse av filteralgoritmen modifisert som funksjon av antall perioder mellom oppdateringer. Først innstilles oscillatoren 31 i frekvens ved digital-analog-omformeren 32 og opp/ned-telleren 33 under styring fra tilvekst-styringen 56. Tilvekst-styringen 56 bevirker en høyning eller senkning i hovedtelleren 30 for å innstille tiden. Til slutt utføres brøkdels-tidskorreksjoner eller -fasekorreksjoner ved justering av fasen av oscillatoren 31, idet der foretas en frekvensforskyvning i et kjent tidsrom.

På fig. 4A er virkemåten for sekundærtelleren i hovedstyreenheten anskueliggjort for en situasjon hvor synkroniseringsfeilen E mellom hovedstyreenhet og bruker er null, og hvor den.forsinkelse som skyldes radiosignalenes gangtid er neglisjert. Telleverdien eller utgangssignalet fra sekundærtelleren er vist som funksjon av tiden. Sekundærteller-perioden hos hovedstyreenheten innstilles på en syklus som vist ved den prikkede linje 60, slik at sekundærtelleren får to fulle sykluser under hvert brukerintervall som frembringes ved hovedtelleren i hovedstyreenheten. Sekundærtelleren vil telle fra null på tidspunktet Tq ved begynnelsen av intervallet og nå et maksimum i intervallets midtpunkt T^, da den vil lade seg ut til null og pånytt begynne telling under annen halvpart av samme intervall. Ved sluttenTg av intervallet vil sekundærtelleren over-skride sin maksimalverdi og begynne å telle i den nye syklus. Når finsynkroniserings-spørresignalet mottas av hovedstyreenheten på tidspunktet TRQ, vil synkroniserings-spørresignalet ikke opptre ved begynnelsen TQav intervallet, slik det var å vente i en situasjon med null synkroniseringsfeil og null gangtid. Det nominelle mottagningstidspunkt T RO er forskutt et sty.-rkke fra begynnelsen av intervallet for å dekke den situasjon hvor brukeren foretar sending før begynnelsen av intervallet fordi brukerens oscillatorfrekvens overskrider den nominelle verdi...Når hovedstyreenheten mottar finsynkroniserings-spørresignalet, stoppes sekundær-tellerens,telling som vist ved 61 og holdes der inntil midtpunktet TM av intervallet nås, hvorpå tellingen gjenopptas som vist ved kurven 62. Når telleren når sin høyeste verdi på tidspunktet TXq/vil den tilbakestilles og telleverdien vende tilbake til null. Da sekundærtelleren er innrettet til å gjennomløpe en syklus to ganger i løpet av hvert brukerintervall, vil, dersom tellingen stoppes ved tidspunktet TRQog tillates å gjenopptas ved midtpunktet T av intervallet, utladningstidspunktet TXq befinne seg i en avstand fra intervallets slutt lik avstanden mellom T„ og intervallets be-RU

gynnelse. Dersom finsynkroniserings-svarsignalet utsendes fra hovedstyreenheten på tidspunktet T n, vil det bli overført et stykke fra intervallets slutt lik stykket fra intervallets begynnelse til mottagning av finsynkroniserings-spørresignalet.

Fig. 4B anskueliggjør virkemåten av sekundærtelleren i hovedstyreenheten for det tilfelle at synkroniseringsfeilen E er forskjellig fra null. På denne figur viser igjen 61, 62 og 63 tellerutgangssignalet for synkroniseringsfeil null, mens kurve 64 representerer tellerutgangssignalet for mottagning av et tidlig finsynkroniserings-spørresignal på tidspunktet T og kurve 65 viser tellerutgangssignalet ved mottagning av et sent finsynkroniserings-spørresignal på tidspunktet TDT. Disse kurver anskueliggjør at den tid som er gått mellom begynnelsen av tidsintervallet og et

tidlig spørresignal T-.^, er lik den tid som er medgått mellom over-føringstiden TXEfor finsynkroniserings-svarsignalet og slutten Tg av intervallet, og at den samme situasjon forekommer ved mottagning av den sene finsynkroniserings-forespørsel på tidspunktet T_,T og

overføring av det sene finsynkroniserings-svar på tidspunktet TVT.

