Satelliittilasersäteily

Laser vaihdellen järjestelmä geodeettisen observatorion Wettzell Baijerissa
Satelliitti laser alaista ja Graz-Lustbühel satelliittiasema- toiminnassa

Satelliittilaserien etäisyyden mittaus ( SLR ; saksa kuin: satelliittilaserien etäisyys ) on erittäin tarkka Satellitengeodäsie- menetelmä, jossa laser-pulssin läpimenoajan avulla mitataanmaa-aseman ja satelliitin välinen etäisyys. Tämä on kaksisuuntainen mittausmenetelmä.

Satelliitti Laser Valikoima sisältää käytetään toisaalta tarkasti määrittää kiertoradan geodeettisten satelliitteja, ja toisaalta määritellä kohtia maa mittauksissa ja geodynamiikan . Tästä muutoksia Maan kehon ja maapallon pyöriminen voidaan johtaa - yhdessä muiden menetelmien korkeampi geodesian .

Perustelu

Lyhyt lasersyke syntyy maa-aseman lähettimestä ja lähetetään satelliitille optisen järjestelmän kautta. Samanaikaisesti käynnistetään elektroninen aikavälilaskuri. Satelliitin heijastama pulssi rekisteröidään, vahvistetaan, analysoidaan ja syötetään laskuriin pysäytyspulssina vastaanottamalla optiikkaa maa-aseman vastaanottavaan laitteeseen.

Tallennettu aikaväli antaa laser-pulssin lentoajan Δt ja etäisyyden d etenemisnopeuden kautta:

Maanmittausjärjestelmän olennaiset osat ovat vastaavasti:

  1. Laserimpulssien generaattori ja lähetin, mukaan lukien optinen järjestelmä ja kiinnike
  2. Paluupulssianturi ja analysaattori vastaanottojärjestelmä mukaan lukien
  3. Ajanmittauslaite ajoajan määrittämiseksi

Järjestelmän hallitsemiseksi ja valvomiseksi sekä havainnointikauden määrittämiseksi tarvitaan muita alijärjestelmiä ( tietokoneita , atomikelloja ).

Avaruussegmenttinä vaaditaan satelliitteja, joissa on sopivat heijastimet.

historia

Pulssilaserien kehittäminen satelliittien seurantaan aloitettiin Yhdysvalloissa jo 1961/62 osana American Explorer -ohjelmaa. Vuonna 1964 ensimmäinen satelliitti varustettiin laserheijastimilla (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Tämä tuotiin kiertoradalle 1000 km : n korkeudelle ja 80 ° : n kaltevuudelle 9. lokakuuta 1964 . Ensimmäiset laseretäisyysmittaukset tehtiin vuonna 1965 muutaman metrin tarkkuudella. Explorer 27 (= BE-C) ja kaksi GEOS- satelliittia Explorer 29 ja Explorer 36 varustettiin myös laserheijastimilla.

Se oli vasta GEOS satelliittien voitaisiin käyttää satelliitin geodesia : toisaalta, The satelliittiratojen voi vain riittämättömästi laskea etukäteen, on toisaalta väli laskurit varten ajan mittauksen eivät olleet vielä riittävän täsmällinen ja lukumäärä heijastuneen valon määrä oli liian matala korkeille satelliiteille. Alemmat kiertoradat tarkoittavat, että satelliitti liikkuu liian nopeasti taivasta pitkin (kuluu vain muutama minuutti) ja että sen kiertorata ei ole riittävän vakaa luotettaville efemeristeille . Läpimurto tuli parannettu ohjaus ja laser-teknologiaa , yhdistettynä tarkasti määritelty ja ohjelmoitu portin aika vastaanottimen kaukoputken.

Seuraavina vuosina edistyttiin erittäin nopeasti. Tarkkuus saavutti noin metrin 1970-luvun puolivälissä, tänään (2015) se on millimetrin alueella, joten satelliitin muodolla on jo tärkeä rooli. Jos laserkaiku on riittävän voimakas, laite mittaa vain ensimmäisen palaavista fotoneista. Päivähavaintojen aikana - jotka ovat olleet mahdollisia noin vuodesta 1995 - analysoidaan myös suurempi määrä refleksejä.

