Satellite Laser Ranging (SLR)
Um Entfernungen mit Lasern zu messen, werden kurze Lichtpulse in den Weltraum ausgesendet.
Nachdem in den 1960er Jahren leistungsstarke Pulslaser entwickelt wurden, waren die Voraussetzungen geschaffen, Entfernungen zu künstlichen Satelliten genauer als zuvor zu messen.
Man sendet einen kurzen Laserpuls durch ein Teleskop zu einem Satelliten oder zum Mond. Dort wird das Licht über Reflektoren (Tripelprismen) wieder in das Teleskop zurückgeleitet, wo der Puls detektiert wird. Die Pulslaufzeit wird gemessen. Die Lichtgeschwindigkeit ist bekannt; deshalb kann aus der Zeit, die zwischen Senden und Empfangen des Laserpulses vergeht, die Strecke berechnet werden, die das Licht zurückgelegt hat. Daraus kann wiederum der Abstand zum Satelliten, respektive zum Mond, abgeleitet werden.
Mit diesen Messungen von verschiedenen global verteilten Stationen können Satellitenbahnen, die Erdrotation, die Koordinaten der Beobachtungstationen und das Massenzentrum der Erde sehr genau bestimmt werden. Messungen zu Satelliten dienen beispielsweise als unabhängiges Überprüfungsverfahren für deren Bahnen, die sowohl für Navigationssysteme als auch für Erdbeobachtungssatelliten gebraucht werden.
Für Laserentfernungsmessungen werden benötigt:
Messprinzip Laser Ranging
- ein Laser, der kurze, lichtstarke Pulse erzeugt
- ein Teleskop, mit dem die Laserpulse auf das Ziel geleitet werden
- ein Detektor, der aus dem abgehenden Laserpuls einen Start- und aus dem rückkehrenden Strahl einen Stopp-Puls liefert
- eine Stoppuhr, die die Laufzeit zwischen den Pulsen misst
Schwierige Randbedingungen
Die Komplexität des Messverfahrens ist durch die schwierigen Randbedingungen gegeben. Das Ziel ist sehr weit weg, es bewegt sich sehr schnell, und die Messgenauigkeit soll besser als ein Zentimeter sein. Daraus resultieren folgende Anforderungen an das Messsystem:
- Das Lasersystem muss sehr kurze, leistungsstarke Pulse liefern; das reflektierte Signal ist dennoch nur sehr schwach (wenige Photonen, im Extremfall 1 Photon).
- Die Nachführung muss sehr präzise sein, um das sich schnell bewegende und sehr weit entfernte Ziel, das zudem sehr klein ist, zu treffen.
- Der Detektor muss sehr empfindlich sein und auf Einzelphotonen ansprechen. Im Bereich weniger Pikosekunden muss er definierte Messpulse liefern.
- Die Laufzeitmessung muss auf wenige Pikosekunden genau erfolgen.
Beobachtete Objekte
300 bis 20 000 km über der Erde
Satelliten müssen mit Retroreflektoren bestückt sein, um eine Entfernungsmessung mittels Laser zu ermöglichen. Es sind derzeit über 70 Satelliten und 5 Mondreflektoren zu beobachten. Dazu zählen:
- Geodätische Satelliten (Larets, Stella, Starlette, Ajisai, Lageos, Etalon, ...)
- Schwerefeld-Satelliten (Grace)
- Altimetrie-Satelliten (TerraSAR-X, TanDEM-X, Cryosat, Jason, ...)
- Navigationssatelliten (GPS, GLONASS, Compass, Galileo)
Die für Laserentfernungsmessungen aktuell zur Verfügung stehenden Satelliten zeigt eine Liste
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Bis zum Mond und zurück
Bei den amerikanischen Apollo- und den russischen Luna-Missionen sind Retroreflektoren auf dem Mond zurückgelassen worden, um Entfernungsmessungen zu ermöglichen. Während es sich bei Apollo-Reflektoren um fest installierte Paneele handelt, befinden sich die russischen Reflektoren auf den Lunochod-Mondfahrzeugen, die nach Ende der Mission als Target dienten.
Derzeit sind nur die Stationen Grasse, McDonald, Apollo, Matera und Wettzell in der Lage, Messungen bis zum Mond durchzuführen. Dabei können folgende Reflektoren angezielt werden:
- Apollo 11 (Mare Tranquilitatis)
- Apollo 14 (Fra Mauro)
- Apollo 15 (Hadley Rille)
- Luna 17 (Mare Imbrium)
- Luna 21 (Mare Serenitatis)
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Beobachtungsstationen
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Laserentfernungsmessungen zu Satelliten werden heute auf 40 - 50 weltweit verteilten Stationen durchgeführt. Die Aktivitäten werden durch den Internationalen Laser Ranging Service (ILRS) gebündelt, der auch den Datenfluss und die Auswertung koordiniert sowie die Ergebnisse als ILRS-Produkte veröffentlicht. In Europa haben sich die Stationen zusätzlich zu dem EUROLAS Consortium of the European Laser Ranging Stations zusammengeschlossen. Das DGFI in München betreibt seit 1991 das EUROLAS Data Center (EDC)
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