Zasięg lasera satelitarnego

Laserowy system określania odległości w obserwatorium geodezyjnym Wettzell w Bawarii
Satellite laser począwszy od stacji satelitarnej Graz-Lustbühel w eksploatacji

Satelitarna odległość laserowa ( SLR ; niemiecki jako: satelitarny zasięg laserowy ) to wysoce precyzyjna metoda Satellitengeodäsie , w której za pomocą czasu przejścia impulsu laserowegomierzona jestodległość między stacją naziemną a satelitą . Jest to dwukierunkowa metoda pomiaru.

Satellite Laser począwszy służy z jednej strony, aby precyzyjnie określić na orbitę z satelitów geodezyjnych, a z drugiej strony, aby określić punkty pomiarów naziemnych i geodynamiki . Od tej zmiany w ciele ziemskim , a obrót Ziemi może pochodzić - razem z innymi metodami wyższej geodezji .

Racjonalne uzasadnienie

W nadajniku stacji naziemnej generowany jest krótki impuls laserowy i przesyłany do satelity za pośrednictwem układu optycznego. W tym samym czasie uruchamiany jest elektroniczny licznik interwałów. Impuls odbity przez satelitę jest rejestrowany, wzmacniany, analizowany i podawany do licznika jako impuls zatrzymujący poprzez odbiór optyki w urządzeniu odbiorczym stacji naziemnej.

Zarejestrowany przedział czasu podaje czas przelotu Δt impulsu laserowego i odległość d poprzez prędkość propagacji przy:

Zasadniczymi elementami systemu pomiaru odległości na ziemi są odpowiednio:

  1. Generator i nadajnik impulsów laserowych wraz z układem optycznym i oprawą
  2. Detektor impulsów zwrotnych i analizator wraz z systemem odbiorczym
  3. Urządzenie do pomiaru czasu do określania czasu pracy

Do sterowania i monitorowania systemu oraz definiowania epok obserwacji potrzebne są dalsze podsystemy ( komputery , zegary atomowe ).

Jako segment kosmiczny wymagane są satelity z odpowiednimi reflektorami.

historia

Rozwój laserów impulsowych do śledzenia satelitów rozpoczął się w USA już w latach 1961/62 w ramach programu American Explorer . W 1964 roku pierwszy satelita został wyposażony w reflektory laserowe (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Został on wprowadzony na orbitę na wysokości 1000 km i nachyleniu 80 ° 9 października 1964 r . Pierwsze laserowe pomiary odległości wykonano w 1965 roku z dokładnością do kilku metrów. Explorer 27 (= BE-C) oraz dwa satelity GEOS Explorer 29 i Explorer 36 zostały również wyposażone w reflektory laserowe.

Dopiero satelity GEOS mogły być wykorzystane do geodezji satelitarnej : z jednej strony orbity satelity mogły być z góry niedokładnie obliczone, z drugiej strony liczniki interwałów do pomiaru czasu nie były jeszcze wystarczająco dokładne, a liczba kwanty światła odbitego były zbyt niskie dla wysokich satelitów. Niższe orbity oznaczają, że satelita porusza się zbyt szybko po niebie (mija tylko kilka minut) i że jego orbita nie jest wystarczająco stabilna, aby zapewnić niezawodną efemerydę . Przełom nastąpił dzięki ulepszonej technologii sterowania i technologii laserowej , połączonej z precyzyjnie zdefiniowanym i zaprogramowanym czasem bramki odbiornika teleskopu.

W następnych latach nastąpił bardzo szybki postęp. Dokładność sięgała około jednego metra w połowie lat 70., dziś (2015 r.) Jest w zakresie milimetrowym, więc kształt satelity już teraz odgrywa dużą rolę. Jeśli echo laserowe jest wystarczająco silne, aparat mierzy tylko pierwszy z powracających fotonów. Podczas obserwacji dziennych - które są możliwe od około 1995 roku - analizowana jest również większa liczba odruchów.

