Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRUhren auf bewegten Plattformen synchronisieren
Vernetze Systeme aus Radarsystemen aufzubauen, die sich auf verschiedenen Flugzeugen befinden, ist äußerst knifflig. Denn dazu müssten die Uhren in den Radargeräten auf Nanosekunden genau synchron laufen. Am Fraunhofer FHR werden im Projekt »iClock« Methoden dafür entwickelt.
Verabreden sich zwei Menschen im Café, reicht es, wenn ihre Uhren in etwa gleich gehen – schließlich kann der andere dort auch mal ein paar Minuten warten. Sollen sich dagegen Radargeräte miteinander vernetzen, die sich auf zwei Flugzeugen befinden, ist äußerste Präzision gefragt. Für eine solche Vernetzung müssen die Uhren in den Radargeräten auf Nanosekunden, wenn nicht gar auf Pikosekunden genau übereinstimmen. Doch hängt das »Ticken« der Uhren von der jeweiligen Flugbahn ab: Das Gravitationsfeld der Erde lässt die Uhren je nach Höhe schneller oder langsamer laufen. Auch andere Einflüsse wie Zeitdilatation in der Troposphäre und Ionosphäre können die Uhren aus dem Takt bringen, weil sie die Unsicherheit der Messung erhöhen. Und die Änderungsrate des Abstands zwischen den Plattformen sowie einfache Motor- oder andere Antriebsvibrationen stören die Stabilität der Borduhr.
Simulationen gekoppelt mit real vernetzten Uhren
Im Projekt »iClock«, gefördert im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft Discover, entwickelt Ferran Valdes Crespi vom Fraunhofer FHR eine Methode, über die sich die Radargerät-Uhren auf fliegenden Plattformen exakt aufeinander abstimmen lassen. Die Basis bilden Simulationen. »In diesen berechne ich die exakten Abstände der Flugzeuge für verschiedene Flugbahnen, etwa Achten, Loopings, Kurven in verschiedenen Höhen, sowie die Zeitverzögerung, die dadurch zwischen den Uhren auftritt«, erklärt Valdes Crespi. Wie wirkt es sich auf die Synchronizität der Uhren und die gemessene Zeitverzögerung aus, wenn die Flugzeuge kurzzeitig parallel fliegen, eines höher schwebt als das andere, sie eine Kurve drehen? Die Simulation alleine reicht jedoch nicht aus, um reale Uhren auf Flugzeugen miteinander in Einklang bringen zu können. Schließlich verhalten sich reale Uhren keineswegs so ideal wie die virtuellen Uhrenmodelle in der Simulation, sondern werden von äußeren Bedingungen wie der Beschleunigung, Temperatur und anderen Faktoren in ihrer Zeitmessung beeinflusst. Der Forscher greift daher zu einem Trick: Er koppelt Simulation und reale Zeitmesser. Genauer gesagt prägt er die Ergebnisse aus den Simulationen zwei realen Uhren auf, die im Labor stehen und per Kabel miteinander verbunden sind. Die Uhren gehen also so, als ob sie tatsächlich auf den fliegenden Plattformen mit den simulierten Flugbahnen stehen würden statt starr und unbewegt im Labor. Gleichzeitig messen sich die Uhren gegenseitig über das Kabel. Wie müssen sie sich aneinander anpassen, um gleichzeitig zu ticken? Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend: Der Forscher konnte bereits in mehreren Fällen nachweisen, dass sich die Synchronisation auf diese Weise erzielen lässt.