Спутниковая лазерная локация

Система лазерной локации геодезической обсерватории Веттцелль в Баварии
Спутниковый лазерной локации от спутниковой станции Грац-Lustbühel в эксплуатации

Спутниковая лазерная локация ( SLR ; по-немецки: спутниковая лазерная локация ) - это высокоточный метод Satellitengeodäsie , в котором с помощью времени прохождения лазерного импульсаизмеряетсярасстояние между наземной станцией и спутником . Это двусторонний метод измерения.

Спутниковый лазерной локации используется с одной стороны , чтобы точно определить , на орбиту геодезических спутников, а с другой стороны , чтобы определить точки в измерениях земных и геодинамики . Из этого можно вывести изменения земного тела и вращения Земли - вместе с другими методами высшей геодезии .

Обоснование

Короткий лазерный импульс генерируется в передатчике наземной станции и отправляется на спутник через оптическую систему. Одновременно запускается электронный счетчик временных интервалов. Отраженный спутником импульс регистрируется, усиливается, анализируется и подается на счетчик как импульс остановки приемной оптикой в ​​приемном устройстве наземной станции.

Записанный интервал времени дает время пролета Δt лазерного импульса и расстояние d через скорость распространения с:

Основными компонентами системы измерения расстояний на земле являются:

  1. Генератор и передатчик лазерных импульсов, включая оптическую систему и крепление.
  2. Детектор и анализатор возвратных импульсов , включая приемную систему
  3. Устройство измерения времени для определения времени работы

Для управления и мониторинга системы и определения эпох наблюдений требуются дополнительные подсистемы ( компьютеры , атомные часы ).

В качестве космического сегмента требуются спутники с подходящими отражателями.

история

Разработка импульсных лазеров для слежения за спутниками началась в США еще в 1961/62 году в рамках программы American Explorer . В 1964 году первый спутник был оснащен лазерными отражателями (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Он был выведен на орбиту высотой 1000 км и углом наклона 80 ° 9 октября 1964 года . Первые лазерные измерения расстояний были сделаны в 1965 году с точностью до нескольких метров. Explorer 27 (= BE-C) и два спутника GEOS Explorer 29 и Explorer 36 также были оснащены лазерными отражателями.

Для спутниковой геодезии можно было использовать только спутники GEOS : с одной стороны, орбиты спутников можно было только неправильно рассчитать заранее, с другой стороны, счетчики интервалов для измерения времени еще не были достаточно точными, а количество кванты отраженного света были слишком малы для высоких спутников. Более низкие орбиты означают, что спутник движется по небу слишком быстро (проходит всего несколько минут) и что его орбита недостаточно стабильна для надежных эфемерид . Прорыв произошел с улучшенным управлением и лазерной технологией в сочетании с точно определенным и запрограммированным временем стробирования телескопа-приемника.

В последующие годы был достигнут очень быстрый прогресс. В середине 1970-х точность достигала около одного метра, сегодня (2015) она находится в миллиметровом диапазоне, так что форма спутника уже играет важную роль. Если лазерное эхо достаточно сильное, прибор измеряет только первый из возвращающихся фотонов. Во время дневных наблюдений, которые стали возможны примерно с 1995 г., также анализируется большее количество рефлексов.

Лазерные системы измерения расстояний для спутников были разработаны и установлены во многих частях мира. Часто это были собственные разработки рабочих групп при обсерваториях. В 1986 году по всему миру использовалось около 50 высокопроизводительных систем.

Классификация лазерных систем

Достижимая точность измерения расстояния тесно связана с длительностью и разрешением лазерных импульсов.

Применяется следующее: 1 наносекунда (нс) = 15 см

Используемые лазерные системы принято разделять на группы (поколения) в зависимости от концепции и характеристик, при этом переходы плавные.

  1. Генерация: длительность импульса от 10 до 40 нс соответствует точности измерения расстояния от 1,5 до 6 м; в основном рубиновые лазеры
  2. Генерация: сокращение длительности импульса до 2–5 нс, что соответствует 30–120 см.
  3. Генерация: длительность импульса в субнаносекундном диапазоне от 0,1 до 0,2 нс, что соответствует 1,5–3 см; часто Nd: YAG лазер

С повышением точности измерительных систем появляются новые области применения. Спутниковые орбиты могут быть определены более точно, и можно внести вклад в геодинамические вопросы (например, движения земной коры ), особенно с точностью измерения 1–3 см .

