Optical Metrology Terminal (OMT)

Abstract

In diesem Projekt wurde ein Breadboard-Modell eines Optical Metrology Terminals (OMT) basierend auf einem Heterodyn- Interferometer mit Pointing-Mechanismus entwickelt und experimentell untersucht. Das OMT stellt einen Prototypen dar für ein Laser Ranging Instrument wie es beispielsweise bei Satellitenmissionen zur Bestimmung des Erdgravitationsfeldes zum Einsatz kommen kann, ähnlich der 2018 gestarteten Mission GRACE Follow-On, die ein Laser Ranging Instrument (LRI) als Technologiedemonstrator beinhaltet. Ähnliche Missionskonzepte werden momentan von der ESA innerhalb des Programmes Next Generation Gravity Mission (NGGM) untersucht, woraus auch die Anforderungen an das OMT abgeleitet wurden: Zwei Satelliten mit einem maximalen SST-Abstand von 300km (nominell 200km) und einer Pointing-Genauigkeit des Lage- und Bahnregelungsystems (AOCS) des Satelliten von ±4mrad (vgl. GRACE), was eine aktive Stahlstellung innerhalb des OMT notwendig macht. Die Messunsicherheit der relativen Abstandsmessung soll < 50 nm/√Hz betragen, wobei ein Laser mit einer Wellenlänge von 1064nm verwendet werden soll, der in einer weltraumqualifizierten Version mit einer Ausgangsleistung bis 50mW existiert und z.B. auf GRACE Follow-On zum Einsatz kommt. Zur Bestimmung von Winkeländerungen soll die Methode des Differential Wavefront Sensing (DWS) implementiert werden. In dem Projekt wurden verschiedene Optionen zum Strahlengang, insbesondere on- und off-axis Konfigurationen untersucht, welche in einem on-axis Baseline-Konzept unter Verwendung eines kleinen Retroreflektors resultierten. Für dieses Konzept wurde ein detailliertes Design ausgearbeitet und experimentell umgesetzt. Dabei wurden bereits Anforderungen an den späteren Einsatz auf einem Satelliten berücksichtigt, insbesondere Kompaktheit und thermische wie mechanische Stabilität des Aufbaus. Eine dedizierte Testumgebung (Test Metrology Terminal, TMT) für das optische Terminal wurde konzipiert und umgesetzt. Diese ermöglichte die Verifikation des Aufbaus, vor allem im Hinblick auf Langzeitstabilität in der Abstandsmessung, Tilt-to-Length- Kopplung und Strahlenakquisition.