Virkemåten av sekundærtelleren hos brukermedlemmet av fellesskapet er vist på fig. 5A for tilfellet av synkroniseringsfeil null når gangtiden for RF-signalet neglisjeres. Bruker-sekundærtelleren kan innstilles til å begynne telling ved begynnelsen av et typisk brukertidsintervall på tidspunktet TQog fortsette telling inntil intervallets slutt ved T Id, da telleren, vil tilbakestilles og begynne telling på nytt. Når finsynkroniserings-svarsignalet mottas av brukeren, vil telleren stoppes, og telleverdien vil representere det tidspunkt TXQ da signalet mottas. Da den medgåtte tid mellom mottagningen av finsynkroniserings-svarsignalet på tidspunktet TXQog slutten Tg av intervallet er lik det dobbelte av synkroniseringsfeilen E, vil, dersom bruker-sekundærtelleren skulle benyttes på denne måte, tidspunktet T forekomme på tidspunktet Tg ved slutten av intervallet, så bare negative synkroniseringsfeil kunne måles i brukerintervallet. For å måle både positive og negative synkroniseringsfeil vil man derfor gi bruker-sekundærtelleren en forhåndsverdi som vist på fig. 5A, slik at telleren vil ha nådd en fastlagt telleverdi ved begynnelsen TQ av brukerintervallet og vil tilbakestilles på et tidspunkt T _ som ligger en fastlagt tid forut for slutten T av intervallet, som vist ved. sagtannkurvene 70 og 71 på fig. 5A. På fig. 5A utsender brukeren finsynkroniserings-spørresignalet på tidspunktet T RO~, og ved synkroniseringsfeil null og neglisjering av RF-signalets gangtid, vil finsynkroniserings-svarsignalet som overføres fra hovedstyreenheten, bli mottatt på tidspunktet T xuda sekundærtelleren hos brukeren normalt ville bli tilbakestillet, slik at den telleverdi som nås av brukerens sekundærteller, ville bli null.

Fig. 5B anskueliggjør mottagning av finsynkroniserings-svarsignaler på tidspunkter før og etter det nominelle mottagelsestidspunkt ved TXq svarende til negative og positive synkroniseringsfeil. Det skal påpekes at finsynkroniserings-spørresignalet alltid vil sendes av brukeren på tidspunktet T„_ i dennes eget individuelt

RU

tildelte intervall. Når finsynkroniserings-svarsignalet mottas av brukeren på et tidspunkt TVTsom er tidligere enn det nominelle mottagningstidspunkt TXQ, vil brukertelleren, som vist på fig. 5B, bli stoppet på et eller annet punkt på kurven 70 som vist ved den heltrukne linje 72, noe som betyr at der forekommer en negativ synkroniseringsfeil av en størrelse som angitt ved den lagrede telleverdi i telleren. Dersom finsynkroniserings-svarsignalet mottas av

brukeren på et tidspunkt Tv_ som er senere enn det nominelle

XJi

mottagelsestidspunkt T , vil telleren bli stoppet på et eller annet punkt på kurven 71 som vist ved den heltrukne linje 73 noe som vil indikere en positiv synkroniseringsfeil av en størrelse som angitt ved den lagrede telleverdi. Ser man bort fra RF-signalets gangtid, vil en synkroniseringsfeil null bli indikert med en telleverdi lik null i telleren, da telleren normalt vil tilbakestilles på tidspunktet TXQ. Dersom telleverdien befinner seg i området mellom null og en telleverdi PC som representerer den forhåndsinnstilte telleverdi, indikeres der en positiv synkroniseringsfeil. En negativ synkroniseringsfeil vil bli indikert ved en telleverdi som ligger i området mellom forhånds-telleverdien PC og den maksimale telleverdi MC hvor telleren tilbakestilles. Takket være dette arrangement kan både størrelsen og fortegnet av synkroniseringsfeilen bestemmes ved sekundærtelleren hos brukeren. Positive feil kan representeres i binær notasjon og negative feil kan representeres i 2<1>s-komplement-notasjon. Den resulterende synkroniseringsfeil E kan deretter be-arbeides av digitalfilteret..

