Dálkové laserové měření vzdálenosti

Laserový měřicí systém geodetické observatoře Wettzell v Bavorsku
Satelitní laser pohybuje na satelitní stanice Graz-Lustbühel v provozu

Satelitní laserové měření vzdálenosti ( SLR ; německy as: satelitní laserové měření vzdálenosti ) je vysoce přesná metoda Satellitengeodäsie , při které se pomocí doby přechodu laserového pulzuměřívzdálenost mezi pozemní stanicí a satelitem . Jedná se o obousměrnou metodu měření.

Satelitní laserové měření se používá na jedné straně přesně určit na oběžnou dráhu geodetických družic, a na druhé straně k určení bodů měření zemnění a geodynamiky . Z této změny v zemském těle a zemské rotaci lze odvodit - spolu s dalšími metodami vyšší geodézie .

Odůvodnění

Krátký laserový pulz je generován ve vysílači pozemské stanice a odeslán na satelit prostřednictvím optického systému. Současně se spustí elektronické počítadlo časových intervalů. Pulz odražený satelitem je registrován, zesílen, analyzován a přiváděn do čítače jako zastavovací pulz přijímáním optiky v přijímacím zařízení pozemské stanice.

Zaznamenaný časový interval udává čas letu Δt laserového pulzu a vzdálenost d rychlostí šíření s:

Základní součásti systému měření vzdálenosti na zemi jsou odpovídajícím způsobem:

  1. Generátor a vysílač laserových impulsů včetně optického systému a držáku
  2. Detektor zpětného impulzu a analyzátor včetně přijímacího systému
  3. Zařízení pro měření času pro stanovení doby chodu

K ovládání a monitorování systému a definování epoch pozorování jsou zapotřebí další subsystémy ( počítače , atomové hodiny ).

Jako vesmírný segment jsou požadovány satelity s vhodnými reflektory.

Dějiny

Vývoj pulzních laserů pro sledování satelitů začal v USA již v letech 1961/62 v rámci programu American Explorer . V roce 1964 byl první satelit vybaven laserovými reflektory (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). To bylo vyneseno na oběžnou dráhu v nadmořské výšce 1000 km a sklonu 80 ° 9. října 1964 . První laserová měření vzdálenosti byla provedena v roce 1965 s přesností několika metrů. Explorer 27 (= BE-C) a dva satelity GEOS Explorer 29 a Explorer 36 byly také vybaveny laserovými reflektory.

Pro družicovou geodézii bylo možné použít pouze satelity GEOS : na jedné straně bylo možné orbitální oběžné dráhy družic vypočítat pouze neadekvátně předem, na druhé straně počitadla intervalů pro měření času ještě nebyla dostatečně přesná a počet kvanta odraženého světla byla příliš nízká pro vysoké satelity. Nižší oběžné dráhy znamenají, že se satelit pohybuje příliš rychle po obloze (uběhne jen několik minut) a že jeho oběžná dráha není dostatečně stabilní pro spolehlivé efemeridy . Průlom přišel s vylepšeným řízením a laserovou technologií v kombinaci s přesně definovaným a naprogramovaným časem brány dalekohledu přijímače.

V následujících letech došlo k velmi rychlému pokroku. Přesnost dosáhla asi jednoho metru v polovině 70. let, dnes (2015) je v milimetrovém rozsahu, takže tvar satelitu již hraje hlavní roli. Pokud je laserová ozvěna dostatečně silná, přístroj měří pouze první z vracejících se fotonů. Během denních pozorování - která jsou možná od roku 1995 - je také analyzován větší počet reflexů.

Laserové systémy pro měření vzdálenosti pro satelity byly vyvinuty a instalovány v mnoha částech světa. Často se jednalo o interní vývoj v pracovních skupinách na observatořích. V roce 1986 bylo po celém světě používáno přibližně 50 vysoce výkonných systémů.

Klasifikace laserových systémů

Dosažitelná přesnost měření vzdálenosti úzce souvisí s dobou trvání a rozlišením laserových pulzů.

Platí následující: 1 nanosekunda (ns) = 15 cm

Je obvyklé rozdělit použité laserové systémy do skupin (generací) v závislosti na konceptu a výkonu, přičemž přechody jsou plynulé.

