Optische Quantentechnologien für künftige Generationen von Galileo

COMPASSO

Erste In-Orbit Qualifizierung von quantenoptischen Technologien

COMPASSO

Optische Quantentechnologien können wesentlich dazu beitragen, dass Satellitennavigationssysteme, wie das europäische Galileo, in Zukunft wesentlich robuster und genauer werden.

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Im Rahmen der COMPASSO-Mission des DLR werden (quanten-)optische Technologien auf der Bartolomeo Plattform der Internationalen Raumstation (ISS) getestet und deren Leistungsfähigkeit mit bestehenden Systemen verglichen.

Kompakte, hochstabile laseroptische Uhren können zukünftige Generationen von Satellitennavigationssystemen (GNSS), wie das europäische Galileo, erheblich verbessern. In Kombination mit optischen Verbindungen (Laserlinks) zur Bodeninfrastruktur und zwischen den GNSS-Satelliten kann eine höhere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung erreicht werden. Gleichzeitig erlauben die optischen Verbindungen, ohne Verringerung der Dienstgüte die Komplexität der erforderlichen GNSS-Bodeninfrastruktur zu reduzieren.

Die COMPASSO Nutzlast

Die COMPASSO-Nutzlast besteht im Wesentlichen aus drei Instrumenten: Eine Jodreferenz (entwickelt im DLR), ein Laserterminal mit einem neuentwickelten optischen Transceiver (entwickelt durch Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG und DLR) und ein optischer Frequenzkamm (entwickelt durch Menlo Systems GmbH). Durch die Kombination der Jodreferenz mit dem optischen Frequenzkamm wird ein hochpräzises und extrem frequenzstabiles Zeitsignal erzeugt. Dieses Zeitsignal wird dann auf einen Laserstrahl mit Hilfe eines codebasierten Multiplexverfahrens moduliert und aus dem Orbit zur optischen Bodenstation des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation in Oberpfaffenhofen übertragen. Dort erfolgt die Auswertung des Signals (Genauigkeit der Zeitübertragung, Frequenzstabilität und hochpräzise Bestimmung der Entfernung zwischen Bodenstation und Weltraumterminal).

Das übergeordnete Ziel der Mission ist es, den Weg für den operationellen Langzeiteinsatz (10 bis 15 Jahre) dieser Technologien z.B. in zukünftigen Generationen des Galileo-Systems, aber auch in wissenschaftlichen Weltraummissionen, z.B. das Gravity Recovery and Climate Experiment follow-on - GRACE-FO oder die Next Generation Gravity Mission - NGGM zu bereiten.

Die COMPASSO-Nutzlast wird an einem Steckplatz der Bartolomeo-Plattform an der Außenseite des Columbus-Moduls der Internationalen Raumstation (ISS) betrieben. Bartolomeo ist eine Airbus-Entwicklung, die einzigartige Möglichkeit für Demonstrations- und Verifikationsmissionen im Weltraum bietet, insbesondere da das Konzept die Rückführung der Nutzlasten am Ende der jeweiligen Missionszeit ermöglicht.

Die COMPASSO Mission

Das Missionsszenario COMPASSO lässt sich grob in drei Phasen unterteilen:

Phase 1:

Entwicklung und Start der Nutzlast:

Zunächst werden die einzelnen Subsysteme entwickelt, getestet und auf einer Trägerplatte zusammen mit den erforderlichen Infrastruktursystemen (On-board Computer, Thermalkontrolle, Sternsensor etc.) integriert. Zwei Realisierungen sind vorgesehen: Ein Development Model , das aus den jeweiligen Engineering Models der Subsystem besteht und letztendlich das finale Protoflugmodell.

Phase 2:

Demonstrationsphase auf der ISS:

In dieser Phase werden die für die Mission geplanten Demonstrationen durchgeführt. Sie umfasst einen Zeitraum von etwa 2 Jahren.

Phase 3:

Rückführung und Validierung:

Nach Durchführung der Demonstrationen schließt die Mission ab, die Subsysteme werden abgebaut, zur Erde zurückgeführt und an das DLR für Tests und Auswertung übergeben.

COMPASSO Phasen
Credit:
DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Details zur (akutellen) Architektur der Nutzlast

Die COMPASSO-Nutzlast beherbergt zwei absolute Frequenzreferenzen, die auf der Doppler-freien Spektroskopie von molekularem Jod basieren. Beide Referenzen können auf denselben oder auf unterschiedlichen (nahe gelegenen) Hyperfeinübergängen stabilisiert werden. Ein optischer Frequenzkamm überträgt die Frequenzstabilität der beiden Referenzen vom optischen in den Radiofrequenzbereich. Darüber hinaus kann der Frequenzkamm auf einen bordeigenen leistungsstarken Quarzoszillator (OCXO) referenziert werden und ermöglicht so mehrfache Vergleichsmessungen, mit denen die Frequenzstabilität der Uhren bewertet werden kann.

Ein bi-direktionales optisches Laserkommunikations- und Ranging-Terminal (LCRT) ermöglicht die Zeit- und Frequenzübertragung zwischen COMPASSO-Nutzlast und optischer Bodenstation - zusammen mit der Uhrensynchronisation, dem hochgenauen Ranging (Abstandsmessung) und der Datenkommunikation. Durch den Vergleich der absoluten Frequenz der im Orbit betriebenen Jod-Referenz mit dem entsprechenden Wert am Boden, kann durch die Analyse der gravitativen Rotverschiebung sogar ein Test der allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden.

Die genannten Instrumente werden zusammen mit den erforderlichen Infrastruktursystemen auf dem ArgUS Multi-Payload Carrier montiert. Im Weltraum wird die Nutzlast mittels Roboterarm an einen GOLD-2-Verbinder der Bartolomeo-Plattform angesteckt, der die mechanische, elektrische und datentechnische Verbindung gewährleistet.

Start und Transport erfolgen unter Atmosphäre, weswegen der mit den COMPASSO-Subsystemen bestückte ArgUS-Träger mit den inneren Abmessungen und Massenbeschränkungen des Cargo Transfer Bags (CTB), der Nanoracks Bishop Luftschleuse und der Cygnus Visiting Vehicle-Luke der ISS kompatibel sein muss.