mini|rechts|Laser Ranging System des Geodätischen Observatoriums Wettzell in Bayern mini|Satellite Laser Ranging der Satellitenstation Graz-Lustbühel in Betrieb (SLR; deutsch etwa: Satelliten-Laserentfernungsmessung) ist eine hochpräzise Methode der Satellitengeodäsie, bei der mit Hilfe der Laufzeit eines Laserimpulses die Entfernung zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten gemessen wird. Hierbei handelt es sich um ein Zweiwegemessverfahren.
Satellite Laser Ranging dient einerseits zur genauen Bahnbestimmung der Umlaufbahn von geodätischen Satelliten, andererseits zur Punktbestimmung in der Erdmessung und Geodynamik. Daraus können Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation abgeleitet werden – zusammen mit anderen Verfahren der höheren Geodäsie.
Grundprinzip In der Sendeeinrichtung der Bodenstation wird ein kurzer Laserimpuls erzeugt und über ein optisches System zum Satelliten gesendet. Gleichzeitig wird ein elektronischer Zeitintervall-Zähler gestartet. Der vom Satelliten reflektierte Impuls wird über eine Empfangsoptik in der Empfangseinrichtung der Bodenstation registriert, verstärkt, analysiert und dem Zähler als Stoppimpuls zugeführt.
Aus der gemessenen Laufzeit Δt des Laserimpulses für den Weg zum Satelliten und zurück ergibt sich mit Hilfe der Ausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung d:
Wesentliche Komponenten des Entfernungsmesssystems am Boden sind dementsprechend: Generator und Sender der Laserimpulse einschließlich optischem System und Montierung Detektor und Analysator für zurückkehrende Impulse einschließlich des Empfangssystems Zeitmesseinrichtung für die Laufzeitbestimmung
Zur Steuerung und Überwachung des Systems sowie zur Festlegung der Beobachtungsepochen sind noch weitere Sub-Systeme erforderlich (Rechner, Atomuhren).
Als Weltraumsegment werden Satelliten mit geeigneten Reflektoren benötigt.
Geschichte Die Entwicklung von gepulsten Lasern für die Bahnverfolgung von Satelliten begann in den USA bereits um 1961/62 innerhalb des amerikanischen Explorer-Programms. 1964 wurde ein erster Satellit mit Laserreflektoren ausgestattet (BEACON – Explorer – B (BE–B) = Explorer 22). Dieser wurde am 9. Oktober 1964 in eine Umlaufbahn von 1000 km Höhe und 80° Bahnneigung gebracht. Die ersten Laserentfernungsmessungen gelangen 1965 mit einer Genauigkeit von wenigen Metern. Auch Explorer 27 (= BE-C) sowie die beiden GEOS-Satelliten Explorer 29 und Explorer 36 waren mit Laserreflektoren ausgestattet.Übersicht über die Explorer-Missionen (National Space Science Data Center der NASA)
Erst die GEOS-Satelliten konnten für die Satellitengeodäsie genutzt werden: einerseits konnte man vorher die Satellitenbahnen nur unzureichend vorherberechnen, andererseits waren die Intervallzähler für die Zeitmessung noch nicht präzise genug und die Zahl der reflektierten Lichtquanten für hohe Satelliten zu gering. Niedrigere Bahnen wiederum bedeuten, dass der Satellit zu rasch über den Himmel läuft (Durchgänge von nur wenigen Minuten) und seine Bahn für eine verlässliche Ephemeride nicht stabil genug ist. Den Durchbruch brachte erst eine verbesserte Steuerungs- und Lasertechnik, kombiniert mit einer genau eingegrenzten und programmierten Torzeit des Empfänger-Teleskops.
In den nachfolgenden Jahren wurden sehr rasche Fortschritte gemacht. Die Genauigkeit erreichte Mitte der 1970er Jahre etwa einen Meter, heute (2015) ist sie im Millimeter-Bereich angelangt, so dass die Form des Satelliten bereits eine große Rolle spielt. Wenn das Laserecho stark genug ist, misst die Apparatur nur die ersten der zurückkommenden Photonen. Bei Tagbeobachtungen – die seit etwa 1995 möglich sind – wird auch eine größere Zahl der Reflexe analysiert.
An vielen Orten der Welt wurden Laserentfernungsmesssysteme zu Satelliten entwickelt und installiert. Oft handelte es sich dabei um Eigenentwicklungen in Arbeitsgruppen von Observatorien. 1986 waren weltweit etwa 50 leistungsfähige Systeme im Einsatz.
