Theoretische Grundlagen

Was ist DCF77?

DCF77 ist ein Zeitsignal und wird auf der Normalfrequenz 77,5 kHz als Zeitinformation in kodierter Form ausgestrahlt. Die Sendeleistung beträgt etwa 50 kW bei einer ausgestrahlten Leistung von etwa 30 kW in einer Reichweite von ca. 2000 km im Umkreis um Frankfurt/Main bzw. Mainflingen.

Warum gibt es DCF77?

Im Gesetz über die Zeitbestimmung (Zeitgesetz ZeitG) von 1978 ist festgesetzt, dass die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (nachfolgend PTB genannt) zur Darstellung und Verbreitung der "gesetzlichen Zeit " verpflichtet ist. Im DCF77 Signal ist die Zeitinformation der nächsten Minute kodiert. DCF77 ist ein über Langwelle ausgestrahltes Zeitsignal. Das DCF77 Signal ist die Definition der "richtigen Zeit Deutschlands".

Dieses ausgestrahlte Signal findet im alltäglichen Leben Verwendung. Funkarmbanduhren und Funkwecker empfangen und werten diese Signal zur Anzeige der "richtigen" Zeit aus. Aber auch in der Datenverarbeitung findet dieses Signal immer mehr Aufmerksamkeit. Es gibt spezielle Funkuhren, die man an PC´s anschliessen kann, damit diese über entsprechende Software auch mit der "richtigen Zeit Deutschlands" versorgt werden können.

Die Weitergabe der gesetzlichen Zeit an die verschiedensten Nutzer in Industrie, Wirtschaft und Forschung erfolgt über Satelliten, den Langwellensender DCF77 und einen Telefondienst. Jeder Sender, dessen Reichweite über die Landesgrenzen reicht, muss ein solches Rufzeichen mit aussenden.

Wie und wo wird das DCF77 Signal erzeugt?

Das DCF77 Zeitsignal wird von der PTB mittels Atomuhren erzeugt. Viele nehmen an, dass das Signal in Braunschweig erzeugt und über Leitungen nach Mainflingen weitergeleitet wird, um von dort ausgestrahlt zu werden. Richtig ist aber, dass das DCF77 Signal in dem Sendegebäude in Mainflingen erzeugt und von dort ausgestrahlt wird. Über Telefonleitungen steht die PTB in Braunschweig mit den Steuereinheiten dieser Signalerzeuger in Mainflingen in Verbindung. Mitarbeiter der PTB können jederzeit die Betriebsdaten dort abrufen und bei Problemen auch per Fernwartung diese Steuereinheiten fernsteuern.

Die Sendezeit ist, mit kleinen Ausnahmen, ein 24h-Dauerbetrieb. Ausnahmen sind: für die Dauer von Gewittern muss die Aussendung des Signals vorübergehend abgeschaltet werden. In Sommermonaten kann dies sehr häufig der Grund für Störungen im Empfang des Signals sein.

Oder bei Wartungen oder Störungen muss auf einen Reservesender oder eine Reserveantenne umgestellt werden. Je nach Art der Arbeiten kann die Unterbrechung dann unter Umständen mehrere Stunden andauern. Da aber heute drei unabhängig voneinander arbeitende Steuereinheiten das Signal erzeugen, kann mit Hilfe von Reserveantennen meist die Aussendung des Signals während der Reparaturen weitergeführt werden.

Wieso drei Steuereinheiten?

Es gibt aus Sicherheitsgründen drei Steuereinheiten, die das DCF77-Signal unabhängig voneinander erzeugen. Bevor des Signal zum Aussenden freigegeben wird, findet eine Überprüfung der drei Signale gegeneinander statt. Sobald das Signal aus der Hauptsteuereinheit von einem der anderen zwei "Reserve"-Steuereinheiten abweicht, wird auf die Reserveeinheiten umgestellt.

Aus Sicherheitsgründen wird die Signalaussendung total unterbrochen, wenn das Signal völlig "falsch" ist, d.h. keine Übereinstimmung der drei erzeugten Signale festzustellen ist. Das Motto: "Lieber gar keine Zeit aussenden, als eine falsche!"

Woher stammt der Name DCF77?

Der Name DCF77 ist durch internationale Vereinbarungen entstanden. DCF77 setzt sich aus dem Buchstaben D für Deutschland, dem C als Kennzeichen eines Langwellensenders und dem F wegen der Nähe zu Frankfurt (Mainflingen liegt nahe bei Frankfurt) zusammen. Die 77 steht für die verwendete Sendefrequenz. Das Rufzeichen DCF77 wird dreimal stündlich, als Morsezeichen, während der Minuten 19, 39 und 59 gesendet.

Wieso Mainflingen?

Der DCF77 Sender steht in Mainflingen (50° 01’ Nord, 09° 00’ Ost), etwa 25 km südöstlich von Frankfurt/Main. Die Antennen sind hohe vertikale Rundstrahlungsantennen. Zwei von ihnen sind 200 Meter, die Dritte ist 150 Meter hoch (verfügt daher über eine höhere Dachkapazität).

Der DCF77 Sender steht deshalb in Mainflingen, weil im Sendegebäude ein gutes Erdungsnetz verlegt ist. Aber viel wichtiger ist die Lage des Sendegebäudes in der Mainebene. Der Grundwasserspiegel ist dort sehr hoch. Dadurch ist die Bodenleitfähigkeit heraufgesetzt. Dieses sind günstige Ausstrahlungsbedingungen für das Signal.