Вспышки света, испускаемые землей, имеют кратковременную мощность в диапазоне гигаватт . Следовательно, деятельность по наблюдению должна быть точно согласована с авиадиспетчером . Кроме того, есть автоматическое отключение, если самолет приближается к лучу.

Лазерные измерительные системы и компоненты

Лазерные генераторы

Сердцем лазерной системы измерения расстояния является сам лазерный генератор . Искусственное слово LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) описывает устройства для когерентного усиления электромагнитных колебаний в (оптической) области спектра посредством вынужденного излучения .

В спутниковой геодезии, помимо когерентности , т. ЧАС. фиксированное фазовое соотношение между отдельными частичными лучами, два дополнительных свойства лазерного излучения, а именно высокая резкость фокуса и высокая плотность энергии . Таким образом можно передавать чрезвычайно короткие импульсы с высокой плотностью энергии на большие расстояния.

В спутниковой геодезии получили широкое распространение два типа лазеров: рубиновый лазер и неодим-YAG (иттрий-алюминиевый гранат) лазер . Системы 1-го и 2-го поколения почти полностью оснащены рубиновыми лазерами, а системы 3-го поколения - в основном лазерами Nd: YAG.

Другие компоненты системы

(количество

Чтобы иметь возможность измерять расстояние до переменных целей, часть лазерного передатчика должна быть настроена так, чтобы она могла двигаться. Это можно сделать на креплении, которое регулируется по азимуту и высоте. Желательно установить приемник на такое же крепление.

В устройствах 1-го поколения обычно прикрепляют лазерный генератор к креплению, лазеры 3-го поколения очень чувствительны и должны устанавливаться в кондиционируемой среде без пыли. В случае стационарных лазеров для этого используется отдельная комната ( чистая комната ). Лазерные импульсы направляются в передающий телескоп по оптическим проводам. Крепление должно быть совмещено с движущейся целью с достаточной точностью, чтобы лазерный импульс попал в спутник. Если требования к точности ниже (1-е поколение), отслеживание может выполняться вручную посредством визуальной проверки. В случае лазеров 3-го поколения, которые также работают в дневное время, слежение происходит автоматически на основе предварительно рассчитанных эфемерид спутников .

(б) светоприемник

Энергия лазерного импульса на единицу площади уменьшается на пути к спутнику и обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме того, сигнал ослабляется атмосферой Земли . Несмотря на очень высокую выходную энергию и сильную фокусировку, следовательно, возвращается очень мало энергии, так что для больших расстояний между спутниками требуется очень мощное приемное устройство.

Приемная часть состоит из оптической системы и электронного светоприемника. В оптических системах , отражательные телескопы или телескопы приходят во внимание, что фокус на фотонах отраженного лазерного импульса на оптический приемник . Из-за большей светосилы предпочтительны рефлекторные телескопы с большой апертурой , особенно потому, что важно измерение слабой яркости, а не геометрическое качество. Чтобы избежать мешающего света, используется фильтр с узкой полосой пропускания (Δλ ~ 1 нм) для частотного диапазона лазерного излучения.

В качестве электронного детектора света используются фотодетекторы с очень коротким временем нарастания, такие как фотоумножитель (ФЭУ), микроканальные пластины - фотоумножитель (MCP-PMT) или лавинный фотодиод (APD). Чтобы уменьшить мешающие сигналы , фотодетектор активируется только на короткий предварительно рассчитанный период времени Δt от 1 до 10 микросекунд ( микросекунд ). Время нарастания не должно превышать от 100 до 300 пс ( пикосекунд ).

(c) импульсный анализ

Отправляемый сигнал искажается из-за множества помех. Причины включают: атмосферные возмущения, наложение отражением на несколько отражателей, относительное перемещение передатчика и отражателя. Для определения центра пульса требуется тщательный анализ пульса. Возможны несколько методов. Установление центра тяжести путем измерения площади под кривой сигнала зарекомендовало себя .

