Navigation mit Quantensensorik im Weltraum (SpaceQNav)

Übersicht

Derzeit steigt das Interesse an Weltraumnavigation, sei es zur verbesserten Orbitbestimmung bestehender Systeme wie Galileo, zur Nutzung von Schwärmen von Kleinsatelliten (LEO-PNT) oder für Mondmissionen. Verschiedene Weltraumagenturen wie NASA, ESA und JAXA sowie die Privatwirtschaft treiben diese Entwicklungen voran, weshalb sichere Navigationsverfahren entwickelt werden müssen.

Konzept

Inertialsensoren basierend auf Quanten-Prinzipien lassen vom physikalischen Konzept her eine hohe Empfindlichkeit und überragende Langzeitstabilität gegenüber konventionellen Inertial Measurement Units erwarten. So ist bereits mit konservativen Annahmen eine durch Quantenprojektionsrauschen limitierte Empfindlichkeit pro Zyklus von wenigen wenigen µg/sqrt(Hz), bzw. nrad/s/sqrt(Hz) möglich. Mittels Sagnac-Effekt können Quantensensoren mit einer Anordnung sowohl Beschleunigungen als auch Drehraten messen. Anstelle mechanischer Systeme in Beschleunigungsmessern oder durch einen Faserkreisel oder Ringresonator umschlossenen Flächen in Lasergyroskopen sind in Quantensensoren die Skalenfaktoren an atomare Übergänge gebunden und auf Frequenzmessungen zurückführbar.

Ziel des Vorhabens

Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Abschätzung von Verbesserungen der Navigationsperformance beim Einsatz von Quantensensorik für Weltraumanwendungen. Dies beinhaltet sowohl die Anforderungsanalyse an das Design (Ein/Mehrachsensensorik) und die Auswertestrategie als auch die Evaluation des Performancegewinns und die Identifikation von kritischen Szenarien und Grenzen der Sensorik. Die im Vorhaben zu untersuchenden Anwendungen umfassen dabei die Navigation im Erdorbit, den Flug zum Mond, sowie die Inertialnavigation mit Quantensensoren auf der Mondoberfläche.