Under begynnelses-synkroniseringsinnstillinger, da synkroniseringsfeilen E kan være stor, kan justeringene av enhets-forsterkningstid besørges direkte ved hovedtelleren 30 hos brukermedlemmene i fellesskapet. Som vist på fig. 6A begynner intervall-tidsstyringsdelen av brukerens hovedteller 30 telling ved bruker-intervallets begynnelse TQ og når en fastlagt slutt-telleverdi ved intervallets slutt T som vist ved sagtannkurven 75, når der antas en synkroniseringsfeil lik null og RF-signalets gangtid neglisjeres. Brukerens intervall-tidsstyringsseksjon er innrettet til å telle binært til en høyere slutt-telleverdi ved mottagning av et finsynkroniserings-svarsignal på tidspunktet T Den binære telling hos intervall-tidsstyredelen er anskueliggjort -ved den stiplede kurve 76 på fig. 6A. Dersom helningen av kurven 75 er M, vil helningen av kurven 76 være 2M på grunn av den binære telling.. Da der i forbindelse med fig. 6A er antatt null synkroniseringsfeil, vil der ikke bli utført noen innstilling på slutt-tidspunktet Tg av intervallet, og telleren vil bli tilbakestilt på dette tidspunkt. Fig. 6B anskueliggjør virkemåten av bruker-hovedtellerens intervall-tidsstyredel ved kommende negative og positive synkroniseringsfeil. Når et finsynkroniserings-svarsignal mottas av brukeren på tidspunktet Tx^i tilfellet av en negativ synkroniseringsfeil, vil medgått tid mellom TXLog TXQvære lik to ganger synkroniseringsfeilen E som forklart tidligere. Ved mottagning av dette signal fortsetter intervall-tidsstyredelen av bruker-hovedtelleren tellinger ved hjelp av 2ere som.vist ved den stiplede linje 77 inntil den når den høyere sluttelleverdi for stigningen 2M, da telleren vil tilbakestilles på tidspunktet T SL. Da stigningen av linjen 77 er to ganger

stigningen av linjen 75, kan det vises matematisk at medgått tid mellom TgLog Tg er nøyaktig lik synkroniseringsfeilen E. Når et finsynkroniserings-svarsignal mottas av brukeren på tidspunktet TXEi tilfellet av positiv synkroniseringsfeil, vil medgått tid mellom TX0°g TXEp^ lignende måte være to ganger synkroniseringsfeilen E. Ved mottagning av dette signal vil bruker-hovedtellerens intervall-tidsstyredel begynne telling ved hjelp av 2ere som vist ved den strekpunkterte kurve 78 inntil den høyere sluttelleverdi nås og

telleren overskrider sin maksimale verdi på tidspunktet T_,„, som

OD

skiller seg fra det nominelle slutt-tidspunkt Tg for brukerintervallet ved en tilbakelagt tid lik synkroniseringsfeilen E.. Takket være dette arrangement kan den ayfølte synkroniseringsfeil 2E benyttes direkte for å skaffe en intervallkorreksjon som er nøyaktig lik feilen E når sluttelleverdien nås, noe som i høy grad forenkler den grunnleggende digitalfilter-implementasjon.

På fig. 7 er der vist et funksjons-blokkskjema over digitalfilterets aritmetiske regneseksjon som frembringer frekvens-, fase-og klokkekorreksjonene for brukermedlemmet av fellesskapet. Regne-seksjonen skaffer de ovenfor omtalte filteralgoritmer og virker hovedsakelig som en serie-regneenhet som frembringer frekvens-, klokke- og fase-korreksjonene i én enkelt omgang. Som vist på fig. 7 får regneenheten størrelse og fortegn av synkroniseringsfeilen E tilført, og feilen skiftes frem gjennom en portanordning 80 som mottar utgangssignalet fra et 8-bits skiftregister 81 med parallelle innganger, og fra et lager 82 for lagring av et fortegnsbit. Skiftningen fortsetter gjennom en fulladdisjonsenhet 83 som over-fører sitt utgangssignal til et 5-bits skiftregister 84. Port-anordningen 80, fulladdisjonsenheten 83 og en tilhørende bærevippe 85 som reagerer på utgangssignalet fra en port 8 6 styrt av et fortegnsbit, gjør det mulig å utlede størrelsen av synkroniseringsfeilen når feilen er negativ. Etter de første 5 skift lagres størrelsen av feilen i skiftregisteret 81 og benyttes til å utføre frekvens-justeringer for oscillatoren 31 på figur 2. Størrelse og fortegn av feilen overføres til tilvekststyringen 56, som skaffer frekvenskorreksjonene for oscillatoren ved hjelp av opp/ned-telleren 33 og analog/digital-omformeren 32. For en gitt synkroniseringsfeil, dvs. med størrelse og fortegn gitt, innstiller tilvekststyringen og styrelogikken opp/ned-telleren 33 med en puls for hver telleverdi i feilen. Forsterkningen av frekvenskorreksjonen kan bestemmes ved valg av det bit i opp/ned-telleren som angir hvor korreksjonspulser innføres. Med de oscillatorforsterkningsverdier som fremgår av tabell II, ville de to innføringspunkter som benyttes i opp/ned-telleren, svare til oscillatorforsterkninger på 1/4 og 1/256.