При работе на основе одиночных фотонов (например, Lunar Laser Ranging , LLR) анализ импульсов не требуется. Затем необходимо использовать методы, позволяющие распознавать и обрабатывать отдельные фотоны.

(d) временная база

Электронные счетчики с разрешением 10 пс используются для измерения времени прохождения . Счетчики управляются атомными стандартами частоты , которые характеризуются высокой кратковременной и долговременной стабильностью. Рубидий и цезий стандарты, а также водород мазеры приходят в расчет для такой временной базы . Атомарные стандарты частоты также определяют время станции для установки эпохи, и затем их необходимо регулярно сравнивать со службами времени более высокого уровня.

(e) рабочий компьютер

Шум при дневных наблюдениях за спутником Jason 1

Для предварительного расчета значений уставок, отслеживания монтажа, системного мониторинга, калибровки и проверки системных параметров, а также для подготовки данных и контроля требуются мощный технологический компьютер и комплексное системное программное обеспечение.

(f) детектор самолетов

В густонаселенных районах и около аэропортов иногда требуются меры предосторожности, чтобы лазерный луч не пролетел сквозь них. Для этого может быть установлена ​​оптическая система определения местоположения самолета, которая автоматически отключает работу лазера.

(g) Время стробирования и анализ шума

Современные телескопы SLR используют одну и ту же оптику для отправки и приема лазера. Переключение происходит с использованием времени стробирования , короткого промежутка времени, по истечении которого отраженный сигнал может ожидаться как можно раньше. Он также используется для облегчения анализа шума.

Последнее важно для дневных наблюдений , когда в тысячу раз больше фотонов приходит с дневным светом, чем от спутникового эха. На рисунке , расположенном рядом показан пример анализа шума, где программное обеспечение Wettzell спутниковой станции позволяет только через эти фотоны от приема шума , которые отличаются от времени затвора не более чем на 5 наносекунд.

Спутники с лазерными отражателями

LAGEOS (1975), самый важный на сегодняшний день лазерный спутник. Масса 411 кг при диаметре всего 60 см, высота трассы 5000 км.

Лазерные измерения расстояния могут выполняться только до спутников, оснащенных подходящими лазерными отражателями . Задача отражателей - отражать свет в том же направлении, откуда он падает. Такие отражатели еще называют ретрорефлекторами .

Для достижения желаемой точности измерения отражатели должны быть очень тщательно спроектированы для каждой формы спутника и высоты орбиты. Отражатель должен быть достаточно большим, чтобы отражать достаточно света. Для этого несколько отдельных отражателей диаметром 2–4 см обычно объединяются в определенные устройства (решетки). К правильному взаимному расположению отдельных отражателей предъявляются очень высокие требования, чтобы свести к минимуму деформации импульсов из-за перекрытия сигналов. Кроме того, необходимо знать путь света в отражателе.

Поскольку ретрорефлекторы представляют собой пассивные системы, которые можно относительно легко установить в качестве дополнительных компонентов на спутники, в настоящее время ими оснащено большое количество космических аппаратов. Большинство спутников, оборудованных таким образом, используют лазерные измерения расстояния для получения точной информации об орбите для реальных спутниковых миссий. Однако, поскольку эти спутники выполняют другие задачи, отражатели не могут быть расположены концентрично центру масс. Следовательно, необходимо установить четкую взаимосвязь между соответствующим отражателем и центром спутника.

В случае так называемых лазерных спутников задача лазерной локации находится на переднем плане. Для этого орбита спутника должна быть очень стабильной. Вот почему лазерные спутники построены с сердечником из твердого металла (иногда даже из особо плотного материала, такого как уран ), так что спутник размером с футбольный мяч, такой как Starlette, весит почти 50 кг. В результате он испытывает лишь незначительные возмущения орбиты из -за негравитационных сил (высокая атмосфера, световое давление, солнечный ветер и т. Д.), А орбита может быть точно определена - например, для спутниковой триангуляции или для расчета гравитационного поля Земли .