Verlässlichkeit des DCF77 Signals?

Wie oben erwähnt, werden die drei Signale gegeneinander geprüft und dann erst ausgestrahlt. Aber auch bei einem Netzausfall ist vorgesorgt. Eine USV (Unterbrechungsfreie Strom Versorgung) und ein Notstromaggregat halten den Betrieb in der Sendezentrale in Mainflingen aufrecht.

Zukunft des DCF77 Signals

Schon relativ einfache, kostengünstige Antennen können dieses Langwellensignal "auffangen". Die Ausbreitung des Signals auf Langwelle ist gut geeignet, da dieses Signal auch in Gebäuden noch gut zu empfangen ist.

Die Aufrechterhaltung des Sendebetriebes des DCF77 Signals hängt von der Zusammenarbeit der PTB und der Telekom ab (Verbreitung des Signals über Telekom Langwellensender). Die PTB ist für die Erzeugung des DCF77 Signals verantwortlich und die Telekom für die Aussendung des Signals über ihren Langwellensender.

Die PTB muss für die Nutzung des Telekomsenders sehr viel Geld bezahlen, außerdem stehen in den kommenden Jahren umfangreiche Sanierungsmaßnahmen an den Antennenanlagen und dem Sendegebäude an. Die PTB hat aber erkannt, wie wichtig die Aufrechterhaltung des Aussendens des DCF77 Signals ist. Ihr ist bekannt, dass die Nutzer des Signals, sowohl Hard-/Softwarehersteller, als auch die eigentlichen Anwender aus Industrie und Haushalt, auf das Fortbestehen des Signals vertrauen, indem Sie hohe Investitionskosten in die Entwicklung und die Anschaffung von DCF77 Antennen stecken. Aber auch die Telekom beweist mit den hohen Sanierungskosten an Antennenanlagen und Sendegebäude ihr Interesse am Fortbestehen des Sendebetriebes. Ein weiterer Grund an eine Zukunft des DCF77 Signals und dessen Betriebes zu glauben, sind die Weiterentwicklungen, u.a. an den Sendeantennen, wie z.B. die durchgeführten Versuche, den Sendebetrieb durch geeignete Blitzschutzmassnahmen noch sicherer zu machen. Ein vertragliches Abkommen besteht zwischen der PTB und der Telekom, indem der Betrieb bis ins Jahr 2006 beschlossen wurde.

Kodierschema des DCF77-Signals

Erklärung des Schemas:

Quelle: DCF77

Atomuhr

Was hat eine Uhr mit einem Atom zu tun?

Haben Sie sich noch nie gefragt, was eine Sekunde ist, bzw. wer sagt, wie lange eine Sekunde eigentlich dauert?

Zu Beginn hat man durch die Messung der Erdrotation versucht einen möglichst genauen Zeittakt zu definieren. Das Ergebnis einer Rotation der Erde um 360 Grad ist: ungefähr 23 Stunden 56 Minuten und 4,09 Sekunden. Wieso ungefähr werden Sie sich jetzt fragen? Durch Schwankungen in der Rotation der Erde, verursacht durch zum Beispiel die Gezeitenkopplung an den Mond und damit verbundene Masseverlagerung (die sich bis hinein ins Erdinnere auswirken), wird die Rotation behindert bzw. abgebremst.

Außerdem befinden sich die größeren Landmassen auf der Nordhalbkugel. Es gibt jahreszeitbedingte, unterschiedlich starke Winde auf der Nord- und Südhalbkugel. Die Erde verändert ständig Ihre Form. Im Frühling zum Beispiel durch das Wachsen der Blätter an den Bäumen verlagern sich die Erdmassen weg vom Erdmittelpunkt, im Herbst durch das Herabfallen des Laubes verlagern sie sich wieder näher zum Erdmittelpunkt.

Alle solche Effekte tragen dazu bei, dass die Erde sich unterschiedlich schnell dreht. So dreht sich die Erde Anfang Juni am Langsamsten. Sie geht ungefähr 0.48 Sekunden nach. Nach und nach holt sie diesen Zeitverlust wieder auf und dreht sich dann Anfang Oktober am Schnellsten. Sie geht ungefähr  0,48 Sekunden vor.

Diese Schwankungen sind so verschieden, dass dadurch nur eine Mitteln eines Zeittaktes definiert werden kann. Diese Methode anhand der Erdrotation eine Zeitnormale zu definieren wird auch Erdrotationszeit genannt.

Da ein Tag mit 24 Stunden definiert wurde, kommt es auf Grund dieser Zeitschwankungen zu sogenannten "Schalt"-Sekunden. Dass heisst, bevorzugt am 31. Dezember oder am 30. Juni wird nach Bedarf entweder eine "Schalt"-Sekunde eingefügt oder abgezogen.

Um all diese Schwankungen möglichst klein zu halten und darüber hinaus eine Möglichkeit zu haben, eine genaueste Zeiteinheit bestimmen zu können, ist man dazu übergegangen, den Zeittakt anhand eines Cäsium Atoms zu definieren. Denn wichtig für eine Uhr ist, dass es einen genauesten, definierten Zeittakt gibt, der möglichst gleiche Takte hat. Bei einer Uhr also: Die Definition der Zeittakte einer Sekunde!

Prinzip einer Atomuhr

Mit einem Cäsiumatom ist eine sehr genaue und einheitlicher Zeitmessung mit einer Ungenauigkeit kleiner als 0,000000000005 Sekunden möglich.

Quelle: Atomuhr