AeroQGrav (Absolute Aero Quantengravimetrie)

Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensor (LDG) für Messung der vertikalen Bewegungen des Flugzeugs relativ zum Boden

Nummer FKZ 13N16519.

Kurzbeschreibung für AeroQGrav

Das Forschungsvorhaben AeroQGrav zielt darauf ab, die Technologien der Fluggravimetrie zu verbessern, um eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung bei der Messung der Schwerebeschleunigung zu erreichen. Dies soll durch die Entwicklung eines neuen Quantenfluggravimeters (AeroQGrav) erreicht werden, welches an die Bedürfnisse der Fluggravimetrie angepasst ist.

Bei der Gravimetrie auf bewegten Plattformen wird die Gravitationsbeschleunigung als Differenz zwischen einer Beschleunigungsmessung durch ein Gravimeter (Inertialsensor) und der zu messenden kinematischen Beschleunigung während der Bewegung gegenüber dem inertialen Raum definiert. Dank der fortwährenden Bewegung während der Gravitationsmessung können mit dieser Methode sehr effizient großflächige Schwerefeldmessungen durchgeführt werden. Solche Messungen liefern zentrale Informationen, z.B. zur Identifikation unterirdischer Dichteanomalien, für die Suche nach Rohstofflagerstätten, zur Bestimmung der Meeresströmungen oder zur Definition der Referenzflächen für Höhenbezugssysteme.

Im Rahmen des Projekts AeroQGrav soll ein Quantengravimeter in einem Flugzeug eingesetzt werden. Hierbei wird an der Verbesserung bei der Gravitationsmessung während des Fluges  durch das Gravimeter sowie an der parallelen Bestimmung der kinematischen Beschleunigung geforscht. Zur Erreichung dieser Ziele soll etwa die Technologie der Quantengravimetrie an die Bedürfnisse der Fluggravimetrie angepasst werden, z. B. durch eine Lagerung des Sensorkopfs auf einer inertial lagestabilisierten Plattform. Aber auch die Rekonstruktion der der kinematischen Beschleunigung des Flugzeugs soll durch GNSS, gestützt durch einen neuartigen Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensor sowie einem terrestrischen Laserscanner, verbessert werden. Letztlich ist eine präzise Datenfusion der unterschiedlichen im Flug eingesetzten Sensorsysteme nötig, um die hohe Genauigkeit des Quantengravimeters umfänglich nutzen zu können.

Aufgabe von das IEI

Daher soll die Bewegung des Flugzeugs in Bezug zur Erdoberfläche mit einem hochpräzisen Verfahren gemessen werden. Hierfür wird ein neuartiger Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensor (LDG) erforscht und entwickelt werden, der hochgenau die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Messobjekt, in diesem Fall die Erdoberfläche, messen kann.

Um exakte Daten über die Erdbeschleunigung zu erhalten, ist es notwendig die kinematische Beschleunigung des Flugzeugs in Richtung der vertikalen Achse zu kompensieren. Ohne Kenntnis der vertikalen Geschwindigkeit des Flugzeugs gibt es eine erheblichen Quereinfluss durch die vertikale Bewegung des Flugzeugs. Somit muss dieser Quereinfluss für eine hohe Genauigkeit kompensiert werden.

Im Teilvorhaben der Arbeitsgruppe Messtechnik, soll die vertikale Beschleunigung des Flugzeuges zum Boden mit dem speziell zu erforschenden Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensor (LDG) mit einer Auflösung in der Größenordnung von 1 µm/s² über eine Mittelungszeit von fünf Sekunden erfasst werden. Die Geschwindigkeitsdaten werden mit einer Datenrate von 1 MSamples/s erfasst, wobei die Einzelmessungen ein entsprechend höheres Rauschen haben. Die hohe Genauigkeit ergibt sich aus der kurzen Einzelmessung mit minimalen Quereinflüssen und der dann möglichen Mittelung über einen längeren Zeitraum bzw. Tiefpassfilterung des schrotrauschbegrenzten Geschwindigkeitssignals des LDGs.

In diesem Teilprojekt sollen somit die Methoden und Verfahren zur technischen Umsetzung eines LDGs erforscht werden.

AeroQGrav ist ein Verbundforschungsvorhaben von iMAR Navigation, Geo++, der TU Braunschweig, der Leibniz Universität Hannover, der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, der TU Clausthal und dem DLR, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), FKZ 13N16519.

Links:

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/leuchtturmprojekte-der-quantenbasierten-messtechnik/aeroqgrav.html