Laserowe systemy pomiaru odległości do satelitów zostały opracowane i zainstalowane w wielu częściach świata. Często były to prace wewnętrzne w grupach roboczych w obserwatoriach. W 1986 roku na całym świecie było używanych około 50 wysokowydajnych systemów.

Klasyfikacja systemów laserowych

Osiągalna dokładność pomiaru odległości jest ściśle związana z czasem trwania i rozdzielczością impulsów lasera.

Obowiązuje następująca zasada: 1 nanosekunda (ns) = 15 cm

Stosowane systemy laserowe zwykle dzieli się na grupy (generacje) w zależności od koncepcji i wydajności, przy czym przejścia są płynne.

  1. Generacja: czas trwania impulsu od 10 do 40 ns odpowiada dokładności pomiaru odległości od 1,5 do 6 m; głównie lasery rubinowe
  2. Generacja: Skrócenie czasu trwania impulsu do 2–5 ns, co odpowiada 30–120 cm
  3. Generacja: czas trwania impulsu w zakresie subnanosekund od 0,1 do 0,2 ns, co odpowiada 1,5–3 cm; często laser Nd: YAG

Wraz ze wzrostem dokładności systemów pomiarowych pojawiają się dalsze obszary zastosowań. Można dokładniej określić orbity satelitów i wnieść wkład w kwestie geodynamiczne (np. Ruchy skorupy ziemskiej ), zwłaszcza z dokładnością pomiarową 1–3 cm .

Błyski światła emitowane z ziemi mają krótkotrwałą moc w zakresie gigawatów . Dlatego czynności obserwacyjne należy dokładnie omówić z kontrolą ruchu lotniczego . Ponadto istnieje automatyczne wyłączanie, jeśli samolot zbliży się do wiązki.

Laserowe systemy pomiarowe i komponenty

Oscylatory laserowe

Sercem laserowego systemu pomiaru odległości jest sam oscylator laserowy Sztuczne słowo LASER (Wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania) opisuje układy dla spójnego wzmacniania oscylacji elektromagnetycznych w (optycznym) obszarze widmowym poprzez emisję wymuszoną .

W geodezji satelitarnej oprócz spójności , tj. H. stała zależność fazowa między poszczególnymi wiązkami cząstkowymi, dwie dalsze właściwości promieniowania laserowego, a mianowicie wysoka ostrość ogniskowania i wysoka gęstość energii . W ten sposób możliwe jest przesyłanie ekstremalnie krótkich impulsów o dużej gęstości energii na duże odległości.

W geodezji satelitarnej szeroko stosowane są dwa typy laserów: laser rubinowy i laser neodymowo-YAG (= itr-aluminium-granat) . Systemy pierwszej i drugiej generacji są prawie wyłącznie wyposażone w lasery rubinowe, a trzeciej generacji w dużej mierze w lasery Nd: YAG.

Dalsze elementy systemu

(ilość

Aby móc zmierzyć odległość do zmiennych celów, część nadajnika laserowego musi być ustawiona tak, aby mogła się poruszać. Można to zrobić na uchwycie o regulowanym azymucie i wysokości. Wskazane jest zamontowanie odbiornika na tym samym uchwycie.

W przypadku urządzeń pierwszej generacji oscylator laserowy jest często mocowany do uchwytu, lasery trzeciej generacji są bardzo czułe i muszą być instalowane w klimatyzowanym, bezpyłowym środowisku. W przypadku laserów stacjonarnych wykorzystuje się do tego oddzielne pomieszczenie ( clean room ). Impulsy laserowe są kierowane do nadawczego teleskopu za pomocą przewodników optycznych. Mocowanie musi być ustawione w jednej linii z ruchomym celem z wystarczającą dokładnością, aby impuls lasera trafił w satelitę. Jeśli wymagania dotyczące dokładności są niższe (1. generacja), śledzenie można przeprowadzić ręcznie za pomocą kontroli wizualnej. W przypadku laserów III generacji, które pracują również w trybie dziennym, śledzenie odbywa się automatycznie na podstawie obliczonych wcześniej efemeryd satelitów .

b) odbiornik światła

Energia impulsu laserowego na jednostkę powierzchni zmniejsza się na drodze do satelity iz powrotem wraz z kwadratem odległości. Ponadto sygnał jest osłabiany przez atmosferę ziemską . Pomimo bardzo dużej energii wyjściowej i silnego skupienia, w rezultacie zwracana jest bardzo mała ilość energii, tak więc dla większych odległości satelitów wymagane jest bardzo mocne urządzenie odbiorcze.

