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. Datei-Upload durch TIB In this project, a breadboard model of an optical metrology terminal (OMT) based on a heterodyne interferometer with pointing mechanism was developed and experimentally investigated. The OMT is a prototype for a Laser Ranging Instrument like the one used in satellite missions to determine the Earth's gravitational field, similar to the GRACE Follow-On mission launched in 2018, which includes a Laser Ranging Instrument (LRI) as a technology demonstrator. Similar mission concepts are currently being investigated by ESA within the Next Generation Gravity Mission (NGGM) programme, from which the requirements for the OMT have also been derived: Two satellites with a maximum SST distance of 300km (nominally 200km) and a pointing accuracy of ±4mrad (cf. GRACE) of the satellite's attitude and orbit control system (AOCS), requiring an active pointing mechanism within the OMT. The measurement uncertainty of the relative distance measurement shall be < 50 nm/√Hz, whereby a laser with a wavelength of 1064 nm shall be used, which exists in a space qualified version with an output power up to 50mW and is used e.g. on GRACE Follow-On. The Differential Wavefront Sensing (DWS) method is to be implemented to determine angle changes. In this project different options for the beam path, especially on- and off-axis configurations, were investigated which resulted in an on-axis baseline concept using a small retroreflector. For this concept a detailed design was developed and implemented experimentally. Requirements for the later use on a satellite were already considered, especially compactness and thermal as well as mechanical stability of the structure. A dedicated test environment (Test Metrology Terminal, TMT) for the optical terminal was designed and implemented. This enabled the verification of the setup, especially with regard to long-term stability in distance measurement, tilt-to-length coupling and beam acquisition.