Etter at oscillatorfrekvensen er korrigert, fortsetter frem-skiftningen av feilen gjennom en multiplikatorenhet omfattende en portanordning 87, en fulladdisjonsenhet 88 med tilhørende bærevippe 89 og en fulladdisjonsenhet 90 med tilhørende bærevippe 91. Inn-gangssignalene til multiplikatorenheten styres av en 5-bits teller 92 for tapte oppdateringer. Denne er koblet til portandrdningen 87 og mottar inngangssignaler fra finsynkroniserings-spørre- og finsynkroniserings-svarpulssignaler.. Dette arrangement gir en effektiv tilnærmelse til en forsterkning som varierer som funksjon av tiden mellom finsynkroniserings-oppdateringer. Utgangssignalet fra den ovenstående multiplikatorenhet tilføres skiftregisteret '81, hvor de minst signifikante bits representerer brøkdels-styring av det minst signifikante bit i brukersynkroniseringssystemets hovedteller. De minst signifikante bits, som føres inn i .skiftregisteret 81, blir også innført i skiftregisteret 84 med tilhørende 3-bits skiftregister 93, hvor de lagres for etterfølgende bruk til styring av oscillatorens fase. Den ovennevnte skiftning fortsetter inntil den heltallige verdi av filterutgangssignalet kommer på linje i skiftregisteret 84, hvor den tilføres korreksjonslogikken og tilvekst-styringen 56 for innstilling av telleverdien i hovedtelleren 30 for å skaffe klokke- eller tidskorreksjonen.

Fasekorreksjonen for oscillatoren 31 utføres ved at oscillatorfrekvensen integreres over et kjent tidsintervall, noe man kan realisere ved å innføre en frekvensendring Af for et gitt tidsrom T og deretter eliminere frekvenstilveksten. Virkningen av denne justering er å endre fasen<E> med en verdi A$ lik produktet av frekvenstilveksten Af i Hertz og integrasjonstiden t i sekunder. Innsetningen av frekvensendringen Af foretas på de passende for-sterkningsklemmer på opp/ned-telleren 33, og tidsstyringen av inn-setning og eliminasjon av frekvenstilvekstene styres av sekvens-logikken 53.

