QGyro : Schlussbericht zum Verbundvorhaben Quanten-Inertialsensorsystem (QGyro)

Abstract

Das Verbundvorhaben QGyro (Quanten-Inertialsensorsystem) ist ein Teil der High-Tech-Strategie der Bundesregierung und erhält Finanzierung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Unterstützung der Raumfahrtagentur am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR e.V. (Förderkennzeichen 50RK1957). Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden mithilfe der Quantentechnologie innovative Konzepte für die Navigation von Plattformen entwickelt.

Das Hauptziel des Projekts ist die Untersuchung von Hybridansätzen zur Inertialsensorik, bei der Quantensensoren mit klassischen inertialen Messeinheiten miteinander kombiniert werden um Fehler in der Positionsbestimmung zu reduzieren. Ein Hauptaugenmerk lag auf der Entwicklung neuartiger Quantensensoren. Ein erster Ansatz war die Schaffung eines einachsigen, quantenbasierten Inertialsensors als Proof-of-Concept. Dies beinhaltet den Sensorkopf, aber auch die Perepherie, wie Lasersysteme und Elektronik. Darüber hinaus wurden Entwicklungen in Richtung von sechsachsigen quantenbasierten Intertialsensoren angestoßen und Realisierungskonzepte erarbeitet.

Ein besonderer Fokus lag auf der Stabilisierung und aktiven Ausrichtung des entwickelten Messkopfes, was durch Simulationen und experimentelle Tests nachgewiesen werden konnte. Dies beinhaltete die Entwicklung eines Teststandes, die Erarbeitung eines Atom-StrapDown-Algorithmus zur Kombination von Quanten-Inertialsensoren und klassischer Inertialsensorik sowie die Umsetzung einer stabilisierten Plattform für den Sensorkopf.

Die erfolgreiche Umsetzung wurde in enger Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen an der Leibniz Universität Hannover (Institut für Erdmessung, Institut für Quantenoptik) sowie etablierten Unternehmen wie der iMAR GmbH erreicht. Das Projekt QGyro trägt dazu bei, die High-Tech-Strategie der Bundesregierung im Bereich der Quantentechnologie und Navigation voranzutreiben.

The collaborative project QGyro (quantum inertial sensor system) is part of the German Federal Government’s High-Tech Strategy and receives funding from the German Federal Ministry of Economics and Climate Protection (BMWK) with support from the Space Agency at the German Aerospace Center DLR e.V. (funding code 50 RK 1957). This research project used quantum technology to develop innovative concepts for the navigation of kinematic platforms.

The main goal of the project is to investigate hybrid approaches for inertial sensors, combining quantum technology with classical inertial measurement devices in order to reduce errors in positioning. A primary focus has been the development of novel quantum sensors. A first approach considered the creation of a single-axis, quantum-based inertial sensor as a proof-of-concept. This includes the sensor head, and also the peripherals, such as laser systems and electronics. Furthermore, developments towards a six-axis quantum-based inertial sensor were initiated and realization concepts were elaborated.

Further focus was on the stabilization and active alignment of the developed sensing head. For this purpose, a stabilized platform was designed and built that can compensate linear accelerations during the measurement time of the quantum sensor.

A so-called Atom Strapdown algorithm was designed and implemented for inertial navigation for the combination of quantum inertial sensors and classical inertial sensors. This algorithm has been tested, optimized and validated in extensive simulation studies. Moreover, a successful application of the algorithm to real data was achieved by emulating the CAI observations with a navigation-grade IMU during the generation of the hybrid scenario. Algorithms for determining the uncertainties of the atomic interferometer were further developed and validated on prototype measurement series.

Successful implementation was achieved in close collaboration with research institutions at Leibniz Universität Hannover (Institute of Geodesy, Institute of Quantum Optics) as well as established companies such as iMAR GmbH. The QGyro project contributes to advancing the German government’s high-tech strategy in the field of quantum technology and navigation.