Entwicklung des akustischen Lokalisierungssystems der Enceladus-Explorer-Einschmelzsonde für die minimal-invasive Entnahme einer subglazialen Flüssigkeitsprobe am antarktischen Taylor-Gletscher

Heinen, Dirk; Pooth, Oliver; Wiebusch, Christopher

doi:37639

Entwicklung des akustischen Lokalisierungssystems der Enceladus-Explorer-Einschmelzsonde für die minimal-invasive Entnahme einer subglazialen Flüssigkeitsprobe am antarktischen Taylor-Gletscher = Development of an acoustic positioning system for the minimally invasive exploration of a sub glacial water reservoir at the Taylor Glacier within the Enceladus Explorer (EnEx) project

Heinen, Dirk^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Dirk Heinen

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (v, 147 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Pooth, Oliver (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229179
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/748132/files/748132.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Akustische Navigation (frei) ; EnEx (frei) ; Enceladus (frei) ; Gletscher (frei) ; Lokalisierung (frei) ; Schmelzsond (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Existenz von außerirdischem Leben wird heutzutage als wahrscheinlich erachtet. Dieses Leben zu finden, und es nachzuweisen bleibt jedoch eine enorme Herausforderung. Mögliche Orte, dieses Leben zu finden, sind bereits im Sonnensystem vorhanden. Besonders interessant sind die Eismonde des Saturn und Jupiters, die im Inneren einen flüssigen Ozean beherbergen. Einer dieser Eismonde ist der Saturnmond Enceladus. In seinem Ozean, geschützt durch einen kilometerdicken Eismantel, könnte Leben existieren. Um den flüssigen Ozean im Inneren zu erreichen, muss zunächst der Eismantel durchdrungen werden. Dies könnte durch eine Schmelzsonde erreicht werden. Eine solche Schmelzsonde, die autonom bis zum Ozean navigieren kann, ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Im Rahmen der Enceladus Explorer Initiative (EnEx) des DLR Raumfahrtmanagements werden die notwendigen Navigationstechnologien und Navigationssysteme für eine solche Sonde, die EnEx-Sonde, erforscht. Verschiedene Navigationsverfahren werden in die EnEx-Sonde integriert und in geeigneten terrestrischen Umgebungen validiert und demonstriert. Im Einsatz der Sonde werden die Daten aller Navigationssystemen fusioniert und so die aktuelle Lage und Position mit optimaler Genauigkeit bestimmt. Essentiell für die autonome Navigation der EnEx-Sonde ist das Wissen der eigenen, aktuellen Position. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein akustisches Lokalisierungssystem, das APS, konzipiert und gebaut. Der Fokus dieser Arbeit lag auf dem Konzept des Gesamtsystems, der Entwicklung und Integration der APS-Sensoren und der Durchführung der Einsätze der EnEx-Sonde mit dem APS in Gletschereis. Das APS nutzt sechs akustische Signalgeber an der Gletscheroberfläche. In der Schmelzsonde befinden sich akustische Sensoren. Synchron zur Signalgenerierung wird die Datenerfassung gestartet. Eine Signalverarbeitung extrahiert die Laufzeiten aus den aufgezeichneten Wellenformen. Auf Basis der Signallaufzeiten, den Positionen der Signalgeber und der Schallgeschwindigkeit des Eises kann die aktuelle Position der Sonde über Trilateration rekonstruiert werden. In mehreren Testkampagnen in Wasser und in Gletschereis wurde das APS validiert. Die Ergebnisse wurden genutzt um das System weiterzuentwickeln. Final wurde das APS als eines der Navigationssysteme der EnEx-Sonde genutzt, um minimal invasiv eine Flüssigkeitsprobe aus einer flüssigkeitsführenden Spalte an den Blood Falls, am antarktischen Taylor-Gletscher, zu entnehmen.

Finding extraterrestrial life or proving its existence are enormous challenges. Candidate places to find this life are already found within the solar system. Of particular interest are the icy moons of Saturn and Jupiter, which contain a liquid ocean inside. One of these ice moons is Saturn’s moon Enceladus. Life could exist in its ocean, protected by a kilometer-thick ice shell. The ice shell would need to be penetrated to reach the liquid ocean inside. This could be achieved by a melting probe that autonomously navigates to the ocean. The knowledge of its current position is essential for the autonomous navigation of the EnEx probe. Within the framework of the Enceladus Explorer Initiative (EnEx) of the DLR Space Administration, the necessary navigation technologies and navigation systems for such a probe, named the EnEx probe, are being developed. Various systems based on different navigation methods are integrated into the EnEx probe and demonstrated in suitable terrestrial environments. The data of all navigation systems are fused to determine the current position and orientation with an optimal accuracy. Within this work, an acoustic positioning system, the APS, was designed and built. The main objectives of this thesis were the concept of the overall system and the development and integration of the APS sensors and to test the APS in glacier ice. The APS uses six acoustic emitters on the glacier surface. Four acoustic sensors are located in the melting probe. The data acquisition is started synchronously with the signal generation. The signal processing extracts the propagation times from the recorded acoustic signals. The current position of the probe can be reconstructed by trilateration, based on the signal propagation times, the positions of the emitters and the speed of sound of the ice. The APS was validated in several test campaigns in water and glacier ice. These test campaigns enabled further developments of the system. Finally, the APS was used as one of the navigation systems of the EnEx probe at the Blood Falls at the Taylor Glacier in Antarctica. In this demonstration the EnEx probe encountered a fluid-filled subglacial reservoir and minimally invasively retrieved a fluid sample.

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