Software-defined Zeitgeber für militärische Kommunikations- und Führungssysteme

Wandel der militärischen Zeit- und Positionsversorgung

Die Anforderungen an die Zeit- und Positionsversorgung militärischer Systeme unterliegen einem massiven Wandel. Betroffen sind funkgestützte Kommunikationssysteme, Führungs- und Waffeneinsatzsysteme (FüWes), stationäre und verlegefähige Operationszentralen sowie mobile Plattformen in Luft, See und Land. Allen gemeinsam ist die Notwendigkeit einer hochpräzisen, robusten und nachvollziehbaren Zeitbasis – als Grundlage für vernetzte Operationsführung, konsistente Lagebilder und die effiziente Nutzung des elektromagnetischen Spektrums (EMS).

GNSS als verwundbare Grundlage

Die bisherige Annahme, dass Satellitennavigationssystemen (GNSS) wie GPS und Galileo im Regelfall ungestört empfangbar sind, lässt sich angesichts der aktuellen Bedrohungslage nicht mehr aufrechterhalten. Galileo ist zivil nutzbar und funktechnisch störbar; militärisch steht häufig primär GPS zur Verfügung, dessen Nutzung spezielle Empfänger und Antennentechnologien erfordert. Ergänzend kommen GNSS‑gestützte Oszillatoren oder Miniatur‑Atomuhren zum Einsatz, die in der Regel ebenfalls initial über GNSS synchronisiert werden. Allen militärischen Systemen ist damit gemein: Sie sind zu einem definierten Zeitpunkt auf eine verlässliche GNSS-basierten Zeitsynchronisation angewiesen. Ist dies nicht verfügbar, fehlt die Grundlage für vernetzte Operationsführung, konsistente Lagebilder und die effiziente Nutzung des elektromagnetischen Spektrums (EMS).

Untersuchungsauftrag: Link 22 und das NNBS

Im Rahmen der Einführung des taktischen Datenlinks Link 22 wurde das Fraunhofer FKIE vom BAAINBw beauftragt, die militärische Zeitversorgung des Nationalen NILE Basis Systems (NNBS) zu untersuchen. Link 22 ist ein TDMA‑basiertes Funkkommunikationssystem (Time Division Multiple Access), bei dem alle Nutzer in fest definierten Zeitschlitzen auf das EMS zugreifen. Die Zeitsynchronisation erfolgt über den PPS‑Sekundentakt (Pulse Per Second) und militärische Zeitstempel, die üblicherweise aus dem GPS‑Signal abgeleitet werden.

Für die Zeitversorgung werden militärische Zeitstempel verwendet, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzen:

• PPS‑Takt zur hochgenauen Übermittlung der Sekunde
• Zeitinformation aus einer Zeitquelle (z. B. GPS, Galileo), portiert in ein militärisches Zeitstempelformat

Die Übertragung hochwertiger Zeitstempel erfolgt über eine RS485‑Busschnittstelle; für Komponenten mit geringeren Anforderungen können Zeitinformationen zusätzlich über IP‑Pakete verteilt werden.

Von Link 22 zur plattformübergreifenden Lösung

Die Untersuchungen des Fraunhofer FKIE verfolgten zunächst einen klaren Link‑22‑Fokus: Bewertung der Stabilität GPS‑gestützter Zeitsignale, Analyse der Auswirkungen auf die Zeitversorgung, Identifikation von Schwachstellen und Bewertung des Aufwands für eine eigenständige militärische Zeitversorgung. Im Verlauf wurde deutlich, dass die zugrunde liegenden Bausteine – GNSS‑Mehrsystemfähigkeit, militärische Zeitstempelformate nach STANAG 4246, 4372 und 4430, serielle und IP‑basierte Schnittstellen sowie die kombinierte Zeit‑/Positionsversorgung – weit über Link 22 hinaus relevant sind.

Ziel: Software-defined, modularer militärischer Zeitgeber

Ziel der aktuellen Arbeiten am Fraunhofer FKIE ist die Weiterentwicklung hin zu einem software‑defined, modularen militärischen Zeitgeber, der:

• mehrere GNSS‑Systeme parallel nutzen kann
• alle relevanten militärischen Zeitstempelformate unterstützt
• Zeit- und Positionsinformationen über unterschiedliche Schnittstellen bereitstellt
• im Hold‑Over‑Modus hohe Zeitstabilität gewährleistet
• sich an neue Kommunikationssysteme, Domänen und Einsatzszenarien adaptieren lässt

Damit entsteht aus einem spezifischen Link‑22‑Untersuchungsauftrag eine plattformartige Lösung für zukünftige militärische Kommunikations- und Führungssysteme.

