Quantenbasierte Beschleunigungsmessung auf Geodäsie-Satelliten (Q-BAGS)

Abstract

Satellitenmissionen wie GRACE und GRACE-FO ermöglichen die globale Bestimmung des Erdschwerefeldes. Ein limitierender Faktor bisheriger Missionen auf technischer Seite ist die elektrostatische Messung nicht-gravitativer Beschleunigungen. Als neues Sensorkonzept werden Atominterferometrie-basierte Beschleunigungsmesser, die eine hohe Empfindlichkeit und Langzeitstabilität biete, mittels realistischer Simulationen evaluiert. Mit Closed-Loop-Simulationen wurden verschiedene Missionsszenarien wie Low-Low-Satellite-to-Satellite-Tracking (ll-SST) und Satelliten-Gradiometrie untersucht, um den Mehrwert von Quantensensoren zu quantifizieren und zu bewerten. Ein Quantensensor-Simulator wurde entwickelt, der die physikalischen Prozesse eines Atominterferometers modelliert, einschließlich Laserwellenfronten, Temperatur und Geschwindigkeit auf einer Satellitenplattform. Faktoren wie Drehungen und Lageregelung wurden einbezogen. Zudem wurden klassische elektrostatische und Atominterferometrie-Messungen mit einem Kalman-Filter kombiniert, um ihre komplementären Eigenschaften zu nutzen. Die Simulationsergebnisse zukünftiger Missionen zeigen die Vorteile dieser quantenbasierten Sensoren. Kritische Faktoren für verbesserte Schwerefeld-Lösungen sind jedoch die unzureichenden Modelle für hochfrequente Massenvariation in Ozean und Atmosphäre, rotationsbedingte Phasenverschiebung im Quanten-Sensor und die erforderliche Genauigkeit der Winkelbestimmung. Eine hybride Nutzung mit klassischen Beschleunigungsmessern verbessert die Schätzung derer Kalibrierungsparameter. Für ll-SST-Missionen können quanten-basierte Instrumente Schwerefeldbeobachtungen verbessern. Allerdings bleibt das zeitliche Aliasing (durch nicht-modellierte hochfrequente Massenvariationen) aufgrund der Unterabtastung bei den Satellitenmissionen ein limitierender Faktor für die finalen Schwerefeldergebnisse.