Das globale Satellitennavigationssystem Galileo ermöglicht bereits eine hohe Positionsgenauigkeit und genaue Zeitinformationen. Die derzeit 22 aktiven Satelliten der europäischen GPS-Alternative übertragen ständig Daten, damit Nutzer ihren Standort bestimmen können. Das soll in Zukunft noch besser funktionieren: Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten im Projekt Compasso mit Wirtschaftspartnern an hochpräzisen Joduhren für terrestrische Satelliten und einer neuen Generation weltraumtauglicher Lasermesssysteme.
Auf die Nanosekunde genaue Atomuhren arbeiten derzeit im Galileo-System. Eine Milliarde davon dauert eine Sekunde. Die am DLR-Institut für Quantentechnologien derzeit entwickelten Jod-Laseruhren seien „vielfach“ genauer als andere Systeme, erklärt Felix Huber vom Galileo-Kompetenzzentrum in Oberpfaffenhofen. Die Entwicklungsphase der Anlage zum Betrieb des MVO soll in Kürze, nach etwa zwei Jahren, abgeschlossen sein. Sie leitet die Kompass-Initiative, das ursprünglich kompakte, hochstabile laseroptische Uhren auf der Internationalen Raumstation (ISS) testen sollte.
„In der Welt der Kleinen“
Die Jod-Laseruhren werden derzeit für den Einsatz im Weltraum qualifiziert: Hier sind die beteiligten Wissenschaftler besonders gefordert, denn die besonderen Zeitmesser müssen besonders klein, robust und langlebig sein. Die Grundlagen der Laseruhren bilden die Prinzipien der Quantenmechanik. Es geht also um physikalische Vorgänge auf atomarer Ebene und damit „in der Welt der Kleinsten“, wie das DLR schreibt.
Die Galileo-Satelliten senden in der Regel ununterbrochen Daten über ihre Zeit an Bord und ihre Karriere. Der Empfänger berechnet die Entfernung zu den Gefährten im Weltraum, indem er ermittelt, wie lange das Signal zurückgelegt hat. Die Position wird von drei Satelliten gleichzeitig bestimmt. Eine vierte wird auch benötigt, damit die Empfängeruhr mit den Satellitenuhren synchronisiert wird. Letztere wiederum müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein. Diese Genauigkeit ist nicht nur für den Verkehr wichtig, sondern auch für Finanztransaktionen, Energieversorgung und Landwirtschaft.
Autonomes Fahren
„Eine Ungenauigkeit von einer Nanosekunde bei der Zeitmessung würde beispielsweise einem Fehler von 30 Zentimetern bei der Distanzmessung entsprechen“, erklärt Huber. Das scheint nicht viel zu sein, denn die Satelliten kreisen in rund 23.000 Kilometern Höhe um die Erde. Doch das sei, so der Professor, gerade bei der Navigation fahrender Autos unerträglich: „Die Atomuhren in den Satelliten müssen so genau zusammenpassen, dass sie in Echtzeit eine Positionsgenauigkeit von wenigen Sekunden Zentimeter erlauben.“
Für Compasso hat das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation außerdem gemeinsam mit den beteiligten Unternehmen Menlo und Tesat ein Laserterminal entwickelt, das die Daten überträgt, die Satellitenuhren synchronisiert und Entfernungen hochpräzise bestimmt. Neben anderen Instrumenten, die Experimente im Weltraum unterstützen, gibt es einen Frequenzkamm. Es überträgt die optischen Signale im Frequenzbereich der Satellitennavigation. Das DLR-Institut für Softwaretechnik hat eine Steuerungssoftware für den Testrechner programmiert. Der DLR-Raumfahrtbetrieb unterstützt und betreut die Vorbereitung und Durchführung des Gesamtprojekts.
„Die perfekte Zeiteinteilung“
Das Galileo Competence Center untersucht, wie zukunftsrelevante Systeme gestaltet werden sollten, um den maximalen Nutzen aus dem Projekt zu ziehen Robuste, genaue Zeitmessung (RPTF). Anders als bei Compasso werden nach Angaben des DLR die für den Betrieb von Galileo notwendigen Bodensysteme weiterentwickelt. Es geht um Hard- und Software „für die perfekte Zeiteinteilung“ im Navigationssystem. Die Messgeräte auf der Erde könnten nach Bedarf erweitert werden. Sie agierten als „Team“ und lieferten auch dann noch perfekte Zeiten, „wenn einige ausfallen oder ersetzt werden sollten“.
„Die Referenzzeit am Boden muss für die Satelliten immer verlässlich bleiben“, betont Huber. Der Nebeneffekt von RPTF ist, dass es diesen Teil der Messung so stabil machen kann, dass er in anderen Systemen zur Wartung und Fehlersuche verwendet werden kann. 2019 machte Galileo Schlagzeilen mit einem wochenlangen Ausfall mehrerer Funktionen. Dazu hätten eine Reihe ungünstiger Umstände, unter anderem ein Software-Update in Oberpfaffenhofen, geführt. Das zweite Kontrollzentrum befindet sich in Fucino, Italien. Das System befindet sich in der Regel noch im Testbetrieb.
(bm)
