Satellite Laser Ranging (SLR)
Ein kosmisch-geodätisches Verfahren zur Bestimmung der Satellitenposition, bei dem die Messung der Flugzeit von Lichtimpulsen zur hochpräzisen Bestimmung der Satellitendistanz genutzt wird.
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.
Dabei werden durch eine Bodenstation ultrakurze Laserimpulse mit Hilfe eines Teleskops auf das zu messende Objekt ausgesandt und reflektierte Signale wieder eingefangen. Die Flugzeit Erde-Satellit-Erde sowie die Sende-Epoche des Laserimpulses werden elektronisch registriert und aus der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann die genaue Entfernung des Satelliten im Moment der Messung errechnet werden. Moderne SLR-Systeme wie das des GFZ (Abb. unten) gestatten dabei Genauigkeiten von besser als einem Zentimeter, unabhängig von der Entfernung des kosmischen Objekts. Die Satelliten-Laserradarstation Potsdam arbeitet seit Januar 2003 kontinuierlich innerhalb des weltweiten ILRS-Netzwerkes. Das SLR-Verfahren wurde 1964 eingeführt und ist nach wie vor eine der genauesten raumgestützten geodätischen Techniken, wobei die Messgenauigkeit kontinuierlich verbessert wurde.
 | SLR-Station des GFZ Potsdam Die Satelliten-Laserradarstation Potsdam arbeitet seit Januar 2003 kontinuierlich innerhalb des weltweiten ILRS-Netzwerkes. Die wissenschaftlichen Hauptbeiträge des SLR sind:
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Zur internationalen Abstimmung der Lasermessungen zu Satelliten wurde in den 1990ern der International Laser Ranging Service (abgek. ILRS) gegründet. Der ILRS organisiert und koordiniert die Laserentfernungsmessungen, um globale geodätische Projekte und Satellitenmissionen zu unterstützen. Er entwickelt auch geeignete Standards und Strategien zur Messung und Analyse, um eine hohe, gleich bleibende Qualität der Daten zu sichern.
Die Messungen der SLR-Stationen, von denen es weltweit einige Dutzend gibt, werden rechnerisch zu präzisen Vermessungsnetzen zusammengeschlossen, woraus Koordinaten und Erdrotation im Millimeter-Bereich abgeleitet werden können. Zu den fundamentalen Produkten des ILRS zählen genaue Ephemeriden (Bahnen) der LASER-Satelliten, die Koordinaten und plattentektonischen Änderungen der Observatorien, Variationen des Geozentrums und des Erdschwerefeldes, sowie Fundamentalkonstanten der Physik, des Erdmondes und der Mondbahn.
Diese hohe Genauigkeit setzt allerdings voraus, dass der Satellit mit einem speziellen Reflektor ausgerüstet ist, welcher die von der Erde ausgesendeten Laserimpulse exakt in die Richtung der Bodenstation zurücksendet. Beispielsweise das Potsdamer GeoForschungsZentrum (GFZ) fertigt seit 1998 derartige Laser-Reflektoren (s. u.), die bereits auf einer Vielzahl von Raumflugmissionen zum Einsatz kamen (u. a. CHAMP, GRACE, SWARM oder TerraSAR-X, zukünftig auch auf der ISS). Dabei müssen die von optischen Firmen wie Zeiss Jena hergestellten Prismen höchsten Ansprüchen an die Fertigungsgenauigkeit genügen, um den durch die Geschwindigkeit des Satelliten hervorgerufenen Effekt der Lichtaberration zu korrigieren, der ansonsten zu einer starken Schwächung des Rückkehrsignals führen würde.
 | Laser-Retro-Reflektor-Array der TSX (TerraSAR-X) und TDX (TanDEM-X) Das Prinzip des Satelliten-Laserradars ist relativ einfach: mittels eines Teleskops werden kurze Laserimpulse in Richtung des Laser-Retroreflektors (LRR) an Bord eines Satelliten abgestrahlt. Ein geringer Teil des Signals wird vom Satelliten reflektiert und vom Teleskop wieder eingefangen. Die Zweiweg-Flugzeit (Erde-Satellit-Erde) wird aus der Empfangs- und Abschusszeit der Pulse an der Station gebildet. Mit der Lichtgeschwindigkeit sowie einiger Korrekturen für den Weg, den das Lichtsignal innerhalb der Erdatmosphäre zurücklegt, kann daraus die exakte Entfernung des Satelliten zur Zeit der Messung abgeleitet werden. Um die Reflektion des Signals über die zum Teil langen Strecken (bis zu 25000 km) zu maximieren, werden besondere Spiegel eingesetzt. Sogenannte Laserretroreflektoren, reflektieren das Licht immer in die Richtung aus der es gekommen ist. Das Prinzip wird auch bei sogenannten "Katzenaugen" für mehr Sicherheit von Radfahrern im Straßenverkehr genutzt. Quelle: GFZ |
Das Verfahren erfordert eine Verbindung von Bodenstation und Satellit, die nicht durch Wolken gestört ist. Abhilfe für dieses Problem schaffen Alternativsysteme wie GPS und Mikrowellensysteme, z.B. PRARE.
Vorteil des Laserverfahrens sind die Kleinheit und der robuste Aufbau des Reflektors am Satelliten, welcher vollkommen passiv arbeitet und selbst nach dem Ausfall der aktiven Systeme des Raumflugkörpers noch funktioniert. Durch die Verwendung nur einer einzigen Stationsuhr für Flugzeit und Sende-Epoche wirken sich geringe Zeitfehler wesentlich weniger als beim GNSS-Verfahren auf die Entfernungsbestimmung aus, sodass SLR als externes Verfahren zur Kalibrierung und Validierung von Mikrowellensystemen auf vielen modernen Missionen zum Einsatz kommt und auch nahezu alle GNSS-Navigationssatelliten mit Laser-Reflektoren ausgerüstet sind.
Weitere zukünftige Einsatzgebiete des SLR-Verfahrens liegen im hochpräzisen Zeitvergleich von Atomuhren auf weit voneinander entfernten Stationen sowie in der Bahnverfolgung von Weltraumschrott mit deutlich besserer Genauigkeit, als das mit herkömmlichen Radarverfahren möglich ist. (GFZ)
Satellite Application Facility (SAF)
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