Die Gruppe Systemevolution befasst sich mit neuen Technologien und Methoden zur Weiterentwicklung von Navigations- und Timing- Services, beispielsweise zur Nutzung in vernetzten globalen Navigationssystemen oder der Bereitstellung robuster Zeitskalen durch Uhrenensembles.
Neue GNSS-Architekturen mit vernetzten Satelliten
Die nächste Generation globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS) wird von der Verwendung optischer Technologien erheblich profitieren. Diese ermöglichen die Vernetzung aller Elemente eines GNSS durch Verbindungen zwischen den Satelliten und zwischen Bodenstationen und Satelliten. Diese Technologien verbessern die Autonomie und Robustheit des Systems, erhöhen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positions- und Zeitdienste und ermöglichen die Realisierung von „Multi-Layer“-Konzepten, bei denen bestehende GNSS-Konstellationen in mittlerer Erdumlaufbahn (MEO) mit anderen Navigations- (z. B. LEO PNT) und Kommunikationskonstellationen (z. B. IRIS2) vernetzt werden können.
Die wichtigsten Aktivitäten konzentrieren sich auf die Entwicklung und Emulation von GNSS der nächsten Generation mit voller Ausnutzung der Verbindungen zwischen Satelliten sowie zwischen Satelliten und Bodenstationen. Die Vernetzung der MEO-Satelliten über optische Verbindungen ermöglicht
die Synchronisation der Satellitenuhren mit Pikosekundengenauigkeit,
die Messung der Entfernungen zwischen Satelliten auf Submillimetergenauigkeit,
den Datenaustausch mit Datenraten von Mbit/s bis Gbit/s.
Das System kann um ein Segment in niedriger Erdumlaufbahn (LEO) erweitert werden, um die MEO-Satelliten ohne Einflüsse der Atmosphäre beobachten zu können und möglicherweise Navigationssignalen von LEO-Satelliten zu übertragen (LEO PNT-Konzept). Ein Beispiel für eine solche Architektur ist das vom DLR vorgeschlagene System Kepler, ein (r)evolutionäres Konzept für ein GNSS der dritten Generation. Anhand theoretischer Analysen und Simulationen auswerten wir den operationellen Betrieb und die Leistungsfähigkeit solcher Architekturen sowie die Vorteile auf System- und Endnutzerebene.
OpSTAR In-Orbit Demonstrator
Unsere Gruppe ist an der Entwicklung der OpSTAR In-Orbit Demonstrator (IOD)-Mission beteiligt. Der OpSTAR IOD soll die Leistungsfähigkeit optischer Verbindungen zwischen Satelliten demonstrieren, um Satellitenuhren autonom zu synchronisieren, genaue Entfernungsmessungen zur Verbesserung der Bahnbestimmung durchzuführen und Daten mit geringer Latenz und hohem Datenvolumen auszutauschen. OpSTAR wird eine Testmission zur Validierung zukünftiger Systemkonzepte und Prozessierungsarchitekturen eines GNSS sein, das optische Intersatellitenverbindungen vollständig integriert, um robustere und genauere globale Navigation und Zeitbereitstellung zu ermöglichen.
Robuste Zeitgenerierung
Techniken zur Zeitgenerierung und -verbreitung spielen in Navigationssystemen eine wichtige Rolle. Wir entwickeln Methoden für eine robuste Satellitenzeitgenerierung und die Realisierung von Systemzeitskalen. Dies kann durch die Implementierung eines verteilten Uhrenensembles im MEO und die Nutzung der optischen Verbindungen zwischen Satelliten für Zeitmessungen erreicht werden. Verschiedene Fehlererkennungstechniken gewährleisten die Robustheit der generierten Zeitskalen, indem sie Fehler in den Satellitenuhren erkennen, identifizieren und darauf reagieren. Diese Algorithmen werden in unserem Zeitlabor getestet, das mit modernsten Atomuhren (darunter aktive Wasserstoffmaser, Rubidiumuhren und Cäsiumreferenzen) und experimentellen optischen Frequenzreferenzen (z. B. optische Frequenzkämme und stabilen Lasern) ausgestattet ist.
Laufende Aktivitäten
Die Gruppe Systemevolution befasst sich derzeit mit folgenden Aktivitäten:
Entwicklung neuartiger Architekturen für globale Navigationssatellitensysteme
Erzeugung robuster Zeitskalen über Uhrenensembles, sowohl am Boden als auch im Orbit
Untersuchung der Zeit- und Frequenzübertragung über kohärente optische Kanäle
Relativistische Aspekte in GNSS und Intersatellitenverbindungen
Analyse von Methoden zur Bestimmung der Satellitenbahn und zur Datenverbreitung innerhalb und zwischen Systemen
Neuartige Ansätze zur Verbesserung der Autonomie und Robustheit von GNSS
Schätzung von Systemabweichungen
Präzise Positionierung für aktuelle und zukünftige Systeme
Darüber hinaus unterstützen wir die die Gruppe Alternative Navigationssysteme bei Aktivitäten zur Entwicklung von Systemen, die Navigations- und Zeitdienste entweder bei Ausfall der Satellitennavigation (Nichtverfügbarkeit) oder als Ergänzung zu den aktuellen GNSS-Diensten bereitstellen können.
Uhrenlabor
Im Uhrenlabor werden u.a. Untersuchungen zur Zeitsynchronisation, zur Generierung einer Systemzeit aus mehreren Uhren (Ensemble-Zeit), zur Verifikation von Systemzeit-Algorithmen (Composite Clock) mit echten Messdaten oder zum Zeittransfer durchgeführt. Die Laborräume sind einzeln klimatisiert und durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sowie eine Batterieeinspeisung gegen Stromausfall abgesichert.
Satelliten in einer globalen Kommunikationsinfrastruktur
Satelliten in einer globalen Kommunikationsinfrastruktur (Symbolbild).
Bild: 2/4, Credit:
DeSK e.V.
Satelliten und ihre Umlaufbahnen
Satelliten sind auf sehr unterschiedlichen Umlaufbahnen unterwegs: Der Testsatellit „LoLaSat“ (Low Latency communication Satellite) soll in einer sehr niedrigen Umlaufbahn in circa 270 Kilometern Höhe im sogenannten Very Low Earth Orbit (VLEO) unsere Erde umkreisen, um die Signallaufzeit auf ein Minimum zu reduzieren. Erdbeobachtungssatelliten umkreisen im niedrigen Erdorbit (Low Earth Orbit, LEO) zwischen 500 und 1.000 Kilometern unsere Erde. Navigationssatelliten wie die des europäischen Galileo-Systems sind mit einer Höhe von rund 23.000 Kilometern im mittleren Erdorbit (Middle Earth Orbit, MEO) unterwegs. Große Kommunikationssatelliten „stehen“ in 35.786 Kilometern über einem Punkt unserer Erde, weil sie sich so schnell bewegen, wie die Erde sich unter ihnen mitdreht.