Satelliittien laseretäisyysmittausjärjestelmiä on kehitetty ja asennettu moniin osiin maailmaa. Usein tämä oli sisäistä kehitystä observatorioiden työryhmissä. Vuonna 1986 noin 50 korkean suorituskyvyn järjestelmää oli käytössä ympäri maailmaa.

Laserjärjestelmien luokitus

Saavutettavissa oleva etäisyyden mittaustarkkuus liittyy läheisesti laserpulssien kestoon ja resoluutioon .

Seuraava pätee: 1 nanosekunti (ns) = 15 cm

On tapana jakaa käytetyt laserjärjestelmät ryhmiin (sukupolviin) konseptin ja suorituskyvyn mukaan, jolloin siirtymät ovat sujuvia.

  1. Generaatio: Pulssin kesto 10–40 ns vastaa etäisyyden mittaustarkkuutta 1,5–6 m; enimmäkseen rubiinilasereita
  2. Sukupolvi: Pulssin keston lyhentäminen 2–5 ns: iin, mikä vastaa 30–120 cm
  3. Sukupolvi: Pulssin kesto subnanosekunnin alueella 0,1–0,2 ns, mikä vastaa 1,5–3 cm; usein Nd: YAG-laser

Mittausjärjestelmien tarkkuuden lisääntyessä syntyy lisää käyttöalueita. Satelliittikierrokset voidaan määrittää tarkemmin ja vaikuttaa geodynaamisiin ongelmiin (esim. Maankuoren liikkeisiin ), erityisesti mittaamalla 1–3 cm: n tarkkuuksia .

Maasta tulevan valon välähdyksillä on lyhyt teho gigawattialueella . Siksi tarkkailutoiminnasta on keskusteltava tarkasti lennonjohdon kanssa . Lisäksi on automaattinen sammutus, jos lentokone tulee lähelle sädettä.

Lasermittausjärjestelmät ja komponentit

Laseroskillaattorit

Laseretäisyysmittausjärjestelmän sydän on itse laseroskillaattori . Keinotekoinen sana LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) kuvaa järjestelyjä sähkömagneettisten värähtelyjen koherentille vahvistukselle (optisella) spektrialueella stimuloidun säteilyn kautta .

Satelliittigeodeesiassa koherenssin lisäksi , i. H. kiinteiden vaiheiden suhde yksittäisten osakesäteiden välillä, lasersäteilyn kaksi muuta ominaisuutta, nimittäin korkea tarkennuksen terävyys ja suuri energiatiheys . Tällä tavalla on mahdollista kuljettaa erittäin lyhyitä, suuren energiatiheyden pulsseja suurilla etäisyyksillä.

Satelliittigeodeesiassa kahden tyyppiset laserit ovat löytäneet laajaa käyttöä, rubiinilaseri ja neodyymi-YAG (= yttrium-alumiini-granaatti) laser . Ensimmäisen ja toisen sukupolven järjestelmät on lähes yksinomaan varustettu rubiinilasereilla, kolmannen sukupolven järjestelmät suurelta osin Nd: YAG-lasereilla.

Muut järjestelmän komponentit

a) Mount

Jotta etäisyys muuttuviin kohteisiin voidaan mitata, on lähetinosa asetettava siten, että se voi liikkua. Tämä voidaan tehdä kiinnikkeessä, joka on säädettävissä atsimuutin ja korkeuden mukaan. On suositeltavaa asentaa vastaanotin samaan kiinnikkeeseen.

Ensimmäisen sukupolven laitteilla on yleistä kiinnittää laseroskillaattori telineeseen, kolmannen sukupolven laserit ovat erittäin herkkiä ja ne on asennettava ilmastoituun, pölyttömään ympäristöön. Kiinteiden lasereiden tapauksessa tähän käytetään erillistä tilaa ( puhdasta tilaa ). Laserpulssit ohjataan lähetysteleskooppiin optisten johtimien kautta. Kiinnitys on kohdistettava liikkuvaan kohteeseen riittävän tarkasti, jotta laserpulssi osuu satelliittiin. Jos tarkkuusvaatimukset ovat alhaisemmat (1. sukupolvi), seuranta voidaan suorittaa manuaalisesti visuaalisen tarkistuksen avulla. Kolmannen sukupolven lasereiden kohdalla, jotka toimivat myös päivällä, seuranta tapahtuu automaattisesti ennalta laskettujen satelliittiefemeristien perusteella .