Software Defined Rapid Prototyping als Entwicklungsansatz

Die Entwicklung der militärischen Zeitgeber am Fraunhofer FKIE folgt einem iterativen Software-Defined-Rapid-Prototyping‑Ansatz (SDRP). Ziel ist eine software‑defined, modulare Zeitgeberplattform, die sich für unterschiedliche Kommunikationssysteme, Domänen und Einsatzszenarien adaptieren lässt. Hardware und Software sind konsequent entkoppelt, sodass neue GNSS‑Empfänger, Oszillatoren, Schnittstellen oder Zeitstempelformate mit überschaubarem Aufwand integriert und erprobt werden können.

Modulare Hardwarebasis und Grundfunktionalitäten

Die Hardwarebasis bildet ein modularer Baugruppenträger, auf dem bis zu vier Funktionsmodule über vorkonfigurierte Schnittstellen kombiniert werden. Zentrale Grundfunktionalitäten aller Generationen sind:

• GNSS‑Empfänger (GPS, Galileo, BeiDou, GLONASS) zur Gewinnung von Zeit- und Positionsinformationen
• Bildung militärischer Zeitstempel auf Basis der GNSS‑Zeit
• Real Time Clock (RTC) mit Pufferbatterie für schnelle Kaltstarts und Überbrückung von GNSS‑Ausfällen
• RS485‑Schnittstelle zur Ausgabe militärischer Zeitstempel an zeitkritische Komponenten
• Ethernet/UDP/IP zur Verteilung von Zeit- und Positionsdaten in Netzen mit geringeren Zeitgüteanforderungen
• Lokale Anzeige der Systemzeit über Display bzw. Touch‑Display

Je nach Anwendung können weitere Baugruppen wie zusätzliche Displays, Pufferbatterien, Temperatursensoren oder alternative Schnittstellen ergänzt werden. In der Software werden GNSS‑Zeitinformationen in militärische Zeitstempelformate portiert – unterstützt werden unter anderem STANAG 4246 (HQ1, HQ2, GPS‑HQ), STANAG 4372 (SATURN 1/2) und STANAG 4430 (XHQ).

Entwicklung in vier Generationen

1. Generation 19‑Zoll‑Funktionsdemonstrator für Link 22, eingesetzt auf Timber Express 2018 zur Versorgung eines verlegefähigen NNBS der Marine mit GPS‑HQ‑Zeitstempeln. Basis: GNSS‑Empfänger, RTC, RS485, Ethernet, Display.

2. Generation Fokus auf Resilienz im Hold‑Over‑Modus durch einen GNSS‑gestützten Ofen‑Quarzoszillator (OCXO). Die Zeitdrift sinkt von ~12 ppb (Gen. 1) auf etwa 0,1–2 ppb – ca. um den Faktor 10 besser als die Vorgängergeneration und erheblich besser gegenüber der Bundeswehr‑Kauflösung. Touch‑Display, alle relevanten Zeitstempelformate und konfigurierbare Zeitdriftverfahren ermöglichen zusätzlich den Einsatz als Software Defined Smart Jammer für Zeit‑Spoofing‑Untersuchungen.

3. Generation Überarbeitete Hardware zur Steigerung der Systemstabilität und Anpassung an ein Konzeptfahrzeug der Luftwaffe. Stromversorgung, Verkabelung und Steckverbinder wurden auf Kfz‑ und Avionik‑Umgebungen abgestimmt. Auf der Timber Express 2025 versorgte der Zeitgeber über drei Wochen einen Link‑22‑Testaufbau mit stabilen XHQ‑Zeitstempeln.

4. Generation Konsolidierung zur vollumfänglich software‑definierten Plattform und Miniaturisierung. Zunächst wurde ein 19‑Zoll‑Zeitgeber aufgebaut, bei dem alle militärischen Zeitstempelformate softwareseitig implementiert und über die Bedienoberfläche auswählbar sind. Ein zusätzlicher Reset-Taster ermöglicht softwaretechnische Neustarts – relevant für Tests, Fehlerszenarien und reproduzierbare Versuchsreihen. Anschließend wurde der Zeitgeber miniaturisiert, um ihn bei gleicher Funktionalität in ein Erprobungsfahrzeug zu integrieren. Die Evaluierung ist unter anderem im Rahmen der Timber Express 2026 vorgesehen.

