Laserentfernungsmessung

Engl. laser ranging; hochpräzise Methode zur Bestimmung des Abstands Erde-Mond (Lunar Laser Ranging, LLR) sowie zur Entfernungsmessung zu Satelliten Satellite Laser Ranging, SLR) und zur Positionsbestimmung von Satelliten (Satellitengeodäsie) nach dem Puls-Echo-Verfahren (also mit einer Laufzeitmessung) von einer Bodenstation aus.

Laserdistanzmessungen 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. Da es sich bei Retroreflektoren um passive Systeme handelt, die sich verhältnismäßig einfach als zusätzliche Komponenten an Satelliten installieren lassen, sind heute eine größere Zahl von Raumflugkörpern damit ausgestattet. Bei den meisten so ausgestatteten Satelliten geht es darum, mit Hilfe von Laserdistanzmessungen genaue Bahninformationen für die eigentlichen Satellitenmissionen zu erhalten. Da diese Satelliten jedoch weitere Aufgaben erfüllen, können die Reflektoren nicht konzentrisch zum Massenzentrum angeordnet werden. Deshalb muss eine eindeutige Beziehung zwischen dem jeweils angemessenen Reflektor und dem Satellitenzentrum aufgestellt werden. Eine Liste der Satellitenmissionen, die sich des Laser Rangings bedienen wird vom International Laser Ranging Service vorgehalten.

Neben den Fernerkundungs- oder Navigationssatelliten, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind, gibt es spezielle Lasersatelliten (z.B. LAGEOS, Starlette), bei denen das Laser Ranging im Vordergrund steht. Dafür muss die Satellitenbahn sehr stabil sein. Daher baut man Lasersatelliten mit einem Kern aus Schwermetall, so dass bereits ein fußballgroßer Satellit wie Starlette fast 50 kg wiegt. Er erleidet dadurch nur geringe Bahnstörungen durch nicht-gravitative Kräfte (Hochatmosphäre, Lichtdruck, Sonnenwind etc.), und die Bahn kann genauestens bestimmt werden – zum Beispiel für Satellitentriangulation oder zur Berechnung des Erdschwerefeldes.

Beim Satellite Laser Ranging generiert ein Impulslaser eine Folge pikosekundenlanger Laserpulse, die über ein optisches Teleskop auf einen Satelliten gerichtet sind. Das Teleskop wird dem Satelliten nachgeführt. Der Satellit, ausgestattet mit Retroreflektoren, leitet die Laserpulse wieder zurück zur Bodenstation. Hier werden sie vom Teleskop wieder empfangen und auf einen Detektor geleitet. Die Entfernung berechnet sich aus der Laufzeit, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit. Ein Laufzeitmesssystem erfasst die Laufzeitdifferenz zwischen den ausgesendeten und empfangenen Laserpulsen. Die Messgenauigkeit ist abhängig von der Länge des Laserpulses, dem Detektor und dem Laufzeitmeßsystem. Der Einfluß der Atmosphäre (troposphärische Refraktion) wird modellmäßig berücksichtigt. Neuere Laserentfernungsmeßsysteme nutzen heute zur Bestimmung des atmosphärischen Einflusses simultane Messungen auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Die Laufzeitdifferenz der in der Wellenlänge unterschiedlichen Impulse, die synchron ausgesendet werden, wird mit Streakkameras gemessen. Weltweit gibt es etwa 40 Laserentfernungsmeßsysteme. Die internationale Zusammenarbeit wird im Rahmen des International Laser Ranging Service (ILRS) koordiniert.

Laserentfernungsmessungen zu Satelliten und zum Mond

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 zurück geleitet, wo der Puls detektiert wird.

Am Ausgangspunkt startet der ausgehende Laserpuls eine Stoppuhr, das zurückkehrende Licht löst einen Stopppuls 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.

Quelle: Geodätisches Observatorium Wettzell

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.

Laserentfernungsmeßsysteme erlauben es heute, Entfernungen bis zu geostationären Satelliten mit Zentimetergenauigkeit zu messen. Laserentfernungsmessungen zum Mond (LLR), beruhen auf Laufzeitmessungen von Laserpulsen zu den Reflektoren auf der Mondoberfläche, die von den bemannten Raumfahrtmissionen der Amerikaner zum Mond (Apollo-Missionen 11, 14 und 15) sowie von der sowjetischen automatischen Mondmissionen Lunar 17 und 21 ausgesetzt wurden. Nur sehr leistungsfähige Laserentfernungsmeßsysteme sind in der Lage, die Entfernung zum Mond zu messen.

Die erreichbare Genauigkeit der Zeitmessung (unter 10^-10 s) erlaubt eine Genauigkeit der Entfernungsmessung von unter einem Zentimeter und soll bis auf wenige Millimeter verbessert werden. Zur Auswertung der Daten und der Berechnung der Mondbahn, d.h. der Positionsbestimmung zu beliebigen Zeitpunkten, müssen die Allgemeine Relativitätstheorie verwendet und alle grösseren Körper des Sonnensystems einbezogen werden. Auch die Auswirkungen der Gravitation der Sonne auf die Lichtausbreitung (Laufzeitverlängerung, Strahlkrümmung) ebenso wie die Kontinentaldrift und die Gezeitenverformung der Erde sind bei diesen Genauigkeiten zu berücksichtigen.

Weitere Informationen:

International Laser Ranging Service (NASA, IAG)