  1. Generace: Délka impulzu 10 až 40 ns odpovídá přesnosti měření vzdálenosti 1,5 až 6 m; většinou rubínové lasery
  2. Generace: Zkrácení doby trvání pulzu na 2–5 ns, což odpovídá 30–120 cm
  3. Generace: Doba pulzu v rozsahu subnanosekundy 0,1 až 0,2 ns, což odpovídá 1,5–3 cm; často Nd: YAG laser

Se zvyšováním přesnosti měřicích systémů vznikají další oblasti použití. Dráhy satelitů lze určit přesněji a lze přispět k geodynamickým problémům (např. Pohyby kůry ), zejména s přesností měření 1–3 cm .

Záblesky světla vyzařované ze země mají krátký výkon v rozsahu gigawattů . Pozorovací činnost musí být proto přesně projednána s řízením letového provozu . Kromě toho existuje automatické vypnutí, pokud se letadlo přiblíží k paprsku.

Laserové měřicí systémy a komponenty

Laserové oscilátory

Srdcem laserového systému pro měření vzdálenosti je samotný laserový oscilátor . Umělé slovo LASER (zesílení světla stimulovanou emisí záření) popisuje opatření pro koherentní zesílení elektromagnetických kmitů v (optické) spektrální oblasti prostřednictvím stimulované emise .

V satelitní geodézii kromě koherence , tj. H. pevný fázový vztah mezi jednotlivými dílčími paprsky, dvě další vlastnosti laserového záření, jmenovitě ostrost vysokého zaostření a vysoká hustota energie . Tímto způsobem je možné přenášet extrémně krátké pulsy s vysokou hustotou energie na velké vzdálenosti.

V satelitní geodézii našly široké použití dva typy laserů, rubínový laser a neodymový YAG (= yttrium-hliník-granát) laser . Systémy 1. a 2. generace jsou téměř výlučně vybaveny rubínovými lasery, systémy 3. generace převážně lasery Nd: YAG.

Další součásti systému

(a) Mount

Aby bylo možné měřit vzdálenost k různým cílům, musí být část laserového vysílače nastavena tak, aby se mohla pohybovat. To lze provést na držáku, který je nastavitelný v azimutu a výšce. Doporučujeme nainstalovat přijímač na stejný držák.

U zařízení 1. generace je běžné připojit laserový oscilátor k držáku, lasery 3. generace jsou velmi citlivé a musí být instalovány v klimatizovaném a bezprašném prostředí. V případě stacionárních laserů se k tomu používá samostatná místnost ( čistá místnost ). Laserové impulsy jsou směrovány do vysílacího dalekohledu pomocí optických vodičů. Držák musí být vyrovnán s pohyblivým cílem s dostatečnou přesností, aby laserový puls zasáhl satelit. Pokud jsou požadavky na přesnost nižší (1. generace), lze sledování provádět ručně pomocí vizuální kontroly. V případě laserů 3. generace, které fungují také v denním provozu, probíhá sledování automaticky na základě předem vypočítaných satelitních efemerid .

b) přijímač světla

Energie laserového pulzu na jednotku plochy klesá na cestě k satelitu a zpět s druhou mocninou vzdálenosti. Signál je navíc oslaben zemskou atmosférou . Navzdory velmi vysoké výstupní energii a silnému zaostření se následně vrací velmi málo energie, takže je vyžadováno velmi výkonné přijímací zařízení pro větší vzdálenosti satelitů.

Přijímací část se skládá z optického systému a elektronického přijímače světla. Jako optické systémy , reflektorové teleskopy nebo dalekohledy přicházejí v úvahu, která se zaměřují na fotony z odraženého laserového pulsu na světelný přijímač . Kvůli většímu aperturnímu poměru jsou preferovány reflektorové dalekohledy s velkou aperturou , zejména proto, že je důležité měření slabých jasů a ne geometrické kvality. Aby se zabránilo interferenci světla, používá se pro frekvenční rozsah laserového světla filtr s úzkou šířkou pásma (Δλ ~ 1 nm) .

Jako elektronického detektoru světla jsou fotodetektory s velmi krátkou dobou náběhu jako fotonásobiče trubky (PMT), mikrokanálové desky -Photomultiplier (MCP-PMT) nebo lavinové fotodiody (APD) je používán. Pro snížení rušivých signálů je fotodetektor aktivován pouze na krátkou, předem vypočítanou dobu Δt od 1 do 10 mikrosekund ( mikrosekund ). Doba náběhu by neměla překročit 100 až 300 ps ( pikosekund ).

c) pulzní analýza

Zpětně odeslaný signál je zdeformován kvůli četným interferencím. Příčiny zahrnují: atmosférické poruchy, superpozice odrazem na několika reflektorech, relativní pohyb vysílače a reflektoru. K určení středu pulzu je nutná pečlivá analýza pulzu. Možných je několik metod. Stanovení těžiště měřením plochy pod křivkou signálu se osvědčilo .