(b) valovastaanotin

Laserpulssin energia pinta-alayksikköä kohti pienenee matkalla satelliittiin ja takaisin etäisyyden neliön kanssa. Lisäksi ilmakehä heikentää signaalia . Huolimatta erittäin suuresta lähtöenergiasta ja vahvasta kohdentamisesta, energiaa palautuu näin ollen hyvin vähän, joten tarvitaan suuritehoisia vastaanottolaitteita suuremmille satelliittietäisyyksille.

Vastaanottava osa koostuu optisesta järjestelmästä ja elektronisesta valovastaanottimesta. Kuten optiset järjestelmät , heijastin kaukoputket tai kaukoputket tulevat huomioon, joka keskittyy fotonit heijastuneen laserin pulssin päälle valon vastaanotin . Suuremman aukkosuhteen vuoksi suuriaukkoiset heijastinteleskoopit ovat edullisia, varsinkin kun heikon kirkkauden mittaaminen ja ei geometrinen laatu ovat tärkeitä. Häiritsevän valon välttämiseksi lasersäteen taajuusalueelle käytetään kapean kaistanleveyden suodatinta (Δλ ~ 1 nm) .

Kuten elektroninen valon ilmaisin ovat valoilmaisimet on erittäin lyhyt nousuaika , kuten valomonistinputken putken (PMT), Mikrokanavalevyt -Photomultiplier (MCP-PMT) tai vyöryfotodiodin (APD) käytetään. Häiritsevien signaalien vähentämiseksi valonilmaisin aktivoituu vain lyhyeksi, ennalta lasketuksi ajanjaksoksi Δt 1 - 10 mikrosekuntia ( mikrosekuntia ). Nousuaika ei saisi ylittää 100-300 ps ( pikosekuntia ).

(c) pulssianalyysi

Palautettu signaali on vääristynyt lukemattomien häiriöiden vuoksi. Syitä ovat: ilmakehän häiriöt, päällekkäisyys heijastamalla useita heijastimia, lähettimen ja heijastimen suhteellinen liike. Pulssin keskipisteen määrittämiseksi tarvitaan huolellinen pulssianalyysi. Useat menetelmät ovat mahdollisia. Painopisteen määrittäminen mittaamalla signaalikäyrän alla oleva alue on osoittautunut toimivaksi .

Jos työskentelet yksittäisten fotonien perusteella (esim. Lunar Laser Ranging , LLR), pulssianalyysiä ei tarvita. Sen jälkeen on käytettävä menetelmiä, joiden avulla yksittäiset fotonit voidaan tunnistaa ja käsitellä.

d) aikaperusta

Elektroniset komponentit, joiden resoluutio on 10 ps käytetään mittaamaan läpikulkuaikaa . Laskureita ohjataan atomitaajuusstandardeilla , joille on tunnusomaista korkea lyhytaikainen ja pitkäaikainen vakaus. Rubidium ja cesium standardeja sekä vety maserit tulevat huomioon tällainen aika-akseli . Atomitaajuusstandardit määrittelevät myös aseman ajan aikakauden asettamiseksi ja niitä on sitten verrattu säännöllisesti korkeamman tason aikapalveluihin.

e) prosessitietokone

Melu Jason 1 -satelliitin tarkkailun aikana päivällä

Tehokas menetelmä tietokoneen ja kattavan järjestelmän ohjelmisto tarvitaan precalculation asetuksesta arvoja, seuranta ja asennuslevyn, järjestelmän seuranta, kalibrointi ja tarkkailun järjestelmän parametrien sekä tietojen valmistelu ja valvonta.

f) ilma-aluksen ilmaisin

Tiheästi asutuilla alueilla ja lähellä lentokenttiä tarvitaan toisinaan varotoimia estämään lentokoneen läpäisy lasersäteen kautta. Tätä tarkoitusta varten voidaan asentaa optinen järjestelmä lentokoneen sijaintia varten, joka kytkee lasertoiminnon automaattisesti pois päältä.

g) portin aika- ja meluanalyysi

Moderneissa järjestelmäkameroissa käytetään samaa optiikkaa laserin lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Kytkentä tapahtuu käyttämällä porttiaikaa , lyhyttä ajanjaksoa, jonka jälkeen heijastuneen signaalin voidaan odottaa aikaisintaan. Sitä käytetään myös meluanalyysin helpottamiseen.

