Satellit laser spænder

Lasersystem for det geodetiske observatorium Wettzell i Bayern
Satellitlaser fra Graz-Lustbühel-satellitstationen i drift

Satellite Laser Ranging ( SLR ; tysk som: satellitlaserafstand ) er en meget præcis metode til Satellitengeodäsie , hvor afstanden mellem en jordstation og en satellit målesved hjælp af en laserpuls transittid. Dette er en tovejs målemetode.

Satellit Laser Ranging bruges på den ene side til præcist at bestemme den bane af geodætiske satellitter, og på den anden side at bestemme punkter i jorden målinger og geodynamik . Fra dette kan ændringer i jordens krop og jordens rotation afledes - sammen med andre metoder til højere geodesi .

Begrundelse

En kort laserpuls genereres i senderen fra jordstationen og sendes til satellitten via et optisk system. Samtidig startes en elektronisk tidsintervaltæller. Den puls, der reflekteres af satellitten, registreres, forstærkes, analyseres og føres til tælleren som en stoppuls ved at modtage optik i modtagerindretningen på jordstationen.

Det registrerede tidsinterval angiver flyvetiden Δt for laserimpulsen og afstanden d via udbredelseshastigheden med:

De væsentlige komponenter i afstandsmålingssystemet på jorden er følgelig:

  1. Generator og sender af laserimpulser inklusive optisk system og montering
  2. Returpulsdetektor og analysator inklusive modtagersystem
  3. Tidsmåler til bestemmelse af køretiden

For at kontrollere og overvåge systemet og definere observationsperioderne kræves yderligere undersystemer ( computere , atomure ).

Som rumsegment kræves satellitter med egnede reflektorer.

historie

Udviklingen af ​​pulserende lasere til sporing af satellitter begyndte i USA allerede i 1961/62 som en del af American Explorer- programmet. I 1964 blev den første satellit udstyret med laserreflektorer (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Dette blev bragt i en bane i en højde af 1000 km og en hældning på 80 ° den 9. oktober 1964 . De første målinger af laserafstand blev foretaget i 1965 med en nøjagtighed på få meter. Explorer 27 (= BE-C) og de to GEOS- satellitter Explorer 29 og Explorer 36 var også udstyret med laserreflektorer.

Det var kun GEOS-satellitterne, der kunne bruges til satellitgeodesi : på den ene side kunne satellitbanerne kun beregnes utilstrækkeligt på forhånd, på den anden side var intervalltællerne for tidsmålingen endnu ikke præcise nok, og antallet af reflekteret lys kvante var for lav til høje satellitter. Lavere baner betyder, at satellitten bevæger sig for hurtigt hen over himlen (kun et par minutter går), og at dens bane ikke er stabil nok til en pålidelig flygtning . Gennembruddet kom med forbedret kontrol- og laserteknologi kombineret med en nøjagtigt defineret og programmeret porttid for modtagerteleskopet.

Der blev gjort meget hurtige fremskridt i de følgende år. Nøjagtigheden nåede cirka en meter i midten af ​​1970'erne, i dag (2015) er den i millimeterområdet, så satellitformen allerede spiller en vigtig rolle. Hvis laserekko er stærkt nok, måler apparatet kun den første af de returnerende fotoner. Under observationer om dagen - som har været mulige siden omkring 1995 - analyseres også et større antal reflekser.

Laserafstandssystemer til måling af satellitter er blevet udviklet og installeret i mange dele af verden. Ofte var det intern udvikling i arbejdsgrupper på observatorier. I 1986 var omkring 50 højtydende systemer i brug over hele verden.

Klassificering af lasersystemerne

Den opnåelige nøjagtighed til afstandsmåling er tæt forbundet med laserimpulsernes varighed og opløsning .

Følgende gælder: 1 nanosekund (ns) = 15 cm

Det er almindeligt at opdele de anvendte lasersystemer i grupper (generationer) afhængigt af konceptet og ydeevnen, hvorved overgange er flydende.

  1. Generation: En pulsvarighed på 10 til 40 ns svarer til en afstandsmålingsnøjagtighed på 1,5 til 6 m; for det meste rubinlasere
  2. Generation: Forkortelse af pulsvarigheden til 2–5 ns, svarende til 30–120 cm
  3. Generation: En pulsvarighed i subnanosekundområdet på 0,1 til 0,2 ns, svarende til 1,5-3 cm; ofte Nd: YAG laser

Med stigningen i målesystemernes nøjagtighed opstår yderligere anvendelsesområder. Satellitkredsløb kan bestemmes mere præcist, og bidrag til geodynamiske problemer (f.eks. Skorpebevægelser ) kan foretages, især med målepræcisioner på 1-3 cm .

