Satellitlaser som sträcker sig

Lasersystem för geodetiska observatoriet Wettzell i Bayern
Satellitlaser som sträcker sig från satellitstationen Graz-Lustbühel i drift

Satellite Laser Ranging ( SLR ; tyska som: satellitlaseravstånd ) är en mycket exakt metod för Satellitengeodäsie , varvid avståndet mellan en markstation och en satellit mätsmed hjälp av laserpulsens transittid. Detta är en tvåvägsmätningsmetod.

Satellit laser allt används å ena sidan för att exakt bestämma den bana av geodetiska satelliter, och å andra sidan för att bestämma punkter i jordmätningar och geodynamik . Från detta kan förändringar i jordens kropp och jordens rotation härledas - tillsammans med andra metoder för högre geodesi .

Logisk grund

En kort laserpuls genereras i markstationens sändare och skickas till satelliten via ett optiskt system. Samtidigt startas en elektronisk tidsintervallräknare. Pulsen som reflekteras av satelliten registreras, förstärks, analyseras och matas till räknaren som en stopppuls genom att ta emot optik i mottagningsanordningen på markstationen.

Det registrerade tidsintervallet ger flygtiden Δt för laserpulsen och avståndet d via utbredningshastigheten med:

De väsentliga komponenterna i avståndsmätningssystemet på marken är följaktligen:

  1. Generator och sändare av laserimpulser inklusive optiskt system och fäste
  2. Returpulsdetektor och analysator inklusive mottagningssystem
  3. Tidsmätningsanordning för bestämning av körtiden

För att kontrollera och övervaka systemet och för att definiera observationsperioder krävs ytterligare delsystem ( datorer , atomur ).

Som rymdsegment krävs satelliter med lämpliga reflektorer.

historia

Utvecklingen av pulserade lasrar för spårning av satelliter började i USA redan 1961/62 som en del av American Explorer- programmet. 1964 utrustades den första satelliten med laserreflektorer (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Detta fördes in i en bana på en höjd av 1000 km och en lutning på 80 ° den 9 oktober 1964 . De första laseravståndsmätningarna gjordes 1965 med en noggrannhet på några meter. Explorer 27 (= BE-C) och de två GEOS- satelliterna Explorer 29 och Explorer 36 var också utrustade med laserreflektorer.

Det var bara GEOS-satelliterna som kunde användas för satellitgeodesi : å ena sidan kunde satellitbanorna bara räknas ut i förväg, å andra sidan var intervallräknarna för tidsmätningen ännu inte tillräckligt exakta och antalet reflekterad ljuskvanta var för låg för höga satelliter. Lägre banor innebär att satelliten rör sig för snabbt över himlen (det går bara några minuter) och att dess omlopp inte är tillräckligt stabil för en tillförlitlig efemer . Genombrottet kom med förbättrad kontroll- och laserteknik i kombination med en exakt definierad och programmerad grindtid för mottagarteleskopet.

Mycket snabba framsteg gjordes under de följande åren. Noggrannheten nådde ungefär en meter i mitten av 1970-talet, idag (2015) ligger den i millimeterintervallet, så att satellitformen redan spelar en viktig roll. Om laserekot är tillräckligt starkt mäter apparaten bara den första av de återkommande fotonerna. Under observationer på dagtid - som har varit möjliga sedan omkring 1995 - analyseras också ett större antal reflexer.

Laseravståndsmätningssystem för satelliter har utvecklats och installerats i många delar av världen. Ofta var detta intern utveckling i arbetsgrupper vid observatorier. 1986 användes cirka 50 högpresterande system runt om i världen.

Klassificering av lasersystemen

Den uppnåbara avståndsmätnoggrannheten är nära relaterad till laserpulsernas varaktighet och upplösning .

Följande gäller: 1 nanosekund (ns) = 15 cm

Det är vanligt att dela upp lasersystemen i grupper (generationer) beroende på koncept och prestanda, varigenom övergångarna är flytande.

