A05 - Interferometrische Glasfaserverbindungen

Um das chronometrische Nivellement als Routinewerkzeug für die Geodäsie zu etablieren, sind Forschung und Entwicklungen für hochpräzise Frequenzübertragung in den Bereichen Interferometrische Glasfaserverbindungen (Interferometric Fibre Links, IFLs) und Globales Navigationssatellitensystem - Frequenztransfer (GNSS-FT) erforderlich. Die Entwicklung von feldtauglichen IFLs-Geräten, ultrapräziser GNSS-FT und deren Einsatz für chronometrische Nivellements sind neue Forschungs- und Entwicklungsgebiete, die viele Anwendungen von geodätischem Interesse eröffnen werden. Unser Ziel ist es, eine chronometrische Nivellement-Kampagne zwischen Insel und Festland unter Verwendung von IFL und GNSS-FT sowie der in Teilprojekt A04 entwickelten transportablen optischen Uhr zu realisieren.

Damit würde das chronometrische Nivellement in einer sehr anspruchsvollen Umgebung demonstriert und wertvolle Daten zu Höhenunterschieden liefern. Die Implementierung einer stabilisierten IFL im Feld, insbesondere über submarine optische Fasern, stellt bereits einen großen Fortschritt für die optische Frequenzübertragung dar. Gemeinsam mit Teilprojekt A04 werden wir die erste internationale chronometrische Nivellierkampagne durchführen, die das europäische Höhensystem auf der Zentimeter-Ebene verifiziert.

Da die Unsicherheit optischer Uhren mit der Messzeit τ im Mittel mit 1/√τ abnimmt, verglichen mit 1 /τ für die IFLs selbst, kann die Erhebung von Vergleichsdaten über mehrere Wochen nötig sein, um die Zentimeter-Auflösung zu erreichen. Die bestehenden Langstrecken-Frequenzübertragungssysteme der Physikalischen Bundesanstalt werden angepasst, um eine solch lange Kampagne zu unterstützen. Die erreichbare Stabilität und die benötigten Mittelungszeiten für GNSS-FT sind noch durch unmodellierte Beobachtungsfehler begrenzt, so dass das volle Potenzial nicht ausgeschöpft werden kann. Wir werden verbesserte GPS und Galileo-Analysealgorithmen für FT entwickeln und implementieren, um die aktuellen Probleme zu überwinden (z.B. Antennen- und Mehrwegeprobleme, troposphärische Refraktion). Der erfolgreiche Abschluss von A05 wird wesentlich dazu beitragen, die jeweiligen Fehlerbeiträge zu verstehen und zu korrigieren und neue Möglichkeit zu nutzen, diese dank IFLs als Bodendaten für GNSS-FT zu charakterisieren.

© T. Waterholter
In diesem Projekt übertragen wir die herausragende Leistung von laborbasierten interferometrischen Glasfaserverbindungen (IFL) auf Feld-IFLs, die Frequenzübertragungen und chronometrische Nivellements-Experimente zwischen zwei beliebig entfernten Standorten ermöglichen werden. Darüber hinaus werden wir unter Verwendung von IFLs als Bodendaten die derzeit begrenzenden systematischen Fehler des GNSS charakterisieren und korrigieren.

Ziele von A05 - Interferometrische Glasfaserverbindungen

  1. Die herausragende Leistung von laborbasierten IFLs auf Feld-IFLs zu übertragen, die zwei beliebig entfernte Standorte verbinden,
  2. Das chronometrische Nivellement anwenden, um ein Höhennetz im internationalen Maßstab zu verifizieren (oder zu korrigieren),
  3. Die derzeit begrenzenden systematischen Fehler zu charakterisieren und zu korrigieren und GNSS-FT auf das Niveau von 5 x10-17 Unsicherheiten zu bringen

Beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

Projektleitung

Prof. Dr.-Ing. Steffen Schön
Prof. Dr.-Ing. Steffen Schön
Dr. Gesine Grosche
Dr. Gesine Grosche

Wissenschaftlicher Nachwuchs

Ahmed Elmaghraby
Ahmed Elmaghraby
Dr. Alexander Kuhl
Dr. Alexander Kuhl

Publikationen

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Grotti J, Nosske I, Koller SB, Herbers S, Denker H, Timmen L et al. Long-distance chronometric leveling with a portable optical clock. Physical review applied. 2024 Jun 3;21(6):L061001. doi: 10.1103/PhysRevApplied.21.L061001
Elmaghraby A, Krawinkel T, Schön S, Piester D, Bauch A. On Error Modeling in GNSS-based Frequency Transfer: Effects of Temperature Variations and Satellite Orbit Repeat Times. in Proceedings of the 54th Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting: January 23 - 26, 2023 Hyatt Regency Long Beach Long Beach, California . 2023. S. 23-37. (Proceedings of the Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting, PTTI). doi: 10.33012/2023.18699
Jürss T, Grosche G, Koke S. Free-space interferometer design for optical frequency dissemination and out-of-loop characterization below the 10−21-level. Photonics research. 2023 Jun;11(6):1113-1124. Epub 2023 Apr 21. doi: 10.1364/prj.485899
Kermarrec G, Schön S. Common-clock GPS single differences: An improved correlation model for GPS phase observations based on turbulence theory. Advances in space research. 2023 Aug 15;72(4):1081-1093. Epub 2023 Jun 1. doi: 10.1016/j.asr.2023.05.042
Krawinkel T, Elmaghraby A, Schön S. Exploring the Technical Limits of GNSS-based Frequency Transfer. in Proceedings of the 53rd Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting. 2022. S. 188-198 doi: 10.33012/2022.18288
Schioppo M, Kronjäger J, Silva A, Ilieva R, Paterson JW, Baynham CFA et al. Comparing ultrastable lasers at 7 × 10−17 fractional frequency instability through a 2220 km optical fibre network. Nature Communications. 2022 Jan 11;13(1):212. doi: 10.1038/s41467-021-27884-3
Koke S, Benkler E, Kuhl A, Grosche G. Validating frequency transfer via interferometric fiber links for optical clock comparisons. New journal of physics. 2021 Sep 20;23(9):093024. doi: 10.1088/1367-2630/ac21a0
Krawinkel T, Schön S, Bauch A. Recent and Future Activities at Leibniz University Hannover in GNSS Frequency Transfer. in 2021 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS). IEEE. 2021. (Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium). doi: 10.1109/EFTF/IFCS52194.2021.9604309