Av den ovenstående beskrivelse av den foretrukne utførelses-form for oppfinnelsen turde det være innlysende at synkroniseringssystemet ifølge oppfinnelsen skaffer et enkelt og effektivt arrangement til synkronisering av ett eller flere lokale klokkesystemer eller tidsbasiser med et hoved-klokkesystem resp. en hoved-tidsbasis. Korreksjonene som utføres, innbefatter ikke bare korreksjoner av lokalklokken, men også frekvens- og fasekorreksjoner av den lokale oscillator som benyttes til å drive lokalklokken. Dette tillater det lokale klokkesystem å benytte lokale oscillatorer'av forholdsvis rimelig markedsført kvalitet, som bare oppviser nominelle karakteristikker med hensyn til frekvensstabilitet. Den synkroniseringsteknikk som benyttes ved den foreliggende oppfinnelse, skaffer en flerhet av styretilstander som har variable klokke- og oscillator-korreksjonsforsterkninger. De forsterkninger som benyttes ved ut-førelsen av korreksjonene, er avhengige av antall tapte oppdateringer eller antail perioder mellom oppdateringer, slik at det tilbakelagte hendelsesforløp av feilkorreksjoner blir benyttet til å utføre korreksjoner ved hver oppdatering, og korreksjonene ikke bare baserer seg på den øyeblikkelige synkroniseringsfeil som foreligger på et gitt prøvetidspunkt. Således baserer korreksjonene seg på en gjennom-snittlig verdi av tidsbasisfeil istedenfor på den øyeblikkelige synkroniseringsfeil. Skjønt tidsbasis-synkroniseringsteknikken ifølge den foreliggende oppfinnelse har vært beskrevet under henvisning til et gruppe-navigasjonssystem hvor en flerhet av bruker-eller lokalklokkesysterner er forbundet med en hovedstyreenhet eller et hovedklokkesystem, skal det forstås at oppfinnelsen også kan benyttes i andre slags systemer. F.eks. kan en flerhet av spredt liggende lokale datamaskin-klokkesystemer være forbundet med klokkesystemet i en hoved-datamaskin for. å skaffe felles beregningsmessige anvendelser. I såfall vil de radio-overførte, digitalt kodede signaler som representerer grovsynkroniseririg, forespørsel om fin-synkronisering og finsynkroniserings-svar, bli erstattet med enkle pulser overført over telefonlinjer som forbinder hoved- og lokal-datamaskinenes klokkesystemer.- For horologiske formål kan fjerntliggende, tidsvisende klokker være forbundet med en hovedklokke ved lednings- eller radiosignaler og holdes i synkronisme ved hjelp av de ovennevnte teknikker.

På fig. 8 er der anskueliggjort en alternativ utførelsesform for oppfinnelsen, hvor en egnet markedsført datamaskin kan benyttes for å besørge feilbehandlings- og styresekvensfunksjonene. Ved denne utførelsesform for oppfinnelsen er hovedtelleren 30', den spenningsstyrte oscillator 31', digital/analog-omformeren 32', opp/ned-telleren 33', sekundærtelleren 35' og tilvekststyringen 56' maken til de tilsvarende betegnede komponenter i utførelsesformen vist på figur 2. Ved dette arrangement utfører en datamaskin 100 funksjonen for synkroniseringstilstands-styrelogikken.52, sekvens-logikken 53, feilbegrensningslogikken 54 og aritmetikk-seksjons-logikken 55 som ble benyttet ved utførelsesformen ifølge fig. 2. Mykvaren for datamaskinen 100 ville benytte de tidligere beskrevne Kalman-filterteknikker og ville skaffe styretilstands-sekvens-logikken for systemet i samsvar med kjente programmeringsteknikker.

Det turde være innlysende at det vil være mulig å foreta mange endringer i oppbygningen og de beskrevne bruksområder for det ovenstående tidsbasis-synkroniseringssystem, og mange tilsynelatende forskjellige utførelsesformer for oppfinnelsen kan bygges opp uten at man går ut over oppfinnelsens ramme. F.eks. sier det seg selv at de tidligere beskrevne forsterkningsinnstillinger og styretilstander kan varieres for å tilfredsstille spesielle anvendelser og de særegenheter som knytter seg til andre klokkesystemer som benyttes. Følgelig er det meningen at alt innhold som er beskrevet ovenfor eller vist på tegningen, skal oppfattes som illustrerende og ikke i begrensende forstand.

Claims (20)

1. Fremgangsmåte til synkronisering av et lokalt tidsbasis-

system som omfatter en oscillatordreven klokke, med et hoved-tidsbasissystem som omfatter en oscillatordreven klokke, karakterisert ved de skritt at tidssynkroniseringsfeilen mellom de to systemer måles på forhåndsbestemte prøvetidspunkter, at korreksjonssignaler for lokaloscillatoren og korreksjonssignaler for lokalklokken utledes fra den målte tidssynkroniseringsfeil på hvert prøvetidspunkt; og at oscillatorkorreksjon <s> si <g> nal ene tilføres lokaloscillatoren og klokkekorreksjonssignalene tilfø res lokalklokken med forsterkninger som er en funksjon av feilens størrelse og antallet av prøvetids-punkter mellom korreksjoner.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at oscillatorkorreksjonssignalene er frekvens- og fasekorreksjonssignaler, og at klokkekorreksjonssignalene er tids-korreks jonssignaler .