  1. Generation: En pulslängd på 10 till 40 ns motsvarar en avståndsmätnoggrannhet på 1,5 till 6 m; mestadels rubinlasrar
  2. Generation: Förkorta pulslängden till 2–5 ns, motsvarande 30–120 cm
  3. Generation: En pulslängd i subnanosekundintervallet 0,1 till 0,2 ns, motsvarande 1,5–3 cm; ofta Nd: YAG-laser

Med ökningen av mätsystemens noggrannhet uppstår ytterligare användningsområden. Satellitbanor kan bestämmas mer exakt och bidrag till geodynamiska problem (t.ex. skorprörelser ) kan göras, särskilt med mätnoggrannheter på 1–3 cm .

Ljusblixtarna som släpps ut från marken har en kort effekt inom gigawatt . Därför måste observationsaktiviteten diskuteras exakt med flygkontroll . Dessutom finns det en automatisk avstängning om ett flygplan kommer nära strålen.

Lasermätningssystem och komponenter

Laseroscillatorer

Hjärtat i ett laseravståndsmätningssystem är själva laseroscillatorn.Det konstgjorda ordet LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) beskriver arrangemang för en sammanhängande förstärkning av elektromagnetiska svängningar i det (optiska) spektrala området genom stimulerad emission .

I satellitgeodesi, förutom koherens , i. H. det fasta fasförhållandet mellan de enskilda partiella strålarna, två ytterligare egenskaper hos laserstrålningen, nämligen den höga skärpan och den höga energitätheten . På detta sätt är det möjligt att transportera extremt korta pulser med hög energitäthet över stora avstånd.

I satellitgeodesi har två typer av lasrar funnit utbredd användning, rubinlasern och neodym-YAG (= yttrium-aluminium-granat) -laser . Systemen från första och andra generationen är nästan uteslutande utrustade med rubinlasrar, de av tredje generationen till stor del med Nd: YAG-lasrar.

Ytterligare systemkomponenter

(a) Montera

För att kunna mäta avståndet till variabla mål måste lasersändardelen ställas in så att den kan röra sig. Detta kan göras på ett fäste som är justerbart i azimut och höjd. Det är tillrådligt att installera mottagaren på samma fäste.

Med enheter från första generationen är det vanligt att fästa laseroscillatorn på fästet, lasrar från tredje generationen är mycket känsliga och måste installeras i en luftkonditionerad, dammfri miljö. När det gäller stationära lasrar används ett separat rum ( rent rum ) för detta. Laserpulserna riktas in i det sändande teleskopet via optiska ledare. Fästet måste vara i linje med det rörliga målet med tillräcklig noggrannhet så att laserpulsen träffar satelliten. Om noggrannhetskraven är lägre (första generationen) kan spårningen utföras manuellt med hjälp av en visuell kontroll. När det gäller lasrar av tredje generationen, som också fungerar dagtid, sker spårningen automatiskt på grundval av förberäknad satellit- efemeris .

(b) ljusmottagare

Laserpulsens energi per ytenhet minskar på väg till satelliten och tillbaka med avståndets kvadrat. Dessutom försvagas signalen av jordens atmosfär . Trots den mycket höga utgångsenergin och det starka fokuset är det därför mycket lite energi som returneras, så att en mycket kraftfull mottagningsanordning krävs för större satellitavstånd.

Den mottagande delen består av ett optiskt system och en elektronisk ljusmottagare. Såsom optiska system , reflektorelement teleskop eller teleskop komma i beaktande, som fokuserar de fotoner av den reflekterade laserpulsen på ljusmottagaren . På grund av det större bländarförhållandet föredras reflektorteleskop med stor bländare , speciellt eftersom det är viktigt att mäta svaga ljusstyrkor och inte geometrisk kvalitet. För att undvika störande ljus används ett filter med en smal bandbredd (Δλ ~ 1 nm) för laserljusets frekvensområde .

Eftersom elektronisk ljusdetektor är fotodetektorer med mycket kort stigtid som fotomultiplikatorrör (PMT), används mikrokanalplattor -Photomultiplikator (MCP-PMT) eller lavinfotodiod (APD). För att minska störande signaler aktiveras fotodetektorn endast under en kort, förberäknad tidsperiod på At från 1 till 10 mikrosekunder ( mikrosekunder ). Stigtiden bör inte överstiga 100 till 300 ps ( picosekunder ).

(c) pulsanalys

Signalen som skickas tillbaka är deformerad på grund av många störningar. Orsakerna inkluderar: atmosfäriska störningar, överlagring genom reflektion på flera reflektorer, relativ rörelse av sändare och reflektor. Noggrann pulsanalys krävs för att bestämma mitten av pulsen. Flera metoder är möjliga. Att fastställa tyngdpunkten genom att mäta området under signalkurvan har bevisat sig .