Część odbiorcza składa się z układu optycznego i elektronicznego odbiornika światła. Jak układów optycznych , teleskopy reflektor lub teleskopy przyjść pod uwagę, które koncentrują się na fotony odbitego impulsu laserowego na odbiornik światła . Ze względu na większy współczynnik apertury preferowane są teleskopy zwierciadlane o dużej aperturze , zwłaszcza że ważny jest pomiar słabych jasności, a nie jakość geometryczna. Aby uniknąć interferencji światła, dla zakresu częstotliwości światła laserowego stosuje się filtr o wąskim paśmie (Δλ ~ 1 nm) .

Ponieważ elektroniczny detektor światła to fotodetektory o bardzo krótkim czasie narastania, jak fotopowielacz (PMT), stosowane są płytki mikrokanałowe - fotopowielacz (MCP-PMT) lub fotodioda lawinowa (APD). Aby zredukować sygnały zakłócające , fotodetektor jest aktywowany tylko na krótki, wstępnie obliczony czas Δt od 1 do 10 mikrosekund ( mikrosekund ). Czas narastania nie powinien przekraczać 100 do 300 ps ( pikosekund ).

c) analiza pulsu

Odesłany sygnał jest zdeformowany z powodu licznych zakłóceń. Przyczyny obejmują: zakłócenia atmosferyczne, nałożenie się odbiciem na kilku reflektorach, względny ruch nadajnika i reflektora. Aby określić środek impulsu, wymagana jest dokładna analiza tętna. Możliwych jest kilka metod. Ustalenie środka ciężkości poprzez pomiar obszaru pod krzywą sygnału sprawdziło się .

W przypadku pracy w oparciu o pojedyncze fotony (np. Lunar Laser Ranging , LLR) analiza impulsów nie jest wymagana. Należy wtedy zastosować metody, które pozwolą na rozpoznanie i przetworzenie pojedynczych fotonów.

d) podstawa czasu

Liczniki elektroniczne o rozdzielczości 10 ps są stosowane do pomiaru na czas tranzytu . Liczniki sterowane są atomowymi wzorcami częstotliwości , które charakteryzują się dużą stabilnością krótko- i długoterminową. Dla takiej podstawy czasu brane są pod uwagę wzorce rubidu i cezu, a także masery wodorowe . Atomowe wzorce częstotliwości określają również czas stanowiska do ustawiania epoki i muszą być następnie regularnie porównywane z usługami czasu wyższego poziomu.

e) komputer procesowy

Hałas podczas dziennych obserwacji satelity Jason 1

Potężny komputer procesowy i wszechstronne oprogramowanie systemowe są wymagane do wstępnego obliczania wartości nastawczych, śledzenia montażu, monitorowania systemu, kalibracji i sprawdzania parametrów systemu, jak również do przygotowania i kontroli danych.

f) wykrywacz statków powietrznych

Na gęsto zaludnionych obszarach i w pobliżu lotnisk czasami wymagane są środki ostrożności, aby zapobiec przelotowi samolotu przez wiązkę laserową. W tym celu można zainstalować optyczny system lokalizacji samolotu, który automatycznie wyłącza działanie lasera.

(g) Analiza czasu bramki i szumu

Nowoczesne teleskopy SLR wykorzystują tę samą optykę do wysyłania i odbierania lasera. Przełączanie odbywa się za pomocą czasu bramki , czyli krótkiego okresu czasu, po którym można spodziewać się najwcześniejszego odbicia sygnału. Służy również do ułatwienia analizy hałasu.

