Die Akquise des Laser Links ist der kritischste Schritt in der Inbetriebnahme eines inter-Satelliten Laserinterferometers, wie zum Beispiel dem Laser Ranging Interferometer (LRI) an Bord der GRACE Follow-On Mission. Mit dem Miniaturized Constellation Acquisition System (MiniCAS) entwickelt das DLR ein Sensorsystem, welches diesen Prozess drastisch verkürzen und sicherer gestalten wird.
MiniCAS
Die Akquise des Laser Links ist der kritischste Schritt in der Inbetriebnahme eines inter-Satelliten Laserinterferometers, wie zum Beispiel dem Laser Ranging Interferometer (LRI) an Bord der GRACE Follow-On Mission. Bei dieser Mission befinden sich zwei Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn, welche einen interferometrischen Laserlink über eine Distanz von ca. 220km betreiben. Mithilfe dieser Messtechnik lassen sich Änderungen des Erdschwerefelds bestimmen, die z.B. dem besseren Verständnis des Klimawandels dienen.
Durch Toleranzen bei der Fertigung und Integration der Komponenten des Satelliten und des Interferometers, Erschütterungen beim Raketenstart und andere, z.B. thermische Effekte wird eine Verkippung des Interferometers in Bezug auf die räumliche Verbindungsachse zwischen den Satelliten hervorgerufen. Hierdurch würden die emittierten Laserstrahlen den jeweils anderen Satelliten nicht erreichen (s. Abbildung oben, Abschnitt (a)). Im Rahmen der Link-Akquise wird diese Verkippung bestimmt und anschließend korrigiert (Abschnitt (b) und (c)). Das LRI an Bord von GRACE-FO musste hierfür mehrere ca. 9-stündige, aufwendige räumliche Scans der Laserstrahlen durchführen.
Mit dem Miniaturized Constellation Acquisition System (MiniCAS) entwickelt das DLR ein Sensorsystem, welches diesen Prozess drastisch verkürzen und sicherer gestalten wird. Die folgende Abbildung zeigt das grundlegende Funktionsprinzip.
Das Messprinzip von MiniCAS
Credit:
J. van den Toren / DLR (alle Rechte vorbehalten)
Die Sendeeinheit des MiniCAS-Systems besteht aus einer Lichtquelle mit einer ausreichend großen Strahldivergenz, um ohne jegliche Scans den gesamten Unschärfekegel abzudecken (s. Abschnitt (a) in der Abbildung). Solch ein Signal wird oft als Beacon Beam (engl. Für Leuchtfeuer) bezeichnet. Auf dem empfangenden Satelliten tritt das Licht durch eine Blende in das MiniCAS-System ein wird von einem Linsensystem auf den dortigen Sensor fokussiert. Über die Entfernung ähnelt der vom Sender emittierte Strahl einer kugelförmigen Wellenfront. Neigt sich das sendende Raumfahrzeug, so neigt sich auch der Strahl. Der Abschnitt des Strahls, der in die Apertur eintritt, zeigt jedoch keine Veränderung des Winkels (siehe obige Abbildung Abschnitt (b)). Wenn sich jedoch das empfangende Raumfahrzeug neigt, tritt der Strahl in einem Winkel durch die Blende (siehe Abschnitt (c)). Das Linsensystem setzt diese Neigung in einen Strahlversatz auf dem Sensor um.
Mithilfe dieses Messprinzips lassen sich Verkippungen der Satelliten in Bezug auf die optische Verbindungsachse zum jeweils anderen Satelliten mit einer Präzision im Mikroradiant-Bereich messen. Die entspricht der Genauigkeit, die erforderlich wäre, um ein Fahrrad in einer Entfernung von 200km zuverlässig mit einem Laserstrahl zu treffen.
Das MiniCAS System wird im Rahmen des ADMIRE Projekts in Zusammenarbeit der Institute für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover, dem Institut für Weltraumforschung in Berlin und dem DLR Systemhaus Technik in Göttingen entwickelt.
Projektbeteiligte
- DLR Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik, Hannover
- DLR Institut für Weltraumforschung, Berlin
- DLR Systemhaus Technik, Göttingen
Beteiligte Abteilungen
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Kontakt
Dr. rer. nat. Alexander Koch
Kommissarische Leitung Laserinterferometrische Sensorik
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik
Laserinterferometrische Sensorik
Callinstrasse 30b, 30167 Hannover