NGGM Phase A Studie

Mit dem Start der GRACE-Follow-On-Mission (GRACE-FO) im Mai 2018 wurde eine neue Ära in der Satellitengeodäsie eingeläutet, da dort erstmalig ein Laserinterferometer mit einer bis dahin unerreichbaren Sensitivität hinsichtlich der Messung von Abstandsänderungen zwischen den Satelliten zur Anwendung kam. Institut ist im Rahmen eines von Airbus Defense and Space geführten Konsortiums an einer ESA Phase A Studie zu einer Nachfolgemission für die GRACE-FO Mission beteiligt: Der Next Generation Gravity Mission (NGGM). DLR-SI analysiert und entwickelt in diesem Kontext Laser Link Akquisitionsprozeduren und dedizierte Sensorik, um den Prozess noch robuster zu machen, zu beschleunigen und um das damit einhergehende Risiko zu minimieren.

Im Rahmen der ESA Phase A Studie zu einer Next Generation Gravity Mission (NGGM) untersucht das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik potentielle Verfahren sowie spezielle Hardwaresysteme zur Laser Link Akquise, die zur Vereinfachung und Risikominimierung des Prozesses eingesetzt werden können.

Verschiedene Effekte sorgen dafür, dass für jeden Satelliten nur eine fehlerbehaftete Schätzung der Verbindungslinie zum jeweils anderen Satelliten (engl. Line of Sight) vorgenommen werden kann. Durch einen Laser Link Akquisitionsprozess wird die tatsächliche Verbindungslinie zwischen zwei Satelliten bestimmt.

Mit dem Start der GRACE-Follow-On-Mission (GRACE-FO) im Mai 2018 wurde eine neue Ära in der Satellitengeodäsie eingeläutet, da dort erstmalig ein intersatelliten Laserinterferometer zur Anwendung kam. Dieses Laser Ranging Interferometer (LRI) wurde entwickelt, um die Präzision des damals hochmodernen Mikrowellen-Entfernungsmessgeräts um Größenordnungen zu übertreffen. Im Jahr 2019 wurden die ersten Ergebnisse von LRI-Entfernungsmessungen veröffentlicht, die ein Rauschniveau von etwa 1 nm/rtHz bei einer Fourier-Frequenz von 0,1 Hz aufzeigten und damit die LRI-Anforderungen an das Rauschniveau von 80 nm/rtHz bei dieser Frequenz deutlich übertrafen. Damit ebnete das LRI den Weg für künftige Schwerefeldmissionen, die sich vollständig auf eine laserbasierte Messung der Abstandsänderungen zwischen den Satelliten stützen werden.

Eine solche Mission, die derzeit untersucht wird, ist ESAs NGGM Mission. Das wissenschaftliche Hauptziel dieser Mission ist die Überwachung der zeitlichen Schwankungen des Schwerefeldes der Erde mit einer im Vergleich zu GRACE-FO verbesserten zeitlichen und räumlichen Auflösung. NGGM wird Prozesse der Erdmassenveränderung beobachten und dabei die Hydrologie, die Kryosphäre, die Ozeanographie und die feste Erde überwachen und somit wichtige Informationen über die Prozesse des Klimawandels liefern.

Kleine Verkippungen der optischen Bänke des Laser Interferometers in Bezug auf die spätere Verbindungslinie zum jeweils anderen Satelliten sind während der Intergration in den Satelliten unvermeidlich. Für hochpräzise Laser Interferometer müssen diese kleinen Fehler durch spezielle Link Akquisitionsprozeduren im Flug kalibriert werden.

Derzeit führt die ESA Phase A Studien für die gesamte NGGM-Mission durch. Als Teil eines Konsortiums, das von Airbus Defense and Space geleitet wird, ist das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik für das Laser Link Acquisition System verantwortlich. Ein Laser Link Akquisitionsverfahren wird sowohl für den erstmaligen Aufbau der Laserverbindung als auch für spätere Re-Initialisierungsprozeduren derselben im Falle des Verlustes des interferometrischen Signals, z.B. durch Umweltstörungen oder größere Bahnmanöver, benötigt. Die Hauptaufgabe bei der Link Akquise ist die Identifizierung von statischen und dynamischen Winkelfehlern zwischen der wahren Sichtlinie (engl. Line of Sight, LOS), der direkten Verbindungslinie zwischen den beiden Satelliten, und der aktuell besten Schätzung der LOS. Außerdem müssen die Frequenzunterschiede zwischen den Lasern auf den beiden Satelliten kalibriert werden. Fehler bei der LOS Schätzung sind unvermeidlich. Die Hauptursachen hierfür sind Herstellungs- und Ausrichtungstoleranzen von Subsystemen des Laser Ranging Instruments, Verformungen der Raumfahrzeugstrukturen, verursacht durch unterschiedliche Kräfte am Boden und in der Umlaufbahn, sowie durch den Raketenstart verursachte Setzungseffekte.

Beteiligte Abteilungen

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Kontakt

Dr. rer. nat. Alexander Koch

Kommissarische Leitung Quantenoptische Sensorik
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik
Quantenoptische Sensorik
Callinstrasse 30b, 30167 Hannover