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Wenn eine Sekunde ewig dauert

Ob Computer, Smartphone oder Küchenanzeige: überall steht die gleiche Uhrzeit. Doch was heisst eigentlich «gleich»? Im Alltag kann eine kleine Zeitabweichung unbemerkt bleiben, bei komplexen Sensorsystemen jedoch einer Ewigkeit gleichkommen. Für eine möglichst genaue Zeitsynchronisation testet armasuisse Wissenschaft und Technologie eine neue Methode aus: White Rabbit. Diese soll eine robustere Synchronisation ermöglichen als mit gängigen Methoden.

Christof Schüpbach, Kommunikation und elektromagnetischer Schutz, armasuisse Wissenschaft und Technologie

Drei Handgelenke mit der gleichen digitalen Uhr, aber mit leicht unterschiedlicher Zeitangabe
Zeitsynchronisation geschieht oft unbemerkt im Hintergrund. Je nach Messmethode sind die Zeitangaben mehr oder weniger genau und somit nicht für alle Anwendungen gleich gut geeignet.

«Uhrenvergleich!» In älteren Agentenfilmen sieht man es noch oft: Die Agenten vergleichen vor einer wichtigen Operation ihre Uhren, damit die Bombe zur geplanten Zeit hochgeht. Wenn auch weniger spektakulär, kennen viele Menschen noch das Richten der Uhr aus dem Alltag. Während wir früher die genaue Zeit nach der Uhr am Bahnhof oder dem Zeitzeichen am Radio richteten, müssen wir uns heute fast gar nicht mehr darum kümmern. Unsere Uhren und anderen Gadgets sind alle vernetzt und justieren sich dank Internetverbindung automatisch nach. Doch wie genau laufen unsere Uhren dadurch synchron und wofür braucht es eine genaue Zeit sonst noch?

Zeitsynchronisation auf Millionstel und Milliardstel genau

Unser intuitives Verständnis der Zeit ist eher limitiert und im alltäglichen Sprachgebrauch ist «ein Bruchteil einer Sekunde» für die meisten die kleinste Einheit. Die erwähnte Zeitsynchronisation unserer Elektronik wie Smartphones und Computer ist gewöhnlich höchstens auf mehrere tausendstel Sekunden genau. Dies ist für unseren Alltag längst exakt genug. Doch in professionellen Anwendungen werden die Anforderungen deutlich höher. Im Finanzsektor beispielsweise will man Käufe und Verkäufe von Wertpapieren auf Millionstel einer Sekunde genau zeitlich abstimmen können, um so die Gewinne zu optimieren.

Nochmals genauer, nämlich auf Milliardstel einer Sekunde, müssen militärische Sensorsysteme synchronisiert sein, um den Ursprung von Funksignalen zu orten. Doch wie erreicht man eine solche Genauigkeit?

Zeitmessung mit Global Positioning System GPS

In den meisten Fällen nimmt man dafür Satellitennavigationssysteme wie beispielsweise das Global Positioning System GPS zu Hilfe. Die Zeit wird in diesen Systemen zusammen mit dem Ort bestimmt. Dadurch hat ein GPS-Empfänger eine immer auf wenige milliardstel Sekunden genaue Zeit und kann diese den anderen Systemen zur Verfügung stellen. Diese Form der Zeitsynchronisation ist grundsätzlich eine sehr attraktive Lösung, da sie ortunabhängig und auch mobil einsetzbar ist. Leider hat sie aber auch einige kritische Nachteile. Das grösste Problem ist die starke Anfälligkeit auf Funkstörungen. Schon mit einfachsten Störgeräten kann ein GPS-Signal übertönt und so für den Empfänger nutzlos gemacht werden. Ein anderes Problem ist, dass man bei Satellitensystemen von den jeweiligen Betreibern abhängig ist. Zudem erlaubt neuste Störtechnologie sogar Täuschungen. So können beliebige Orte und Zeiten vorgegaukelt und dadurch Sensorsysteme gezielt getäuscht werden. Deshalb ist es für militärische Anwendungen äussert wichtig eine robustere Alternative zu haben.