Om du arbetar på basis av enstaka fotoner (t.ex. Lunar Laser Ranging , LLR) krävs inte pulsanalys. Metoder måste sedan användas som gör det möjligt att känna igen och bearbeta enskilda fotoner.

(d) tidsbas

Elektroniska räknare med en upplösning på 10 ps är används för att mäta den tid transit . Räknarna styrs av atomfrekvensstandarder , som kännetecknas av hög kortsiktig och långsiktig stabilitet. Rubidium- och cesiumstandarder samt väte masrar komma i beaktande för en sådan tidbas . Atomfrekvensstandarderna definierar också stationstiden för inställning av epoken och måste sedan jämföras regelbundet med högre tidstjänster.

(e) processdator

Buller vid dagobservation av Jason 1- satelliten

En kraftfull processdator och omfattande systemprogramvara krävs för förberäkning av inställningsvärdena, spårning av montering, systemövervakning, kalibrering och kontroll av systemparametrarna samt för dataförberedelse och kontroll.

(f) flygplansdetektor

I tätbefolkade områden och nära flygplatser krävs ibland försiktighetsåtgärder för att förhindra att ett flygplan passerar genom laserstrålen. För detta ändamål kan ett optiskt system för flygplansplats installeras, vilket automatiskt stänger av laserdriften.

(g) Analys av porttid och buller

Moderna SLR-teleskop använder samma optik för att skicka och ta emot lasern. Växling sker med hjälp av gate-tiden , den korta tid efter vilken den reflekterade signalen kan förväntas tidigast. Det används också för att underlätta brusanalys.

Det senare är viktigt för dagobservationer , där tusen gånger fler fotoner kommer från dagsljus än från satellitekot. Bilden motsatt visar ett exempel på brusanalys, där programvaran för Wettzell- satellitstationen endast släpper igenom fotonerna från mottagningsbruset som avviker från porttiden med högst 5 nanosekunder.

Satelliter med laserreflektorer

LAGEOS (1975), den hittills viktigaste lasersatelliten. Vikt 411 kg med en diameter på endast 60 cm, spårhöjd 5000 km

Laseravståndsmätningar kan endast utföras till satelliter som är utrustade med lämpliga laserreflektorer . Reflektorernas uppgift är att reflektera tillbaka ljuset i samma riktning som det inträffar från. Sådana reflektorer kallas också retroreflektorer .

För att uppnå önskad mätnoggrannhet måste reflektorer utformas mycket noggrant för varje satellitform och banahöjd. Reflektorn måste vara tillräckligt stor för att reflektera tillräckligt med ljus. För detta ändamål kombineras vanligtvis flera enskilda reflektorer med en diameter på 2–4 cm i specifika arrangemang (arrays). Mycket höga krav ställs på korrekt ömsesidig tilldelning av de enskilda reflektorerna för att hålla pulsdeformationer på grund av signalöverlappning så låga som möjligt. Dessutom måste ljusbanan i reflektorn vara känd.

Eftersom retroreflektorer är passiva system som kan installeras relativt enkelt som ytterligare komponenter på satelliter, är ett stort antal rymdfarkoster nu utrustade med dem. De flesta satelliter som är utrustade på detta sätt handlar om att använda laseravståndsmätningar för att få exakt omloppsinformation för de faktiska satellituppdragen. Eftersom dessa satelliter uppfyller andra uppgifter kan dock inte reflektorerna arrangeras koncentriskt till masscentrum. Därför måste ett tydligt förhållande mellan lämplig reflektor och satellitcentrum upprättas.

Med så kallade lasersatelliter ligger uppgiften att sträcka laser i förgrunden. För att göra detta måste satellitbanan vara mycket stabil. Det är därför lasersatelliter är byggda med en kärna av massiv metall (ibland till och med särskilt tätt material som uran ) så att en fotbollsstorlek som Starlette väger nästan 50 kg. Som ett resultat drabbas den bara av mindre orbitstörningar från icke-gravitationskrafter (hög atmosfär, ljustryck, solvind osv.), Och banan kan bestämmas exakt - till exempel för satellit triangulering eller för beräkning av jordens gravitation .

