Entwicklung einer kompakten Experimentalplattform eines gyro-stabilisierten Quantennavigationssensors (QGyro+)

Abstract

Die Inertialnavigation erlaubt die autonome Bestimmung von Trajektorien durch Integration gemessener Beschleunigungen und Drehraten in drei Raumrichtungen. Sie ist damit prädestiniert für Umgebungen ohne zuverlässige Satellitensicht und robust gegen Jamming und Spoofing. Limitierend ist jedoch die mit der Zeit mindestens quadratisch anwachsende Drift der Positionslösung, sodass selbst präzise IMUs ohne Stützung rasch meterweite Abweichungen erzeugen; für navigation-grade IMU bei ungestützter inertialer Navigation liegen zeitabhängige Fehler typischerweise bei etwa 1 km nach einer Stunde. Klassische GNSS-gestützte Navigation versagt hingegen überall dort, wo Signale abgeschattet oder gestört sind. Quanteninertialsensoren auf Basis der Atominterferometrie messen Beschleunigungen und Rotationen offsetfrei mit hoher Empfindlichkeit und exzellenter Langzeitstabilität, jedoch mit geringer Messrate und Dynamik. Bisherige Prototypen sind auf einachsige und laborgebundene Messungen ausgelegt; existierende Mehrachsensysteme sind meist sequentiell mit zu niedrigen Datenraten oder noch nicht experimentell realisiert. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines kompakten sechsachsigen Quanteninertialnavigationssensors (QINS) und dessen Hybridisierung mit konventionellen IMUs auf einer aktiv gyro-stabilisierten Plattform zur autonomen Navigation ohne GNSS. Zentral war dabei ein komplementäres Konzept in dem drei Prototypen parallel entwickelt worden sind. Diese umfassen einen Ein-Achsen-Sensor mit einfacher Atomquelle, kommerziellen Komponenten und mobilem Design, einem Gyro-Demonstrator zur hochgenauen Messung von Rotationsraten mit zwei Freiheitsgraden, sowie einer kompakte QINS-Experimentalplattform mit sechs Freiheitsgraden. Dieser 6-DOF-Sensor baut auf dem Ein-Achsen-Design aus QGyro auf, wobei wesentliche Komponenten durch miniaturisierte Lösungen ersetzt wurden. Hierdurch konnte bei kompakter Größe eine vollwertige 6-DOF-Realisierung einer mobilen Quanten-IMU erreicht werden. Im Vorhaben wurden zahlreiche Komponenten eines QINS aufgebaut und getestet, so z.B. ein eigens für die Hybridisierung entwickeltes Sensorsystem eines optomechanischen Resonators. Weiterhin wurden in der Atomchip- Entwicklung, Integration und Vakuumtechnik wesentliche Fortschritte erzielt. Der Metall -3D -Druck von Vakuumkammern und ein neuer UHV- Bonder eröffnen zusätzliche Miniaturisierungspotenziale. Die Integration in übergeordnete und komplexe Multisensor- Navigationssysteme wurde mittels Monte -Carlo- Studien untersucht und die Leistungsfähigkeit bewertet. Die Ergebnisse zur optimalen Parametrisierung klassischer Sensorik und von Atominterferometern verbessern das experimentelle Design von QINS, erlauben aussagekräftigere Simulationen und eine gezieltere Systementwicklung. Insgesamt ebnet das Vorhaben den Weg zu robusten, hochpräzisen und resilienten Navigationslösungen für terrestrische und weltraumbasierte Anwendungen.