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at de forsterkninger for oscillator- og klokkekorreksjonene som benyttes for en spesiell korreksjon, blir bestemt ved styretilstander i en programmert styretilstandssekvens hvor overføring mellom styretilstander for store begynnelsesfeil gjøres automatisk for et forhåndsbestemt antall sekvensielt forekommende korreksjoner og er avhengig av størrelsen av feilen.for etterfølgende korreksjoner.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at styretilstandene for korreksjon av store begynnelsesfeil har høye oscillator- og klokkeforsterkninger, og at styretilstandene for etterfølgende korreksjoner har lavere oscillator- og klokkeforsterkninger for korreksjoner ved stabile tilstander.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at en overgang fra styretilstandene med de lavere oscillator-og klokkekorreksjonsforsterkninger til styretilstandene med de høye oscillator- og klokkekorreksjonsforsterkninger bevirkes når feilen overskrider en forhåndsbestemt verdi for to suksessive korreksjoner blant de nevnte etterfølgende korreksjoner for å forhindre leilighetsvise korreksjoner for store transiente feil.

6. Tidsbasis-synkroniseringsinnretning til synkronisering av et lokalt tidsbasissystem som har en oscillator og en klokke, med et hoved-tidsbasissystem som har en oscillator og en klokke, karakterisert ved at det omfatter organer til periodisk måling av tidssynkroniseringsfeilen mellom den lokale tidsbasis og hovedtidsbasisen på forhåndsbestemte prøvetidspunkter, organer tilkoblet den lokale oscillator for innstilling av dennes frekvens og fase, organer tilkoblet den lokale klokke, for innstilling av dennes tid, første logikkorganer som er tilkoblet oscillatoren og organene til innstilling av klokken og organene til måling av feilen, for å bringe synkroniseringssystemet til å anta et forhåndsbestemt antall styretilstander med forskjellige oscillator- og klokke korreksjonsforsterkninger, idet i det minste noen av korreksjonsforsterkningene er en funksjon av antallet av prøvetidspunkter mellom feilkorreksjoner, og andre logikkorganer som er tilkoblet de første logikkorganer og organene til feilmåling for å bringe synkroniseringssystemet til å følge en programmert sekvens av de nevnte styretilstander for å korrigere lokaloscillator- og klokkefeil, idet den programmerte sekvens av styretilstander simulerer virkemåten av et lineært filter med tidsvarierende forsterkninger i henhold til en Kalman-transfer-funksjon.

7. Innretning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den programmerte sekvens av styretilstander innebærer bruk av styretilstander med høye oscillator- og klokkekorreksjonsforsterkninger som tjener til reduksjon av store begynnelses-synkroniseringsfeil, og bruk av styretilstander med lave oscillator-og klokkekorreksjonsforsterkninger til reduksjon av mindre synkroniseringsfeil under stabile tilstander.

8. Innretning som angitt i krav 7, karakterisert ved at den programmerte sekvens av styretilstander innebærer automatisk overgang mellom de høye korreksjonsforsterknings-styretilstander for et forhåndsbestemt antall av sekvensielt forekommende feilkorreksjoner for nevnte reduksjon av store begynnelsesfeil, og overgang mellom styretilstandene med lav korreksjonsforsterkning i henhold til størrelsen av synkroniseringsfeilen for nevnte reduksjon av mindre feil under stabile tilstander.

9. Innretning som angitt i krav 8, karakterisert ved at den programmerte sekvens av styretilstander innebærer overgang fra styretilstandene med lav korreksjonsforsterkning til styretilstander med høy korreksjonsforsterkning når synkroniseringsfeilen overskrider en forhåndsbestemt verdi for et forhåndsbestemt antall av påfølgende feilkorreksjoner under reduksjon av mindre til-standsfeil, for å forhindre uønskede korreksjoner for store transiente feil.

10. Innretning som angitt i krav 9, karakterisert ved at lokaloscillatoren er en spenningsstyrt oscillator, og lokal- og hovedklokkene er digitale tellere, at organene til måling av synkroniseringsfeil omfatter en digitaltelier, at de første og andre logikkorganer fremskaffer digitale korreksjonspulser for lokaloscillatoren og lokalklokken, at organene til innstilling av lokaloscillatoren omfatter en opp/ned-digitalteller hvis utgang er tilkoblet lokaloscillatorens styrespenningsinngang via en digital/analog-omformer, at størrelsen av lokaloscillatorens utgangsfrekvens justeres ved høyning eller senkning av opp/ned-tellerens telleverdi, og at lokaloscillator-frekvenskorreksjonsforsterkningen styres ved styring av den bit i opp/ned-telleren som befinner seg der hvor de digitale korreksjonspulser innførés.