Lysglimtene, der udsendes fra jorden, har en kort output inden for gigawatt . Derfor skal observationsaktiviteten drøftes nøjagtigt med lufttrafikstyring . Derudover er der automatisk slukning, hvis et fly kommer tæt på bjælken.

Lasermålesystemer og -komponenter

Laseroscillatorer

Hjertet i et laserafstandsmålingssystem er selve laseroscillatoren.Det kunstige ord LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) beskriver arrangementer for den sammenhængende forstærkning af elektromagnetiske svingninger i det (optiske) spektrale område gennem stimuleret emission .

I satellitgeodesi ud over sammenhæng , i. H. det faste faseforhold mellem de enkelte delstråler, yderligere to egenskaber ved laserstrålingen, nemlig den høje fokusskarphed og den høje energitæthed . På denne måde er det muligt at transportere ekstremt korte impulser med høj energitæthed over store afstande.

I satellitgeodesi har to typer lasere fundet udbredt anvendelse, rubinlaseren og neodym-YAG (= yttrium-aluminium-granat) laser . Systemerne fra 1. og 2. generation er næsten udelukkende udstyret med rubinlasere, de af 3. generation stort set med Nd: YAG-lasere.

Yderligere systemkomponenter

(beløb

For at kunne måle afstanden til variable mål skal lasersenderdelen indstilles, så den kan bevæge sig. Dette kan gøres på et beslag, der kan justeres i azimut og højde. Det tilrådes at installere modtageren på samme holder.

Med enheder fra 1. generation er det almindeligt at fastgøre laseroscillatoren til monteringen, lasere fra 3. generation er meget følsomme og skal installeres i et klimatiseret, støvfrit miljø. I tilfælde af stationære lasere anvendes et separat rum ( rent rum ) til dette. Laserimpulserne ledes ind i det transmitterende teleskop via optiske ledere. Beslaget skal være justeret med det bevægelige mål med tilstrækkelig nøjagtighed, så laserpulsen rammer satellitten. Hvis nøjagtighedskravene er lavere (1. generation), kan sporing udføres manuelt ved hjælp af en visuel kontrol. I tilfælde af lasere af 3. generation, som også fungerer i dagtimedrift, finder sporingen automatisk sted på basis af forudberegnet satellit- efemeris .

(b) lysmodtager

Laserpulsens energi pr. Arealenhed falder på vej til satellitten og tilbage med afstandens firkant. Desuden svækkes signalet af jordens atmosfære . På trods af den meget høje outputenergi og det stærke fokus returneres der derfor meget lidt energi, så der kræves en meget kraftig modtageanordning til større satellitafstande.

Den modtagende del består af et optisk system og en elektronisk lysmodtager. Som optiske systemer , reflektor teleskoper eller teleskoper komme i betragtning, som fokuserer de fotoner af det reflekterede laser puls på lysmodtageren . På grund af det større blændeforhold foretrækkes reflektorteleskoper med stor blænde , især da det er vigtigt at måle svage lysstyrker og ikke geometrisk kvalitet. For at undgå interfererende lys anvendes et filter med en smal båndbredde (Δλ ~ 1 nm) til laserlysets frekvensområde .

Som elektronisk lysdetektor er fotodetektorer med en meget kort stigetid som fotomultiplikator rør (PMT), Mikrokanalplader -Photomultiplier (MCP-PMT) eller lavinefotodiode (APD) anvendes. For at reducere forstyrrende signaler aktiveres fotodetektoren kun i en kort, forberegnet tidsperiode på Δt fra 1 til 10 mikrosekunder ( mikrosekunder ). Stigningstiden bør ikke overstige 100 til 300 ps ( picosekunder ).

(c) pulsanalyse

Det signal, der sendes tilbage, er deformeret på grund af mange interferenser. Årsager inkluderer: atmosfæriske forstyrrelser, overlejring ved refleksion på flere reflektorer, relativ bevægelse af sender og reflektor. Omhyggelig pulsanalyse er nødvendig for at bestemme centrum af pulsen. Flere metoder er mulige. At etablere tyngdepunktet ved at måle arealet under signalkurven har bevist sig .

