Miniaturisierte Atomuhren in Flugzeugen

Projekt: Miniaturisierte Atomuhren in Flugzeugen

Forschende: Ankit Jain, Thomas Krawinkel und Steffen Schön

Projektidee: Evaluierung der Auswirkungen von hoch dynamischen Flugmanövern auf miniaturisierte Atomuhren

In den meisten Fällen werden Flugzeuge mit Hilfe der Global Navigation Satellite Systems (GNSS)-Technologie und anderen Systemen navigiert. Um diese Systeme noch genauer und präziser zu machen, gibt es auf dem Markt verschiedene miniaturisierte Atomuhren (MACs), die mit GNSS-Empfängern gekoppelt werden und die empfängerinternen Oszillatoren ersetzen. Diese MACs dienen als Referenzoszillator, der das Frequenz-/Taktsignal im gesamten integrierten Navigationssystem bereitstellt. Das funktioniert grundsätzlich sehr gut, doch besonders dynamische Manöver wie der Start, Schräglagen oder die Landung beeinflussen die MACs. Das haben wir uns in diesem Projekt genauer angeschaut.

Zunächst haben wir ein Flugzeug mit mehreren geodätischen GNSS-Empfängern und verschiedenen damit verbundenen externen Atomuhren ausgestattet, nämlich einer Microsemi MAC SA.35m, einer Spectratime LCR-900 und einer Stanford Research Systems (SRS) SC10. Ein weiterer Empfänger nutzte seinen internen low quality Quarzoszillator (TCXO), Während des Experiments flog das Flugzeug verschiedene Manöver mit unterschiedlich starken Dynamiken.

Während der leichten Kurven ergeben sich relativ geringe Neigungswinkel (bis zu ± 20°) im Vergleich zu den Steilkurven, in denen sich das Flugzeug bis zu einem Winkel von maximal ± 60° neigt. Die maximalen Beschleunigungen liegen dabei im Bereich von etwa 2g.

Bei der Auswertung der Daten (siehe „Für Experten“) haben wir festgestellt, dass große Beschleunigungen und Schräglagen signifikante Frequenzverschiebungen in beiden Quarzoszillatoren verursachen. Das schränkt ihre Verwendung in Anwendungen mit hohen Manövern ein. Im Gegensatz dazu sind die Atomuhren (MAC SA.35m und LCR-900) weniger beschleunigungsempfindlich und ermöglichen auch bei solchen Flugmanövern eine präzise Navigation.

Für Experten: Die Datenauswertung

Die Daten des Abschnittes F-G, werden mit der Methode der kleinsten Quadrate verarbeitet und somit die Frequenzoffsets der Uhren berechnet. Der lineare Trend wird aus den ausgewerteten Frequenzoffsets entfernt und in Abbildung 2 dargestellt. Für SRS SC10 und TCXO ist eine signifikante Drift sichtbar, während für den MAC SA.35m und LCR-900 die Drift über das gesamte Segment, das sich über etwa 12 Minuten erstreckt, nahezu vernachlässigbar ist. Gegen Ende des Segments F-G, in dem enge Kurven geflogen werden, zeigt der MAC SA.35m im Allgemeinen keine Abhängigkeit von der Gesamtbeschleunigung, während das Verhalten des LCR-900 eine leichte Abhängigkeit zeigt. Bei den anderen beiden Quarzoszillatoren, d.h. SRS SC-10 und TCXO, ist die Abhängigkeit von der Beschleunigung recht groß und deutlich. Eine interessante Beobachtung ist außerdem die entgegengesetzte Richtungsempfindlichkeit der verschiedenen Quarzoszillatoren; sie wurde möglicherweise durch die physikalische Ausrichtung dieser Uhren im Flugzeug verursacht.