Das grösste Problem (bei der GPS-basierten Zeitsynchronisation) ist die starke Anfälligkeit auf Funkstörungen. Schon mit einfachsten Störgeräten kann ein GPS-Signal übertönt und so für den Empfänger nutzlos gemacht werden.

 

White Rabbit als Alternative für eine genauere Zeitmessung

Hohe Anforderungen an eine genaue Zeitmessung an unterschiedlichen Orten hatte auch das Kernforschungsinstitut CERN in Genf bei der Erneuerung der Teilchenbeschleuniger. Alle bei diesem Projektstart existierenden Technologien benötigten hierfür eine spezielle Infrastruktur, die über Spezialkabel miteinander verbunden werden mussten. Da die gesamte Infrastruktur ohnehin über herkömmliche Datennetzwerke verbunden war, setzten sich die Wissenschaftler/innen zum Ziel, die Synchronisation über dieses bestehende Datennetzwerk mit einer Genauigkeit von unter einer milliardstel Sekunde zu erreichen – und somit über herkömmliche Datennetzwerke eine Genauigkeit zu erreichen, die sonst nur mit viel Aufwand erreichbar wäre. Diese neu entwickelte Technologie erreichte dieses Ziel und kann in der Tat unter günstigen Bedingungen sogar Genauigkeiten von einigen Picosekunden, das heisst Billionstel Sekunden, erreichen. Das Projekt wurde nach dem Hasen in Alice im Wunderland White Rabbit getauft.

Heute ist die White Rabbit Methode bereits in einigen kommerziell verfügbaren Netzwerkgeräten implementiert. Trotzdem ist der Einsatz noch nicht sehr weit verbreitet und deshalb fehlt es an Erfahrung, was für Einschränkungen unter welchen Umständen zu erwarten sind. Solche Einschränkungen könnten beispielsweise durch den Einsatz gewisser Komponenten wie Repeater oder Router in einem Netzwerk zu Stande kommen. Gerade bei etwas älteren Komponenten ist nicht bekannt, ob sie mit White Rabbit kompatibel sind oder möglicherweise die Zeitsynchronisation verschlechtern könnten. Genau dies untersuchen Mitarbeitende von armasuisse Wissenschaft und Technologie (W+T). Sie wollen herausfinden, ob oder mit welchen Einschränkungen oder Anpassungen diese neue White Rabbit Technologie in den existierenden Netzwerken der Armee einsetzbar sein könnten.

Erste White Rabbit Tests mit zivilen Forschungspartnern

Die ersten Tests unternimmt armasuisse W+T mit der Hochschule für Technik und Architektur in Freiburg. In einem Laboraufbau wird eine Netztopologie aufgebaut, wie sie in einem typischen, schweizweiten Einsatz mit mehreren Knoten vorkommen würde. So können Komponenten einzeln ausgetauscht und deren Einfluss auf die Genauigkeit getestet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen schliesslich für die Implementation von White Rabbit im Führungsnetz Schweiz verwendet werden, damit die Sensorsysteme der Armee in Zukunft nicht mehr von wenig zuverlässigen Satellitennavigationssystemen abhängig sind.

Wie funktioniert die Ortung von Funksignalen?

Die Ortung von Funksignalen funktioniert indem Sensoren die Ankunftszeit der Signale an verschiedenen Orten messen. Da sich ein Funksignal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kann man aus den gemessenen Zeitunterschieden den Ursprungsort des Signals errechnen. Ein Beispiel: Licht legt in einer milliardstel Sekunde 30 Zentimeter zurück. Will man also den Ursprung des Signals auf einige Meter genau bestimmen, muss auch die Ankunftszeit beim Sensor auf einige milliardstel Sekunden genau gemessen werden.