Hvis der arbejdes på basis af enkelte fotoner (f.eks. Lunar Laser Ranging , LLR), er pulsanalysen ikke påkrævet. Der skal derefter anvendes metoder, der gør det muligt at genkende og behandle individuelle fotoner.

(d) tidsbase

Elektroniske tællere med en opløsning på 10 ps er brugt til at måle den transit tid . Tællerne styres af atomfrekvensstandarder , der er kendetegnet ved høj kortvarig og langvarig stabilitet. Rubidium og cæsium standarder samt brint masers komme i betragtning til et sådant tidsbasis . Atomfrekvensstandarderne definerer også stationstiden for indstilling af epoken og skal derefter regelmæssigt sammenlignes med højere tjenester.

(e) behandle computer

Støj i løbet af dagen iagttagelse af Jason 1- satellitten

En kraftig procescomputer og omfattende systemsoftware kræves til forberegning af indstillingsværdierne, sporing af montering, systemovervågning, kalibrering og kontrol af systemparametrene samt til dataforberedelse og kontrol.

(f) flydetektor

I tætbefolkede områder og nær lufthavne er der undertiden behov for forholdsregler for at forhindre, at et fly passerer gennem laserstrålen. Til dette formål kan der installeres et optisk system til flyplacering, som automatisk slukker for laseroperationen.

g) Analyse af porttid og støj

Moderne spejlreflekskameraer bruger den samme optik til afsendelse og modtagelse af laseren. Skift finder sted ved hjælp af gate-tiden , det korte tidsrum, hvorefter det reflekterede signal tidligst kan forventes. Det bruges også til at lette støjanalyse.

Sidstnævnte er afgørende for observationer i dagtimerne , hvor der kommer tusind gange flere fotoner fra dagslys end fra satellitekko. Billedet overfor viser et eksempel på støjanalysen, hvor softwaren til Wettzell- satellitstationen kun slipper igennem de fotoner fra modtagelsesstøj, der afviger fra portens tid med højst 5 nanosekunder.

Satellitter med laserreflektorer

LAGEOS (1975), den vigtigste lasersatellit til dato. Vægt 411 kg med en diameter på kun 60 cm, sporhøjde 5.000 km

Laserafstandsmålinger kan kun udføres til satellitter, der er udstyret med egnede laserreflektorer . Reflektorernes opgave er at reflektere lyset tilbage i den samme retning, som det hændes fra. Sådanne reflektorer kaldes også retroreflektorer .

For at opnå den ønskede målenøjagtighed skal reflektorer designes meget omhyggeligt for hver satellitform og banehøjde. Reflektoren skal være stor nok til at reflektere nok lys. Til dette formål kombineres adskillige individuelle reflektorer med en diameter på 2-4 cm normalt i specifikke arrangementer (arrays). Der stilles meget høje krav til den korrekte indbyrdes tildeling af de enkelte reflektorer for at holde pulsdeformationer på grund af signaloverlappingen så lav som muligt. Derudover skal lysstien i reflektoren være kendt.

Da retroreflektorer er passive systemer, der relativt let kan installeres som ekstra komponenter på satellitter, er et stort antal rumfartøjer nu udstyret med dem. De fleste satellitter, der er udstyret på denne måde, handler om at bruge laserafstandsmålinger til at opnå præcise baneoplysninger til de faktiske satellitmissioner. Da disse satellitter imidlertid udfører andre opgaver, kan reflektorerne ikke arrangeres koncentrisk til massecentret. Derfor skal der etableres en klar sammenhæng mellem den passende reflektor og satellitcentret.

Med såkaldte laser-satellitter , opgaven med laser spænder er i forgrunden. For at gøre dette skal satellitbanen være meget stabil. Dette er grunden til, at lasersatellitter er bygget med en kerne lavet af solidt metal (nogle gange endda særligt tæt materiale såsom uran ), så en satellit i fodboldstørrelse som Starlette vejer næsten 50 kg. Som et resultat lider den kun mindre kredsløb forstyrrelser fra ikke-tyngdekræfter (høj atmosfære, let tryk, solvind osv.), Og kredsløbet kan bestemmes nøjagtigt - for eksempel til satellit triangulering eller til beregning af jordens tyngdefelt .

