Laserentfernungsmessungen zu künstlichen Erdsatelliten und zum Mond

Nachdem in den 60er Jahren leistungsstarke Impulslaser entwickelt wurden, waren die Voraussetzungen geschaffen, ein genaues Entfernungsmesssystem zu bauen, mit dem Entfernungen zu künstlichen Erdsatelliten genauer als je zuvor gemessen werden konnten.

Messprinzip:

Man sendet einen kurzen Laserpuls zu einem künstlichen Satelliten. Dort wird das Licht über geeignete Reflektoren (z.B. Tripelprismen) wieder zurück geleitet.

Laserentfernungsmessungen zu künstlichen Satelliten

Am Ausgangspunkt startet der ausgehende Laserpuls eine Stoppuhr, das zurückkehrende Licht löst einen Stoppuls aus. Die gemessene Zeit ist die Laufzeit des Lichtpulses. Diese Laufzeit mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert ergibt eine Strecke, die der doppelten Entfernung vom Messsystem zum Satelliten entspricht. Da das Licht durch die Atmosphäre läuft, sind noch Korrekturen anzubringen, die die Refraktion des Lichtes berücksichtigen. Das Verfahren ist den allgemein bekannten Radarverfahren vergleichbar und ist auf den ersten Blick einfach.

Benötigt werden:

• ein Laser, der kurze, lichtstarke Impulse erzeugt,
• ein Teleskop, mit dem die Laserpulse auf das Ziel, den Satelliten oder gar auf Reflektoren auf dem Mond geleitet werden,
• ein Detektor, der aus dem abgehenden Lichtpuls einen Startpuls ableitet und aus dem rückkehrenden einen Stoppuls liefert,
• eine Stoppuhr, die die Laufzeit zwischen den Pulsen misst,
• eine Uhr, die die Epoche liefert, wann genau die Messung zum bewegten Ziel erfolgte,
• ein Steuerrechner, der die notwendigen Prozesse steuert und schließlich die Beobachtungen registriert.

Zur Nachführung des Satelliten mit dem Teleskop müssen Einstellwerte für das Teleskop (Azimut und Elevation) als zeitliche Abfolge berechnet werden. Aus meteorologischen Ortsdaten (Wetterdaten) müssen Refraktionskorrekturen berechnet und angebracht werden, um den Einfluss der Atmosphäre zu berücksichtigen.

Da die Start- und Stoppzeiten nicht genau auf den Bezugspunkt bezogen gemessen werden können, sind für das Messsystem spezifische Korrekturwerte zu berücksichtigen.

Die Komplexität des Messverfahrens liegt in den schwierigen Randbedingungen.

1. Das Ziel ist sehr weit weg.
2. Es bewegt sich sehr schnell.
3. Die Messgenauigkeit soll besser als ein Zentimeter sein.

• Das Lasersystem liefert kurze, leistungsstarke Pulse, das reflektierte Signal ist nur sehr, 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.
• Das Laufzeitmesssystem muss die Laufzeit auf wenige Pikosekunden bestimmen können.

Mit solchen Anforderungen bewegt man sich auch heute noch im Grenzbereich des technisch Machbaren.

Geodätischer Satellit LAGEOS I / II

Die Anzahl der reflektierten Photonen in Abhängigkeit der verschiedenen Systeme, der atmosphärischen Parameter und der Satellitenparameter kann man sich mit folgender Programmroutine berechnen lassen:

SLR Link Budget Evaluation

Weitere Informationen sind in einem Vortrag des Fördervereins Geodätisches Informationszentrum Wettzell e.V. zu finden, der als pdf-Datei zur Verfügung steht:

Von der FLAK zum SOS - Laser-Entfernungsmessungen in Wettzell