Pokud pracujete na základě jednotlivých fotonů (např. Lunar Laser Ranging , LLR), není pulzní analýza nutná. Poté musí být použity metody, které umožňují rozpoznání a zpracování jednotlivých fotonů.

d) časová základna

K měření doby přechodu se používají elektronické čítače s rozlišením 10 ps. Čítače jsou řízeny standardy atomové frekvence , které se vyznačují vysokou krátkodobou a dlouhodobou stabilitou. Pro takovou časovou základnu přicházejí v úvahu standardy rubidia a cesia i vodíkové masery . Standardy atomové frekvence také definují čas stanice pro nastavení epochy a musí být poté pravidelně porovnávány s časovými službami vyšší úrovně.

e) zpracovat počítač

Hluk během denního pozorování satelitu Jason 1

K předpočtu nastavených hodnot, sledování montáže, monitorování systému, kalibraci a kontrole systémových parametrů, jakož i k přípravě a kontrole dat je zapotřebí výkonný procesní počítač a komplexní systémový software.

f) detektor letadel

V hustě osídlených oblastech a poblíž letišť jsou někdy nutná preventivní opatření, aby se zabránilo průchodu letadla laserovým paprskem. Za tímto účelem může být nainstalován optický systém pro umístění letadel, který automaticky vypne laserový provoz.

g) Analýza času a šumu brány

Moderní dalekohledy SLR používají stejnou optiku pro odesílání a příjem laseru. Přepínání probíhá pomocí doby brány , což je krátká doba, po které lze odražený signál očekávat nejdříve. Používá se také k usnadnění analýzy šumu.

Druhá možnost je nezbytná pro denní pozorování , kde z denního světla dorazí tisíckrát více fotonů než ze satelitní ozvěny. Na opačném obrázku je ukázka šumové analýzy, kde software satelitní stanice Wettzell propouští pouze ty fotony z přijímacího šumu, který se odchyluje od doby brány maximálně o 5 nanosekund.

Družice s laserovými reflektory

LAGEOS (1975), dosud nejdůležitější laserový satelit. Hmotnost 411 kg s průměrem pouhých 60 cm, výška stopy 5 000 km

Laserová měření vzdálenosti lze provádět pouze na satelitech, které jsou vybaveny vhodnými laserovými reflektory . Úkolem reflektorů je odrážet světlo zpět ve stejném směru, ze kterého dopadá. Takové reflektory se také nazývají retroreflektory .

Aby se dosáhlo požadované přesnosti měření, musí být reflektory navrženy velmi pečlivě pro každý tvar satelitu a výšku oběžné dráhy. Reflektor musí být dostatečně velký, aby odrážel dostatek světla. Za tímto účelem se obvykle kombinuje několik jednotlivých reflektorů o průměru 2–4 cm do konkrétních uspořádání (polí). Na správné vzájemné přiřazení jednotlivých reflektorů jsou kladeny velmi vysoké požadavky, aby pulzní deformace v důsledku překrytí signálu byly co nejnižší. Kromě toho musí být známá světelná dráha v reflektoru.

Protože retroreflektory jsou pasivní systémy, které lze relativně snadno instalovat jako doplňkové komponenty na satelity, je jimi nyní vybaveno velké množství kosmických lodí. Většina takto vybavených satelitů se týká použití laserového měření vzdálenosti k získání přesných informací o oběžné dráze pro skutečné satelitní mise. Jelikož však tyto satelity plní další úkoly, nemohou být reflektory uspořádány soustředně k těžišti. Proto musí být vytvořen jasný vztah mezi příslušným reflektorem a satelitním centrem.

U takzvaných laserových satelitů je úkol zaměřit se na laser v popředí. K tomu musí být oběžná dráha satelitu velmi stabilní. Proto jsou laserové satelity vyrobeny z jádra z pevného kovu (někdy dokonce ze zvlášť hustého materiálu, jako je uran ), takže satelit o velikosti fotbalu, jako je Starlette, váží téměř 50 kg. V důsledku toho, že trpí pouze menší obíhají poruchy z negravitačních sil (vysoká atmosféra, lehký tlak, sluneční vítr, atd.), A oběžná dráha může být přesně stanovena - například pro satelitní triangulace nebo pro výpočet gravitační pole zemské .