Einteilung der Lasersysteme Die erzielbare Entfernungsmessgenauigkeit hängt eng mit der zeitlichen Dauer und Auflösung der Laserimpulse zusammen.
Dabei gilt: 1 Nanosekunde (ns) entspricht bei Ausbreitung des Laserimpulses mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit einer Entfernung von 15 cm.
Es ist üblich, die verwendeten Lasersysteme je nach Konzept und Leistungsfähigkeit in Gruppen (Generationen) einzuteilen, wobei die Übergänge fließend sind. Generation: Eine Impulsdauer von 10 bis 40 ns entspricht 1,5 bis 6 m Entfernungsmessgenauigkeit; meist Rubin-Laser Generation: Verkürzung der Impulsdauer auf 2–5 ns entsprechend 30–120 cm Generation: Eine Impulsdauer im Subnanosekundenbereich von 0,1 bis 0,2 ns entsprechend 1,5–3 cm; häufig Nd:YAG-Laser
Mit der Genauigkeitssteigerung der Messsysteme ergeben sich weitere Anwendungsgebiete. Insbesondere bei Messgenauigkeiten um 1–3 cm können Satellitenbahnen genauer bestimmt und Beiträge zu geodynamischen Fragestellungen (z. B. Krustenbewegungen) geleistet werden.
Die vom Boden ausgesandten Lichtblitze haben eine kurzzeitige Leistung im Bereich von Gigawatt. Um eine Beeinträchtigung des Flugverkehrs zu vermeiden, muss der Einsatz mit der Flugsicherung koordiniert werden. Zusätzlich gibt es aber eine Abschaltautomatik, sollte ein Flugzeug dennoch in Strahlnähe geraten.
Lasermesssysteme und Komponenten Laseroszillatoren Herzstück eines Laserentfernungsmesssystems ist der Laseroszillator selbst. Das Kunstwort LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) bezeichnet Anordnungen zu kohärenten Verstärkung elektromagnetischer Schwingungen im (optischen) Spektralgebiet durch stimulierte Emission.
In der Satellitengeodäsie nutzt man neben der Kohärenz, d. h. der festen Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Teilstrahlen, noch zwei weitere Eigenschaften der Laserstrahlung aus, nämlich die hohe Bündelungsschärfe und die hohe Energiedichte. Auf diese Weise gelingt es, extrem kurze Impulse hoher Energiedichte über große Entfernungen zu transportieren.
In der Satellitengeodäsie haben zwei Lasertypen weite Verbreitung gefunden, der Rubinlaser und der Neodymium-YAG(=Yttrium-Aluminium-Granat)-Laser. Die Systeme der 1. und 2. Generation sind fast ausschließlich mit Rubinlasern bestückt, die der 3. Generation weitgehend mit Nd:YAG-Lasern.
Weitere Systemkomponenten (a) Montierung Um die Entfernung zu veränderlichen Zielen messen zu können, muss der Lasersendeteil beweglich aufgestellt werden. Dies kann auf einer in Azimut und Höhe verstellbaren Montierung geschehen. Es bietet sich an, den Empfangsteil auf derselben Montierung zu installieren.
Bei Geräten der 1. Generation ist es üblich, den Laseroszillator mit auf der Montierung zu befestigen, Laser der 3. Generation sind sehr empfindlich und müssen in klimatisierter, staubfreier Umgebung aufgebaut sein. Bei stationären Lasern wird dazu ein gesonderter Raum (Reinraum) genutzt. Die Laserimpulse werden über optische Leiter in das Sendeteleskop geleitet. Die Montierung muss mit genügender Genauigkeit auf das bewegliche Ziel ausgerichtet sein, damit der Laserimpuls den Satelliten trifft. Bei geringeren Genauigkeitsansprüchen (1. Generation) kann die Nachführung durch visuelle Kontrolle manuell erfolgen. Bei Lasern der 3. Generation, die auch im Tagbetrieb arbeiten, geschieht die Nachführung automatisch aufgrund vorausberechneter Satellitenephemeriden.
(b) Lichtempfänger Die Energie des Laserimpulses pro Flächeneinheit nimmt auf dem Weg zum Satelliten und zurück jeweils mit dem Quadrat der Entfernung ab. Weiterhin wird das Signal durch die Erdatmosphäre geschwächt. Trotz der sehr hohen Ausgangsenergie und starken Bündelung kommt folglich sehr wenig Energie zurück, so dass für größere Satellitenentfernungen eine sehr leistungsfähige Empfangseinrichtung benötigt wird.