Af de omkring 20 lasersatellitter, der er lanceret siden 1970, er de vigtigste:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), ca. 5.000 km høj polarbane , derfor en levetid på flere millioner år, diameter 60 cm, masse 411 kg (se billedet ovenfor)
  • Starlette (Frankrig, 1975), sporhøjde i øjeblikket ca. 900–1100 km, størrelse ≈20 cm, 50 kg
  • LAGEOS 2 (Italien, 1992), identisk med den oprindelige LAGEOS, lanceret som en del af rumfærgens mission STS-52
  • Stella (identisk med Starlette), lanceret i 1993 med den europæiske Ariane launcher
  • en bulgarsk satellit (omkring 1985) og to japanske lasersatellitter.

Globalt spejlrefleksnetværk

International Laser Ranging Service (forkortet ILRS) blev grundlagt i 1990'erne til international koordinering af lasermålinger med satellitter . ILRS organiserer og koordinerer målinger af laserområdet for at understøtte globale geodetiske projekter og satellitmissioner. Han udvikler også passende standarder og strategier til måling og analyse for at sikre en høj, ensartet kvalitet af dataene.

Målingerne af SLR-stationerne, hvoraf der er et par dusin på verdensplan, kombineres beregningsmæssigt til at danne nøjagtige landmålingsnetværk , hvorfra koordinater og jordens rotation i millimeterområdet kan udledes. De grundlæggende produkter fra ILRS indbefatter eksakte ephemeris (orbits) af laseren satellitter, koordinater og pladetektoniske ændringer af observatorier, variationer af Geocenter og jordens tyngdefelt , samt fundamentale konstanter i fysik, det jordens måne og månebane .

Den såkaldte Lunar Laser Ranging ( LLR ), dvs. afstandsmåling fra jordstationer til månens overflade , bruges til at bestemme sidstnævnte . Til dette formål anvendes nogle laserreflektorer , der blev placeret på månen under Apollo-missioner og i Sovjetunionen . For hver stærk udsendt laserimpuls modtages kun individuelle lyskvanta under disse målinger over dobbelt måneafstand (ca. 750.000 km) , således at metoden generelt er meget kompleks. Målingerne viste, at radius af månens bane øges med omkring 40 mm hvert år.

International Earth Rotation Service

Da alle laserobservatorier roterer omkring jordaksen på 23,9345 timer med jordens rotation , kan den geografiske position af jorden bestemmes nøjagtigt ud fra målingerne. En særlig afdeling fra IERS (International Earth Rotation Service) bruges til dette formål.

Ovennævnte ILRS- tjeneste (ILRS: International Laser Ranging Service) giver IERS de målte SLR-data, der er reduceret til en ensartet model. Ud fra dette beregner det de tre vigtigste jordrotationsparametre (ERP) med korte intervaller , nemlig polarkoordinaterne x, y (skæringspunktet for jordens (rotations) akse i Arktis) og verdens tidskorrektion dUT1 (uregelmæssighed af den jordens rotation ).

Værdiparet (x, y) varierer lokalt i en spiral i rytmen i Chandler-perioden (ca. 430 dage, overlejret af en 365-dages periode), men forbliver inden for en 20 meters cirkel. Værdien af ​​dUT1 ændrer sig for det meste monotont (altid i en retning) og er årsagen til de såkaldte spring-sekunder, hvormed UTC- verdenstiden justeres hvert 1-3 år den 31. december eller 30. juni af jordens gennemsnitlige rotation.

Kombination med relaterede processer

For at bygge bro over spejlreflekskameraets vejrafhængighed og for at øge nøjagtigheden kombineres lasermålingerne med andre metoder. Disse metoder er specielle

Disse forskellige systemer danner en uafbrudt overvågning af jorden og kombineres til et nyt jordbaseret referencesystem med flere års mellemrum . Disse jordmodeller (se ITRS og ITRF 2000 ) har i øjeblikket globale nøjagtigheder på nogle få centimeter. Om få år vil den næste globale model være endnu mere præcis end ITRF 2005 .

Ud over geodesi er alle disse grundlæggende systemer også grundlæggende for andre discipliner, især for astronomi , fysik og rumfart .

Se også

Individuelle beviser

  1. Oversigt over Explorer-missionerne (National Space Science Data Center of NASA)

Weblinks

litteratur