Jälkimmäinen on välttämätöntä päivähavainnoille , joissa päivänvalosta saapuu tuhat kertaa enemmän fotoneja kuin satelliitin kaikusta. Vastakkaisessa kuvassa on esimerkki kohina-analyysistä, jossa Wettzell- satelliittiaseman ohjelmisto päästää läpi vain ne vastaanoton kohinasta peräisin olevat fotonit , jotka poikkeavat portin ajasta enintään 5 nanosekuntia.

Satelliitit, joissa on laserheijastimet

LAGEOS (1975), tähän mennessä tärkein lasersatelliitti. Paino 411 kg, halkaisija vain 60 cm, radan korkeus 5000 km

Lasermatkailumittaukset voidaan suorittaa vain satelliiteille, jotka on varustettu sopivilla laserheijastimilla . Heijastimien tehtävänä on heijastaa valoa takaisin samaan suuntaan, josta se tapahtuu. Tällaisia ​​heijastimia kutsutaan myös heijastimiksi .

Halutun mittaustarkkuuden saavuttamiseksi heijastimet on suunniteltava erittäin huolellisesti jokaiselle satelliitin muodolle ja kiertoradan korkeudelle. Heijastimen on oltava riittävän suuri heijastamaan tarpeeksi valoa. Tätä tarkoitusta varten useita yksittäisiä heijastimia, joiden halkaisija on 2–4 cm, yhdistetään yleensä tiettyihin järjestelyihin (matriisit). Yksittäisten heijastimien keskinäiselle kohdentamiselle asetetaan erittäin korkeat vaatimukset, jotta signaalin päällekkäisyydestä johtuvat pulssin muodonmuutokset voidaan pitää mahdollisimman pieninä. Lisäksi heijastimen valopolku on tunnettava.

Koska heijastimet ovat passiivisia järjestelmiä, jotka voidaan asentaa suhteellisen helposti lisäkomponenteina satelliitteihin, suuri osa avaruusaluksista on nyt varustettu niillä. Useimmat tällä tavalla varustetut satelliitit käyttävät laseretäisyysmittauksia saadakseen tarkat kiertoradatiedot varsinaisille satelliittitehtäville. Koska nämä satelliitit kuitenkin suorittavat muita tehtäviä, heijastimia ei voida järjestää keskitetysti massakeskipisteeseen. Siksi sopivan heijastimen ja satelliittikeskuksen välillä on luotava selkeä suhde.

Niin sanottujen lasersatelliittien kohdalla laseretäisyys on etualalla. Tätä varten satelliitin kiertoradan on oltava erittäin vakaa. Siksi lasersatelliitit on rakennettu ytimestä, joka on valmistettu kiinteästä metallista (joskus jopa erityisen tiheästä materiaalista, kuten uraanista ) niin, että jalkapallokokoinen satelliitti, kuten Starlette, painaa lähes 50 kg. Tämän seurauksena, se kärsii vain vähäisiä kiertoradalla häiriöt peräisin ei-painovoiman voimia (korkea-ilmakehässä, kevyt paine, aurinko- tuuli, jne.), Ja rata voidaan määrittää täsmällisesti - esimerkiksi satelliitti triangulaatiota tai laskemiseksi maan painovoimakentän .

Noin 20: stä vuodesta 1970 lähtien käynnistetystä lasersatelliitista tärkeimmät ovat:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), noin 5000 km korkea polaarinen kiertorata , joten sen käyttöikä on useita miljoonia vuosia, halkaisija 60 cm, massa 411 kg (katso kuva yllä)
  • Starlette (Ranska, 1975), radan korkeus tällä hetkellä noin 900–1100 km, koko ≈20 cm, 50 kg
  • Lageos 2 (Italia, 1992), identtinen alkuperäisen lageos käynnistettiin osana avaruussukkula mission STS-52
  • Stella (identtinen Starletten kanssa), lanseerattiin vuonna 1993 eurooppalaisella Ariane- kantoraketilla
  • bulgarialainen satelliitti (noin vuonna 1985) ja kaksi japanilaista lasersatelliittia.

