Hochempfindlicher APD-Detektor zur Positionsbestimmung in der Satellitenverfolgung

Abstract

Um Satelliten und Weltraumschrott im Erdorbit, aber auch Sterne beobachten zu können, ist eine präzise Positionsbestimmung dieser erforderlich. Vor allem für die optische Kommunikation ist eine präzise Nachführung des Teleskopsystems notwendig, um den Datenstrom kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Hierfür werden oft Positionssensoren wie Kameras oder Q-PDs verwendet, um Abweichungen in Echtzeit zu erfassen. Ein Problem ist dabei, dass sich verschiedene Objekte in ihrer abgestrahlten Lichtintensität deutlich unterscheiden und zusätzlich, durch die Änderung der Übertragungsdistanz, variierende Signalstärken am Sensor auftreffen. Dies führt zu unterschiedlichem SNR, was die Nachführgenauigkeit negativ beeinflusst. Es ist also ein ausreichend schneller Sensor erforderlich, um die Position von unterschiedlich lichtschwachen Objekten präzise bestimmen zu können. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Machbarkeit eines Detektors auf Basis einer Avalanche Q-PD, da diese es erlaubt, durch gezieltes Anpassen der Vorspannung Intensitätsschwankungen auszugleichen. Dazu wird die Vorspannung auf Basis der Summenspannung der Q-APD über einen Regler angepasst, so dass diese im Mittel konstant bleibt. Die Positionssignale können dann einem, nachgelagerten Regler zur Verfügung gestellt werden, um einem Objekt zu folgen. Das Verhalten der Q-APD inklusive Schaltung wird bei unterschiedlichen Temperaturen und Vorspannungen analysiert, um die Eignung dieses Aufbaus als Positionsdetektor festzustellen. Diese Arbeit zeigt, dass es mit dem vorgeschlagenen Detektor möglich ist, reproduzierbare Aussagen über die Position eines Objektes zu treffen. Als Referenz für die Evaluierung im Labor werden die Eigenschaften eines Satelliten gewählt, der sich in 30 s vom Horizont zum Zenit bewegt, was eine Bandbreite von 300 mHz erfordert. Die erwartete Lichtleistung am Sensor bewegt sich im Bereich von 10 nW. Es werden eine Positionsunsicherheit von 5 μrad erreicht und gleichzeitig die mittleren Intensitätsvariationen bis zu einer Bandbreite von 400 mHz um einen Faktor 10 von einem RMS-Fehler in der Höhe von 25 % auf unter 2 % reduziert.

For observation of satellites and space debris in Earth orbit but also stars, a precise knowledge of their position is necessary. Especially with regard to optical satellite communication, accurate and real-time tracking of the receiving and sending telescope is required to maintain the data-stream. Position sensors such as cameras or quad-photodiodes (QPDs) are typically used to determine the deviations in real-time and enable their compensation. One of the challenges is the variation of the mean received intensity due to different satellite terminals and object types, as well as due to the changing distance between ground station and object. This causes varying signal-to noise ratios (SNR), which negatively affect the tracking performance of the telescope system. Therefore, a real-time position sensor, which is insensitive to intensity variations but operable at very low light levels, is required.This thesis deals with the development and analysis of a Quad-APD based position sensor since the gain of this component can be modified by applying different reverse bias voltages. Therewith, it is possible to compensate varying intensities and to obtain a constant sum output voltage. A feedback controller is implemented, which tracks the mean sum output voltage and adjusts the bias voltage accordingly. The position output signals may be used by a feedback controller, in order to track the object of interest precisely. To determine the suitability of a Quad-APD as a position detector, the behavior at different reverse biases and temperatures is investigated. The developed detector module is evaluated in a laboratory environment. The requirements used as a reference for the measurements are derived from a satellite which moves within 30 s from horizon to zenith resulting in a bandwidth of 300 mHz. The intensity arriving at the detector is located in the range of 10 nW. For this case a position uncertainty of 5 μrad is determined and intensity variations with a bandwidth of 400 mHz are reduced from an RMS-error of 25 % to 2 %.