Der Empfangsteil besteht aus einem optischen System und einem elektronischen Lichtempfänger. Als optische Systeme kommen Spiegelteleskope oder Fernrohre in Betracht, welche die Photonen des reflektierten Laserimpulses auf den Lichtempfänger fokussieren. Wegen des größeren Öffnungsverhältnis werden Spiegelteleskope großer Apertur bevorzugt, zumal es auf die Messung schwacher Helligkeiten und nicht auf geometrische Qualität ankommt. Zur Vermeidung von Störlicht, wird ein Filter geringer Bandbreite (Δλ ~ 1 nm) für den Frequenzbereich des Laserlichts verwendet.
Als elektronische Lichtempfänger werden Photodetektoren mit sehr kurzer Anstiegszeit wie Photomultiplier (PMT), Mikrokanalplatten-Photomultiplier (MCP-PMT) oder Avalanche-Photodioden (APD) verwendet. Zur Reduktion von Störsignalen wird der Photodetektor nur für eine kurze vorausberechnete Zeitspanne von Δt von 1 bis 10 µs (Mikrosekunden) aktiviert. Die Anstiegszeit sollte 100 bis 300 ps (Pikosekunden) nicht übersteigen.
(c) Impulsanalyse Das zurückgesendete Signal ist aufgrund zahlreicher Störeinflüsse deformiert. Ursachen sind u. a. atmosphärische Störungen, Überlagerung durch Reflexion an mehreren Reflektoren, Relativbewegung von Sender und Reflektor. Zur Festlegung der Impulsmitte ist eine sorgfältige Impulsanalyse erforderlich. Mehrere Verfahren sind möglich. Bewährt hat sich die Festlegung des Schwerpunktes durch Ausmessen der Fläche unter dem Signalverlauf.
Sofern auf der Basis von Einzelphotonen gearbeitet wird (z. B. Lunar Laser Ranging, LLR) entfällt die Pulsanalyse. Es müssen dann Verfahren verwendet werden, die ein Erkennen und Verarbeiten einzelner Photonen erlauben.
(d) Zeitbasis Zur Laufzeitmessung werden elektronische Zähler verwendet, deren Auflösung 10 ps betragen kann. Die Zähler werden von Atomfrequenznormalen gesteuert, die sich durch hohe Kurz- und Langzeitstabilität auszeichnen. Für so eine Zeitbasis kommen Rubidium- und Cäsiumnormale sowie Wasserstoffmaser in Betracht. Die Atomfrequenznormale definieren auch die Stationszeit zur Epochenfestlegung und müssen dann regelmäßig mit übergeordneten Zeitdiensten verglichen werden.
(e) Prozessrechner mini|200px|Rauschen bei Tagbeobachtung des Jason-1-Satelliten
Zur Vorausberechnung der Einstellwerte, Nachführung der Montierung, Systemüberwachung, Eichung und Überprüfung der Systemparameter sowie zur Datenaufbereitung und Kontrolle ist ein leistungsfähiger Prozessrechner sowie umfassende Systemsoftware erforderlich.
(f) Flugzeugdetektor In dicht besiedelten Gebieten und in der Nähe von Flughäfen werden gelegentlich Vorkehrungen verlangt, um das Durchfliegen eines Flugzeugs durch den Laserstrahl zu vermeiden. Hierzu kann ein optisches System zur Flugzeugortung eingebaut werden, das automatisch den Laserbetrieb abschaltet.
(g) Torzeit und Noise-Analyse Moderne SLR-Teleskope verwenden dieselbe Optik für Senden und Empfang des Lasers. Die Umschaltung erfolgt mittels Torzeit, jener kurzen Zeitspanne, nach der frühestens mit dem reflektierten Signal zu rechnen ist. Sie dient auch zur Erleichterung der Rausch-Analyse.
Letztere ist bei Tagbeobachtungen wesentlich, wo vom Tageslicht an die tausendmal mehr Photonen eintreffen als vom Satellitenecho. Ein Beispiel der Noise-Analyse zeigt nebenstehendes Bild, wo die Software der Satellitenstation Wettzell aus dem Empfangsrauschen nur jene Photonen durchlässt, die von der Torzeit um höchstens 5 Nanosekunden abweichen.
Satelliten mit Laserreflektoren mini|rechts|LAGEOS (1975), der bis heute wichtigste Lasersatellit. Gewicht 411 kg bei nur 60 cm Durchmesser, Bahnhöhe 5.000 km
Laserentfernungsmessungen können nur zu Satelliten durchgeführt werden, die mit geeigneten Laserreflektoren ausgerüstet sind. Die Reflektoren haben die Aufgabe, das Licht in dieselbe Richtung zurückzustrahlen, aus der es einfällt. Solche Reflektoren werden auch Retroreflektoren genannt.