Pulsarsignale noch genauer erfassen

Nach den Sternen zu navigieren, stammt aus prähistorischen Zeiten, in denen die Seeleute mit ihrer Hilfe den Weg auf den Meeren finden mussten. Obgleich diese Fertigkeit zum Großteil durch den Einsatz von GPS ersetzt wurde, könnten die Sterne in Form der sogenannten Pulsarnavigation schon bald zu neuen Ehren kommen.

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Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die elektromagnetische Strahlung aussenden, welche auf der Erde in Form von regelmäßig wiederkehrenden Impulsen empfangen wird. Da sie sehr stabile Signale aussenden, können Pulsare als eine Art Leuchttürme im Weltraum dienen. Aber könnten Pulsarsignale tatsächlich eines Tages, beispielsweise in der Flugverkehrskontrolle, komplett die GPS-Satelliten ersetzen? Um diese Möglichkeit näher zu untersuchen, riefen die Forscher das Projekt PULSARPLANE(öffnet in neuem Fenster) (PulsarPlane: Worldwide air transport operations) ins Leben. Auch wenn Pulsare zur Navigation taugen, sind sie manchmal recht schwierig zu erfassen. Die im Rahmen des Projekts erzielten Fortschritte im Antennendesign, bei Radiofrequenzschaltungen (RF) und in der Signalverarbeitung ebnen nun den Weg zu einer schnelleren und genaueren Erfassung von Pulsarsignalen. Das erste Problem, das gelöst werden muss, ist die äußerst geringe Signalstärke. Die Forscher schlugen die Verwendung von großen Antennenarrays in Flugzeugtragflächen vor, wodurch ein großer Teil des Himmels abgedeckt wäre. Planare Antennendesigns wirken sich nicht störend auf die Aerodynamik der Tragflächen aus. Die Differenz in der Ankunftszeit an jeder Antenne wird die Bestimmung der Signalrichtung ermöglichen. Schwache Signale erfordern kohärente Detektionsstrukturen mit präziser Zeitsynchronisation. Es wurden verschiedene Funkempfängerarchitekturen untersucht und nach ihrer Fähigkeit zur Reduzierung von Interferenz und zur Verstärkung des Signal-Rausch-Abstands beurteilt. Alle HF-Frontend-Lösungen erforderten komplexe Filter und topmoderne Analog-Digital-Wandler mit hoher Abtastrate und Auflösung. Man brauchte überdies HF-Verstärker mit erhöhter Empfindlichkeit, um nicht die schwachen Signale durch Rauschen zu verunreinigen. Berücksichtigt man, dass die Pulsarpositionen nicht genau bekannt sind, und dass sie sich mit großen Geschwindigkeiten in Bezug auf die Erde bewegen, ist ein fünftes Pulsarsignal erforderlich, um die Impulsübertragungszeit zu bestimmen. Um die Relativbewegung zwischen Erde und Pulsaren in den Griff zu bekommen, muss ein Kalender zusammengestellt werden, der eine detaillierte Liste von Pulsaren mit den Ankunftszeiten an festen Standorten beinhaltet. Die Forscher untersuchten außerdem sorgfältig zwei Signalverarbeitungsverfahren zur Extraktion von Pulsarinformationen: Epochenfaltung und angepasste Filterung. Möglicherweise werden in der Zukunft Pulsarsignale die GPS-Signale vollständig ersetzen können - heute aber ist ein weltweites Ortungssystem über Satelliten, auch in Anbetracht des technischen Fortschritts, noch weitaus genauer. Leider sind zur Erfassung schwacher Signale besonders große Antennen unabdingbar und diese sind daher nicht geeignet, in Flugzeugen und schon gar nicht in Handgeräten Einsatz zu finden.