Globaali järjestelmäkameraverkko

Kansainvälinen laseretäisyyspalvelu (lyhennetty ILRS) perustettiin 1990-luvulla lasermittausten kansainväliseen koordinointiin satelliittien kanssa . ILRS järjestää ja koordinoi laseretäisyysmittauksia maailmanlaajuisten geodeettisten projektien ja satelliittitehtävien tukemiseksi. Hän kehittää myös sopivat standardit ja strategiat mittaamista ja analysointia varten tietojen korkean ja tasaisen laadun varmistamiseksi.

Mittausten SLR asemat, joita on muutamia kymmeniä maailmanlaajuisesti, ovat laskennallisesti yhdistetään muodostamaan tarkka kartoitus verkkoja, joista koordinaatit ja maan pyöriminen millimetrialueella voidaan johtaa. Perustavanlaatuinen tuotteet ILRS ovat tarkka ephemeris (radat) LASER satelliittien koordinaatit ja Laattatektoniikka muutoksia observatorioiden, muunnelmia geocenter ja maan painovoimakentän , sekä perus- vakioita ja fysiikan maan kuu ja kuun kiertorata .

Viimeksi mainitun määrittämiseksi käytetään niin sanottua Lunar Laser Ranging ( LLR ) eli etäisyyden mittausta maanpäällisistä asemista kuun pintaan. Tätä tarkoitusta varten käytetään joitain laserheijastimia , jotka asetettiin kuuhun Apollo-tehtävien aikana ja Neuvostoliiton . Jokaisesta voimakkaasta lasersäteestä lähetetään näiden mittausten aikana vain yksittäiset valokvantit kahdesti kuun etäisyydellä (noin 750 000 km) , joten menetelmä on kokonaisuutena hyvin monimutkainen. Mittaukset osoittivat, että kuun kiertoradan säde kasvaa noin 40 mm vuodessa.

Kansainvälinen maan kiertopalvelu

Koska kaikki laser-observatoriot pyörivät maan akselin ympäri 23,9345 tunnissa maan pyörimisen myötä , maapallon alueellinen sijainti voidaan määrittää tarkasti mittauksista. Tähän tarkoitukseen käytetään IERS: n (International Earth Rotation Service) erityisosastoa .

Edellä mainittu ILRS- palvelu (ILRS: International Laser Ranging Service) toimittaa IERS: lle mitatut järjestelmäkameratiedot, jotka on supistettu yhtenäiseksi malliksi. Tämän perusteella se laskee kolme tärkeintä maan kiertoparametriä (ERP) lyhyin väliajoin , nimittäin napakoordinaatit x, y (maapallon (kiertävän) akselin leikkauspiste arktisella alueella) ja maailmanajan korjaus dUT1 ( maapallon pyöriminen ).

Arvopari (x, y) vaihtelee paikallisesti spiraalissa Chandler-jakson rytmissä (noin 430 päivää, 365 päivän jakson peittämä), mutta pysyy 20 metrin ympyrässä. DUT1: n arvo muuttuu enimmäkseen yksitoikkoisesti (aina yhteen suuntaan) ja on syy ns. Harppaussekunneille , joilla UTC- maailmansäätö säädetään 1–3 vuoden välein maan keskimääräisestä pyörimisestä 31. joulukuuta tai 30. kesäkuuta.

Yhdistelmä siihen liittyvien prosessien kanssa

Järjestelmäkameran sääriippuvuuden poistamiseksi ja tarkkuuden lisäämiseksi lasermittaukset yhdistetään muihin menetelmiin. Nämä menetelmät ovat erityisiä

Nämä erilaiset järjestelmät muodostavat maapallon keskeytymättömän seurannan ja yhdistetään uudeksi maanpäälliseksi vertailujärjestelmäksi usean vuoden välein . Nämä maapallon mallille (ks ITRS ja ITRF 2000 ) on tällä hetkellä maailmanlaajuinen tarkkuuksia muutaman senttimetrin. Muutaman vuoden kuluttua seuraava globaali malli on jopa tarkempi kuin ITRF 2005 .

Geodeesian lisäksi kaikki nämä perusjärjestelmät ovat perustavanlaatuisia myös muille tieteenaloille, erityisesti tähtitieteelle , fysiikalle ja avaruusmatkalle .

Katso myös

Yksittäiset todisteet

  1. ↑ Katsaus Explorer-tehtäviin (NASA: n kansallinen avaruustieteen tietokeskus)

nettilinkit

kirjallisuus