11. Innretning som angitt i krav 10, karakterisert ved at faseinnstillingen av lokaloscillator-utgangssignalet finner sted ved endring av lokaloscillator-utgangsfrekvensen med en forhåndsbestemt frekvenstilvekst i et forhåndsbestemt tidsrom, hvoretter tilveksten av frekvensendring elimineres, slik at fasen av oscillatorutgangssignalet derved endres med en verdi som er lik produktet av.frekvensendrings-tilveksten og tidsrommet.

12. Tidsbasis-synkroniseringsinnretning til synkronisering av en lokal tidsbasis som omfatter en syklisk gjentatt rekke på hinannen følgende tidsintervaller, og som frembringes ved en spenningsstyrt lokaloscillator og lokal digital-hovedteller, og en hoved-tidsbasis som består av en syklisk gjentatt rekke på hinannen følgende tidsintervaller, og som frembringes med en hovedoscillator og en sentral-hoved-digitalteller, karakterisert ved at den omfatter organer til grovsynkronisering, bestemt til å bringe de nevnte tidsbasiser i grovsynkronisme og omfattende: organer tilsluttet den sentrale hovedteller til frembringelse av et grovsynkroniseringssignal ved begynnelsen av det første tidsintervall i flerheten av tidsintervaller i hoved-tidsbasisen, og organer som er tilsluttet lokal-hovedtelleren, og som reagerer på grovsynkroniseringssignalet for å innstille lokal-hovedtelleren slik at denne begynner frembringelsen av det første tidsintervall av en rekke intervaller i den lokale tidsbasis ved mottagelsen av grovsignalet, og organer til finsynkronisering bestemt til å bringe tidsbasisene i finsynkronisme og omfattende: organer tilknyttet lokal-hovedtelleren, for frembringelse av et finsynkroniserings-spørresignal ved starten av et forhåndsbestemt, gjenværende tidsintervall i den lokale tidsbasis, organer som innbefatter en hoved-sekundærteller som er til- koblet den sentrale hovedtelleren og tjener til måling av den medgåtte tid mellom mottagningen av finsynkroniserings-spørresignalet i hovedstyreenheten og begynnelsen av det forhåndsbestemte tidsintervall i hoved-tidsbasisen, og til frembringelse av et finsynkroniserings-svarsignal ved begynnelsen av et tidsrom før slutten av det forhåndsbestemte intervall i hovedtidsbasisen lik den medgåtte tid, organer som innbefatter en lokal-sekundærteller som er forbundet med lokal-hovedtelleren og tjener til måling av den medgåtte tid mellom mottagningen av finsynkroniserings-svarsignalet i den lokale enhet og slutten av det ene forhåndsbestemte tidsintervall i den lokale tidsbasis for å fremskaffe et digitalt synkroniserings-feilsignal, organer forbundet med lokaloscillatoren, for innstilling av dennes frekvens og fase som reaksjon på lokale oscillatorkorreksjonssignaler, organer forbundet med lokal-hovedtelleren, for.innstilling av dennes tid som reaksjon på lokal-hovedtellerens korreksjonssignaler, styretilstands-logikkorganer som er forbundet med organene til måling av synkroniseringsfeil og med lokal-hovedtelleren, og oscillator-innstillingsorganer og tjener til opprettelse av en flerhet av styretilstander som reaksjon på sekvenssignaler, idet hver av styretilstandene får sine lokaloscillator- og lokal-hovedteller-korreksjonssignaler utledet fra synkroniserings-feilsignalet i overensstemmelse med en Kalman-filteralgoritme som gir tidsvarierende forsterkninger som er avhengige av antallet sykluser av tidsintervaller mellom feilkorreksjoner, feilgrense-logikkorganer som er forbundet med organene til måling av synkroniseringsfeil og tjener til fremskaffelse av feil-grensesignaler når feilen går ut over et forhåndsbestemt verdi-område, og sekvens-logikkorganer som er forbundet med styretilstands- logikk-organene og feilbegrensnings-logikkorganene, og som reagerer på finsynkroniserings- og feilbegrensningssignaler for å fremskaffe sekvenssignalene til å bevirke at synkroniseringsinnretningen følger en programmert styretilstands-sekvens hvor overføring mellom styre tilstander for store begynnelsesfeil gjøres automatisk for et forhåndsbestemt antall sekvensielt forekommende korreksjoner og er avhengig av størrelsen av synkroniseringsfeilen for etterfølgende korreksjoner.