To ostatnie jest niezbędne do obserwacji dziennych , gdzie tysiąc razy więcej fotonów dociera ze światła dziennego niż z echa satelitarnego. Rysunek obok pokazuje przykład analizy szumów, w której oprogramowanie stacji satelitarnej Wettzell przepuszcza tylko te fotony z szumu odbioru, które odbiegają od czasu bramki o maksymalnie 5 nanosekund.

Satelity z reflektorami laserowymi

LAGEOS (1975), najważniejszy do tej pory satelita laserowy. Waga 411 kg przy średnicy zaledwie 60 cm, wysokość toru 5000 km

Laserowe pomiary odległości można przeprowadzać tylko do satelitów wyposażonych w odpowiednie reflektory laserowe . Zadaniem reflektorów jest odbijanie światła z powrotem w tym samym kierunku, z którego pada. Takie reflektory są również nazywane retroreflektorami .

Aby osiągnąć pożądaną dokładność pomiaru, reflektory muszą być zaprojektowane bardzo starannie dla każdego kształtu satelity i wysokości orbity. Odbłyśnik musi być wystarczająco duży, aby odbijać wystarczającą ilość światła. W tym celu kilka pojedynczych reflektorów o średnicy 2–4 cm łączy się zwykle w określone układy (układy). Bardzo wysokie wymagania stawiane są poprawnemu wzajemnemu przyporządkowaniu poszczególnych odbłyśników, tak aby odkształcenia impulsów spowodowane nakładaniem się sygnału były jak najmniejsze. Ponadto musi być znana droga światła w reflektorze.

Ponieważ retroreflektory są systemami pasywnymi, które można stosunkowo łatwo zainstalować jako dodatkowe komponenty na satelitach, obecnie jest w nie wyposażonych duża liczba statków kosmicznych. Większość satelitów wyposażonych w ten sposób wykorzystuje laserowe pomiary odległości w celu uzyskania dokładnych informacji o orbicie dla rzeczywistych misji satelitarnych. Ponieważ jednak te satelity spełniają inne zadania, reflektory nie mogą być ustawione koncentrycznie względem środka masy. Dlatego należy ustalić wyraźny związek między odpowiednim reflektorem a środkiem satelity.

W przypadku tak zwanych satelitów laserowych zadanie wyznaczania odległości lasera jest na pierwszym planie. Aby to zrobić, orbita satelity musi być bardzo stabilna. Dlatego satelity laserowe są zbudowane z rdzeniem wykonanym z litego metalu (czasami nawet szczególnie gęstego materiału, takiego jak uran ), dzięki czemu satelita wielkości piłki nożnej, taki jak Starlette, waży prawie 50 kg. W efekcie na jej orbicie występują tylko niewielkie zakłócenia spowodowane siłami niegrawitacyjnymi (wysoka atmosfera, lekkie ciśnienie, wiatr słoneczny itp.), A orbitę można precyzyjnie określić - na przykład do triangulacji satelitarnej lub do obliczenia pola grawitacyjnego Ziemi .

Z około 20 satelitów laserowych wystrzelonych od 1970 roku najważniejsze to:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), orbita polarna na wysokości ok. 5000 km , a zatem żywotność kilku milionów lat, średnica 60 cm, masa 411 kg (patrz zdjęcie powyżej)
  • Starlette (Francja, 1975), wysokość toru obecnie ok. 900–1100 km, rozmiar ≈20 cm, 50 kg
  • LAGEOS 2 (Włochy, 1992), identyczny z oryginalnym LAGEOS, wystrzelony w ramach misji promu kosmicznego STS-52
  • Stella (identyczna jak Starlette), wystrzelona w 1993 roku z europejskiej wyrzutni Ariane
  • bułgarski satelita (około 1985) i dwa japońskie satelity laserowe.