Av de cirka 20 lasersatelliter som lanserats sedan 1970 är de viktigaste:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), ca 5.000 km hög polar bana , därför en livslängd på flera miljoner år, diameter 60 cm, massa 411 kg (se bilden ovan)
  • Starlette (Frankrike, 1975), spårhöjd för närvarande ca 900–1100 km, storlek ≈20 cm, 50 kg
  • LAGEOS 2 (Italien, 1992), identisk med de ursprungliga LAGEOS, som lanserades som en del av rymdfärjan missions STS-52
  • Stella (identisk med Starlette), lanserades 1993 med den europeiska Ariane- bärraketten
  • en bulgarisk satellit (omkring 1985) och två japanska lasersatelliter.

Globalt SLR-nätverk

International Laser Ranging Service (förkortat ILRS) grundades på 1990-talet för internationell samordning av lasermätningar med satelliter . ILRS organiserar och samordnar laseravståndsmätningar för att stödja globala geodetiska projekt och satellituppdrag. Han utvecklar också lämpliga standarder och strategier för mätning och analys för att säkerställa en hög, konsekvent kvalitet på data.

Mätningarna av SLR-stationerna, av vilka det finns några dussin över hela världen, kombineras beräkningsmässigt för att bilda exakta mätnätverk , från vilka koordinater och jordens rotation i millimeterområdet kan härledas. De grundläggande produkterna från ILRS inkluderar exakta efemerier (banor) för LASER-satelliterna, koordinaterna och platta-tektoniska förändringar i observatorierna, variationer i geocentret och jordens tyngdkraftsfält , liksom grundläggande konstanter för fysik, jordens måne och månbana .

Den så kallade Lunar Laser Ranging ( LLR ), dvs. avståndsmätningen från markstationer till månytan , används för att bestämma den senare . För detta ändamål används vissa laserreflektorer som placerades på månen under Apollo-uppdrag och de i Sovjetunionen . För varje stark laserpuls som emitteras tas endast individuella ljuskvantor emot under dessa mätningar över två gånger månavståndet (cirka 750 000 km) , så att metoden totalt sett är mycket komplex. Mätningarna visade att radie månens omloppsbana ökar med cirka 40 mm per år.

International Earth Rotation Service

Eftersom alla laserobservatorier roterar runt jordens axel på 23,9345 timmar med jordens rotation kan jordens rumsliga position bestämmas exakt utifrån mätningarna. En speciell avdelning för IERS (International Earth Rotation Service) används för detta ändamål.

Ovan nämnda ILRS- tjänst (ILRS: International Laser Ranging Service) ger IERS uppmätta SLR-data, som har reducerats till en enhetlig modell. Från detta beräknar det de tre viktigaste jordrotationsparametrarna (ERP) med korta intervaller , nämligen polära koordinater x, y (skärningspunkten för jordens (rotations) axel i Arktis) och världstidskorrigering dUT1 (oregelbundenhet av den jord rotation ).

Värdeparet (x, y) varierar lokalt i en spiral i Chandler-periodens rytm (cirka 430 dagar, överlagrad av en 365-dagarsperiod), men ligger inom en 20 meters cirkel. Värdet på dUT1 förändras mestadels monotont (alltid i en riktning) och är orsaken till de så kallade språngsekunderna med vilka UTC- världstiden justeras vart tredje år den 31 december eller 30 juni av jordens genomsnittliga rotation.

Kombination med relaterade processer

För att överbrygga SLR: s väderberoende och öka noggrannheten kombineras lasermätningarna med andra metoder. Dessa metoder är speciella

Dessa olika system bildar en oavbruten övervakning av jorden och kombineras till ett nytt markbaserat referenssystem med flera års mellanrum . Dessa jordmodeller (se ITRS och ITRF 2000 ) har för närvarande globala noggrannheter på några centimeter. Om några år kommer nästa globala modell att bli ännu mer exakt än ITRF 2005 .

Förutom geodesi är alla dessa grundläggande system också grundläggande för andra discipliner, särskilt för astronomi , fysik och rymdresor .

Se även

Individuella bevis

  1. ↑ Översikt över Explorer-uppdragen (National Space Science Data Center of NASA)

webb-länkar

litteratur