13. Innretning som angitt i krav 12, karakterisert ved at det lokale tidsbasissystem ligger fjernt fra hoved-tidsbasissystemet, og at signaler for grov- og finsynkronisering overføres mellom lokal- og hovedsystem ved ledninger.,

14. Innretning som angitt i krav 12, karakterisert ved at det lokale tidsbasissystem ligger fjernt fra hoved-tidsbasissystemet, og at signaler for grov- og fin-synkronisering overføres mellom lokal- og hoved-system ved radiosendinger.

15. Innretning som angitt i krav 14, karakterisert ved at signaler for grovsynkronisering, finsynkroniserings-forespørsel og finsynkroniseringssvar er digitalt kodede radio- signaler.

16. Innretning som angitt i krav 12, karakterisert ved at organene til innstilling av lokaloscillatoren omfatter en opp/ned-digitalteller hvis utganger er forbundet med styrespennings-inngangen til den lokale oscillator via en digital/analog-omformer, at de lokale oscillatorkorreksjonssignaler omfatter digitale inngangssignaler til opp/ned-telleren, representerende størrelse og fortegn av frekvenskorreksjonen, og at lokaloscillator-frekvenskorreksjonsforsterkningen styres ved styring av den bit i opp/ned-telleren som foreligger der hvor de digitale inngangssignaler som representerer størrelsen av frekvensendringen, tilføres.

17. Innretning som angitt i krav 16, karakterisert ved at faseinnstillingen av lokaloscillator-utgangssignalet oppnås ved at der innføres en forhåndsbestemt frekvenstilvekst i oscillatorutgangssignalet for et forhåndsbestemt tidsrom og at frekvenstilveksten deretter fjernes ved slutten av tidsrommet, for derved å innstille fasen av oscillatorens utgangssignal med en størrelse lik produktet av frekvenstilveksten og nevnte tidsrom.

18. Innretning som angitt i krav 12, karakterisert ved at styretilstanden for den første sykliske korreksjon oppviser en enhets-korreks.jonsforsterkning for hovedteller og en oscillator-korreksjonsforsterkning lik null for å tillate korreksjon av store begynnelses-fasefeil, at styretilstandene for annen til femte sykliske korreksjon har en enhets-korreksjonsforsterkning for hovedtelleren og en høy korreksjonsforsterkning for oscillatoren for å tillate korreksjon av store begynnelses-frekvensfeil, og at styretilstander som svarer til stabile tilstander for den sjette og etterfølgende sykliske korreksjoner oppviser en lav oscillator-korreksjonsforsterkning og en korreksjonsforsterkning for hovedtelleren lik en lav forsterkning pluss en variabel forsterkning som er en funksjon av antall tidsbasis-sykluser mellom korreksjonene.

19. Innretning som angitt i krav 18, karakterisert ved at den forblir i styretilstanden for sjette sykliske korreksjon så lenge den målte synkroniseringsfeil ikke overskrider en forhåndsbestemt verdi i løpet av et forhåndsbestemt antall av etterfølgende suksessive sykliske korreksjoner, og føres tilbake til en styretilstand med høyere oscillator- og teller-korreksjonsforsterkninger dersom feilen overskrider den forhåndsbestemte verdi i løpet av et forhåndsbestemt antall av etterfølgende sykliske korreksjoner.

20. Innretning som angitt i krav 12, karakterisert ved at den lokale hovedteller korrigeres med hensyn på tid, ved å bringes til å telle med det dobbelte av sin normale hastighet ved mottagning av finsynkroniserings-svarsignalet ved styretilstander som har store hovedteller-korreksjonsforsterkninger.