Globalna sieć lustrzanek jednoobiektywowych

International Laser Ranging Service (w skrócie ILRS) została założona w latach 90-tych w celu międzynarodowej koordynacji pomiarów laserowych z satelitami . ILRS organizuje i koordynuje pomiary zasięgu lasera w celu wspierania globalnych projektów geodezyjnych i misji satelitarnych. Opracowuje również odpowiednie standardy i strategie pomiarów i analiz w celu zapewnienia wysokiej, spójnej jakości danych.

Pomiary stacji lustrzanek jednoobiektywowych, których jest kilkadziesiąt na całym świecie, są łączone obliczeniowo w precyzyjne sieci geodezyjne , z których można wyznaczyć współrzędne i obroty Ziemi w zakresie milimetrowym. Podstawowe produkty ILRS obejmują dokładne efemerydy (orbity) satelitów LASER, współrzędne i zmiany tektoniczne płyt obserwatoriów, zmiany geocentrum i ziemskiego pola grawitacyjnego , a także podstawowe stałe fizyki, księżyc ziemski i orbita księżycowa .

Do określenia tej ostatniej wykorzystuje się tzw. Lunar Laser Ranging ( LLR ), czyli pomiar odległości od stacji naziemnych do powierzchni Księżyca. W tym celu używane są reflektory laserowe, które zostały umieszczone na Księżycu podczas misji Apollo i ZSRR . Dla każdego emitowanego silnego impulsu laserowego podczas tych pomiarów odbierane są tylko pojedyncze kwanty światła na odległość dwukrotnie większą od księżyca (ok. 750 000 km) , więc metoda jest ogólnie bardzo złożona. Pomiary wykazały, że promień orbity Księżyca zwiększa się każdego roku o około 40 mm.

Międzynarodowa Usługa Obrotu Ziemi

Ponieważ wszystkie obserwatoria laserowe obracają się wokół osi Ziemi w 23,9345 godziny wraz z obrotem Ziemi , przestrzenne położenie Ziemi można precyzyjnie określić na podstawie pomiarów. W tym celu wykorzystywany jest specjalny dział IERS (International Earth Rotation Service).

Wspomniana wyżej usługa ILRS (ILRS: International Laser Ranging Service) dostarcza IERS zmierzone dane lustrzanki, które zostały zredukowane do jednolitego modelu. Na tej podstawie oblicza trzy najważniejsze parametry rotacji Ziemi (ERP) w krótkich odstępach czasu , a mianowicie współrzędne biegunowe x, y (punkt przecięcia osi (obrotowej) Ziemi w Arktyce) oraz korektę czasu światowego dUT1 (nieregularność przez obrót Ziemi ).

Para wartości (x, y) zmienia się lokalnie spiralnie w rytmie okresu Chandlera (około 430 dni, na które nakłada się okres 365 dni), ale pozostaje w obrębie 20-metrowego koła. Wartość dUT1 zmienia się przeważnie monotonnie (zawsze w jednym kierunku) i jest przyczyną tak zwanych sekund przestępnych, o które czas światowy UTC jest korygowany co 1-3 lata w dniu 31 grudnia lub 30 czerwca średniego obrotu Ziemi.

Połączenie z powiązanymi procesami

W celu zniwelowania zależności lustrzanki od pogody i zwiększenia dokładności pomiary laserowe są łączone z innymi metodami. Te metody są szczególne

Te różne systemy tworzą nieprzerwany monitoring Ziemi i są łączone w nowy ziemski system odniesienia w odstępach kilkuletnich . Te modele Ziemi (patrz ITRS i ITRF 2000 ) mają obecnie globalną dokładność kilku centymetrów. Za kilka lat kolejny model globalny będzie jeszcze bardziej precyzyjny niż ITRF 2005 .

Oprócz geodezji wszystkie te podstawowe systemy mają również fundamentalne znaczenie dla innych dyscyplin, w szczególności astronomii , fizyki i podróży kosmicznych .

Zobacz też

Indywidualne dowody

  1. ↑ Przegląd misji eksploratora (National Space Science Data Center of NASA)

linki internetowe

literatura