Z přibližně 20 laserových satelitů vypuštěných od roku 1970 jsou nejdůležitější:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), přibližně 5 000 km vysoká polární dráha , tedy životnost několik milionů let, průměr 60 cm, hmotnost 411 kg (viz obrázek výše)
  • Starlette (Francie, 1975), výška stopy v současné době přibližně 900–1100 km, velikost ≈20 cm, 50 kg
  • LAGEOS 2 (Itálie, 1992), identický s původním LAGEOS, zahájený v rámci mise raketoplánu STS-52
  • Stella (shodná se Starlette), která byla uvedena na trh v roce 1993 evropským nosičem Ariane
  • bulharský satelit (kolem roku 1985) a dva japonské laserové satelity.

Globální síť SLR

V 90. letech byla založena Mezinárodní laserová měřicí služba (zkráceně ILRS) pro mezinárodní koordinaci laserových měření se satelity . ILRS organizuje a koordinuje měření laserového dosahu na podporu globálních geodetických projektů a satelitních misí. Rovněž vyvíjí vhodné standardy a strategie pro měření a analýzu , aby zajistil vysokou a konzistentní kvalitu dat.

Měření stanic SLR, kterých je po celém světě několik desítek, se výpočtově kombinují a vytvářejí přesné geodetické sítě, ze kterých lze odvodit souřadnice a rotaci Země v milimetrovém rozsahu. Mezi základní produkty ILRS patří přesné efemeridy (oběžné dráhy) satelitů LASER, souřadnice a deskové tektonické změny observatoří, variace geocentra a gravitačního pole Země , stejně jako základní konstanty fyziky, zemského měsíce a měsíční oběžná dráha .

K určení posledního se používá tzv. Lunární laserové měření vzdálenosti ( LLR ), tj. Měření vzdálenosti od pozemských stanic k měsíčnímu povrchu. Za tímto účelem se používají některé laserové reflektory, které byly umístěny na Měsíc během misí Apollo a SSSR . U každého emitovaného silného laserového pulzu jsou během těchto měření přijímána pouze jednotlivá světelná kvanta na dvojnásobnou vzdálenost měsíce (přibližně 750 000 km) , takže metoda je celkově velmi složitá. Měření ukázala, že poloměr oběžné dráhy Měsíce se každým rokem zvyšuje o přibližně 40 mm.

Mezinárodní služba rotace Země

Jelikož se všechny laserové observatoře otáčejí kolem zemské osy za 23,9345 hodiny s rotací Země, lze z měření přesně určit prostorovou polohu Země. K tomuto účelu se používá speciální oddělení IERS (International Earth Rotation Service).

Výše uvedená služba ILRS (ILRS: International Laser Ranging Service) poskytuje IERS naměřená data SLR, která byla redukována na jednotný model. Z toho vypočítává v krátkých intervalech tři nejdůležitější parametry rotace Země (ERP), jmenovitě polární souřadnice x, y (průsečík zemské (rotační) osy v Arktidě) a korekce světového času dUT1 (nepravidelnost v zemské rotace ).

Dvojice hodnot (x, y) se lokálně mění ve spirále v rytmu Chandlerova období (asi 430 dní, překrytá obdobím 365 dnů), ale zůstává v okruhu 20 metrů. Hodnota dUT1 se mění většinou monotónně (vždy v jednom směru) a je příčinou tzv. Přestupných sekund , kdy se světový čas UTC upravuje každé 1–3 roky 31. prosince nebo 30. června průměrné rotace Země.

Kombinace se souvisejícími procesy

Aby se překlenula závislost SLR na počasí a zvýšila se přesnost, jsou laserová měření kombinována s jinými metodami. Tyto metody jsou konkrétní

Tyto různé systémy tvoří nepřetržité monitorování Země a jsou kombinovány do nového pozemského referenčního systému v intervalech několika let . Tyto modely Země (viz ITRS a ITRF 2000 ) mají v současné době globální přesnost několika centimetrů. Za několik let bude příští globální model ještě přesnější než ITRF 2005 .

Kromě geodézie jsou všechny tyto základní systémy zásadní i pro jiné disciplíny, zejména pro astronomii , fyziku a vesmírné cestování .

Viz také

Individuální důkazy

  1. ↑ Přehled misí Průzkumníka (National Space Science Data Center of NASA)

webové odkazy

literatura