Из примерно 20 лазерных спутников, запущенных с 1970 года, наиболее важными являются:

  • LAGEOS ( спутник лазерной геодинамики , США, 1975 г.), высота полярной орбиты около 5000 км , следовательно, срок службы несколько миллионов лет, диаметр 60 см, масса 411 кг (см. Рисунок выше)
  • Starlette (Франция, 1975 г.), высота трассы в настоящее время около 900–1100 км, размер ≈20 см, 50 кг.
  • LAGEOS 2 (Италия, 1992 г.), идентичный оригинальному LAGEOS, запущен в рамках миссии космического челнока STS-52
  • Stella (идентично Starlette), запущенная в 1993 году с европейской пусковой установки Ariane.
  • болгарский спутник (около 1985 г.) и два японских лазерных спутника.

Глобальная сеть SLR

Международная служба лазерной локации (сокращенно ILRS) была основана в 1990-х годах для международной координации лазерных измерений со спутниками . ILRS организует и координирует лазерные измерения дальности для поддержки глобальных геодезических проектов и спутниковых миссий. Он также разрабатывает подходящие стандарты и стратегии для измерения и анализа , чтобы гарантировать высокое и стабильное качество данных.

Измерения SLR-станций, которых во всем мире насчитывается несколько десятков, вычислительно комбинируются для формирования точных геодезических сетей, из которых могут быть получены координаты и вращение Земли в миллиметровом диапазоне. Основные продукты ILRS включают точные эфемериды (орбиты) спутников LASER, координаты и тектонические изменения плит обсерваторий, вариации геоцентра и гравитационного поля Земли , а также фундаментальные константы физики, Луны Земли и лунная орбита .

Так называемый лунный лазерный дальномер ( LLR ), то есть измерение расстояния от наземных станций до поверхности Луны , используется для определения последней . Для этого используются некоторые лазерные отражатели , которые были размещены на Луне во время миссий Аполлон и СССР . Для каждого излучаемого мощного лазерного импульса во время этих измерений принимаются только отдельные кванты света на расстоянии вдвое больше луны (примерно 750 000 км) , так что в целом метод очень сложен. Измерения показали, что радиус лунной орбиты ежегодно увеличивается примерно на 40 мм.

Международная служба вращения Земли

Поскольку все лазерные обсерватории вращаются вокруг оси Земли за 23,9345 часа с вращением Земли , пространственное положение Земли может быть точно определено на основе измерений. Для этого используется специальный отдел IERS (Международной службы вращения Земли).

Вышеупомянутая служба ILRS (ILRS: International Laser Ranging Service) предоставляет IERS измеренные данные SLR, которые были сведены к единой модели. Исходя из этого, он рассчитывает три наиболее важных параметра вращения Земли (ERP) с короткими интервалами , а именно полярные координаты x, y (точка пересечения оси вращения Земли в Арктике) и поправку мирового времени dUT1 (неравномерность на вращение Земли ).

Пара значений (x, y) изменяется локально по спирали в ритме периода Чандлера (около 430 дней, наложенных на период 365 дней), но остается в пределах 20-метрового круга. Значение dUT1 изменяется в основном монотонно (всегда в одном направлении) и является причиной так называемых дополнительных секунд, на которые мировое время UTC корректируется каждые 1-3 года 31 декабря или 30 июня среднего вращения Земли.

Сочетание со связанными процессами

Чтобы устранить зависимость SLR от погодных условий и повысить точность, лазерные измерения комбинируются с другими методами. Эти методы особенные

Эти различные системы образуют непрерывный мониторинг Земли и объединяются в новую наземную систему отсчета с интервалами в несколько лет . Эти модели Земли (см. ITRS и ITRF 2000 ) в настоящее время имеют общую точность в несколько сантиметров. Через несколько лет следующая глобальная модель будет еще более точной, чем ITRF 2005 .

Помимо геодезии , все эти фундаментальные системы также имеют фундаментальное значение для других дисциплин, в частности, для астрономии , физики и космических путешествий .

Смотри тоже

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Обзор миссий Explorer (Национальный центр космических данных НАСА)

веб ссылки

литература