Fazit: Von der Einzellösung zur skalierbaren Plattform

Durch SDRP und modulare Architektur ist aus einem ursprünglich Link‑22‑spezifischen Zeitgeber eine skalierbare Plattform für militärische Zeit- und Positionsversorgung entstanden – adaptierbar für weitere taktische Datenlinks, Führungs‑ und Waffeneinsatzsysteme sowie stationäre und verlegefähige Führungsstellen.

Messbare Verbesserungen bei Genauigkeit und Verfügbarkeit

Die bisherigen Entwicklungszyklen der militärischen Zeitgeber am Fraunhofer FKIE belegen, dass die Link‑22‑Zeitversorgung technisch signifikant verbessert und funktional erweitert werden kann. Messungen im Labor und bei Übung zeigen: Die Kombination aus GNSS‑Mehrsystemfähigkeit, OCXO‑basiertem Hold‑Over und software‑definiertem Zeitgeber steigert sowohl Genauigkeit als auch Verfügbarkeit der Zeitinformation deutlich.

Im Vergleich zur in der Bundeswehr eingeführten Kauflösung (~ 0,5 ppm Zeitdrift im Hold‑Over‑Modus) erreichte bereits die erste Generation mit ~ 12 ppb eine wesentlich höhere Stabilität. Durch den GNSS‑gestützten Ofen‑Quarzoszillator (OCXO) der zweiten Generation wurde die Zeitdrift weiter auf 0,1–2 ppb reduziert:

• Faktor 10 besser als Generation 1
• Erheblich besser als die Bundeswehr-Kauflösung

Der zulässige Toleranzbereich für TDMA‑basierte Kommunikationssysteme wird damit über deutlich längere Zeiträume eingehalten – auch in GNSS‑gestörten Umgebungen.

Praxisbeweis: Timber Express 2018 und 2025

Die Evaluierungen im Rahmen der internationalen Übung Timber Express unterstreichen die Einsatzreife des Ansatzes:

• 2018: Generation 1 versorgte ein verlegefähiges NNBS der Marine über die gesamte dreiwöchige Vorbereitungs- und Manöverphase zuverlässig mit GPS‑HQ‑Zeitstempeln.
• 2025: Generation 3 bediente über drei Wochen einen Link‑22‑Testaufbau in einem Konzeptfahrzeug der Luftwaffe stabil mit XHQ‑Zeitstempeln. Stromversorgungsanpassungen, avionik‑ähnliche Rack‑Integration und robuste RS485‑/Ethernet‑Schnittstellentechnik bestätigten die Zuverlässigkeit der modularen Architektur auch in Fahrzeugumgebungen.

Vierte Generation: Software-definierte Plattform und Miniaturisierung

Mit der vierten Generation wurde der Zeitgeber zu einer vollumfänglich software‑definierten Plattform konsolidiert. Die 19‑Zoll‑Variante stellt alle implementierten militärischen Zeitstempelformate über eine Bedienoberfläche zur Auswahl bereit; ein Reset-Taster ermöglicht softwaretechnische Neustarts für reproduzierbarer Tests. Die anschließende Miniaturisierung bei gleicher Funktionalität eröffnet den Einsatz in beschränkten Einbauverhältnissen – etwa in Fahrzeugen oder mobilen Führungsmitteln. Die Erprobung der vierten Generation ist unter anderem im Rahmen Timber Express 2026 vorgesehen.

Ausblick: Fünfte Generation und breiter Plattformansatz

Nach Auswertung der Messungen bei der Timber Express 2026 sollen alle identifizierten Optimierungspotenziale in die fünfte Generation überführt werden. Schwerpunkte sind:

• Hold‑Over‑Befähigung bei GNSS‑Ausfall:  Langzeitverhalten, Temperaturabhängigkeit und optimierter Oszillatoransteuerung
• Optimierungen von Display‑ und RTC‑Baugruppen für verbesserte Bedienbarkeit, Diagnosefunktionen und Kaltstartverhalten
• Datendiode zur Rot/Schwarz‑Trennung sicherheitskritische Datenpfade
• Eigenpositionsübermittlung für das FüWes über spezielle Interfaces und Datenformate –Zeit- und Positionsversorgung aus einer gemeinsamen, vertrauenswürdigen Quelle

Mit der fünften Generation vollzieht sich der Schritt von einem Link‑22‑orientierten Zeitgeber hin zu einer breiter einsetzbaren Zeit- und Positionsplattform für militärische Kommunikations- und Führungssysteme. Die modulare Architektur erlaubt sukzessive Integration neuer GNSS-Technologien, alternativer Zeitquellen und sicherheitstechnischer Erweiterungen – eine zukunftsfähige Grundlage für den zuverlässigen Betrieb in GNSS‑kritischen Umgebungen.