Alcance de laser de satélite

Sistema de alcance a laser do observatório geodésico Wettzell na Baviera
Satélite de laser que vão da estação de satélite Graz-Lustbühel em operação

O alcance do laser por satélite ( SLR ; alemão como: alcance do laser por satélite ) é um método altamente preciso de Satellitengeodäsie , em que por meio do tempo de trânsito de um pulso de laser, a distância entre uma estação terrestre e um satélite é medida. Este é um método de medição bidirecional.

O Satellite Laser Ranging é usado, por um lado, para determinar com precisão a órbita dos satélites geodésicos e, por outro lado, para determinar pontos em medições terrestres e geodinâmicas . A partir disso, as mudanças no corpo e na rotação da Terra podem ser derivadas - junto com outros métodos de geodésia superior .

Justificativa

Um curto pulso de laser é gerado no transmissor da estação terrestre e enviado ao satélite por meio de um sistema óptico. Ao mesmo tempo, um contador eletrônico de intervalo de tempo é iniciado. O pulso refletido pelo satélite é registrado, amplificado, analisado e enviado ao contador como um pulso de parada, recebendo óptica no dispositivo receptor da estação terrestre.

O intervalo de tempo registrado dá o tempo de voo Δt do pulso de laser e a distância d através da velocidade de propagação com:

Os componentes essenciais do sistema de medição de distância no solo são, portanto:

  1. Gerador e transmissor dos impulsos do laser, incluindo sistema óptico e montagem
  2. Detector de pulso de retorno e analisador, incluindo sistema de recepção
  3. Dispositivo de medição do tempo para determinar o tempo de execução

Para controlar e monitorar o sistema e definir as épocas de observação , outros subsistemas são necessários ( computadores , relógios atômicos ).

Como um segmento espacial, são necessários satélites com refletores adequados.

história

O desenvolvimento de lasers pulsados ​​para rastrear satélites começou nos EUA já em 1961/62 como parte do programa American Explorer . Em 1964, o primeiro satélite foi equipado com refletores de laser (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Ele foi colocado em uma órbita a uma altitude de 1000 km e uma inclinação de 80 ° em 9 de outubro de 1964 . As primeiras medições de distância do laser foram feitas em 1965 com uma precisão de alguns metros. O Explorer 27 (= BE-C) e os dois satélites GEOS Explorer 29 e Explorer 36 também foram equipados com refletores de laser.

Só os satélites GEOS podiam ser usados ​​para geodésia de satélite : por um lado, as órbitas do satélite só podiam ser calculadas de forma inadequada com antecedência, por outro lado, os contadores de intervalo para a medição do tempo ainda não eram precisos o suficiente e o número de os quanta de luz refletida eram muito baixos para satélites altos. Órbitas mais baixas significam que o satélite está se movendo muito rapidamente no céu (apenas alguns minutos se passam) e que sua órbita não é estável o suficiente para uma efeméride confiável . O avanço veio com controle aprimorado e tecnologia de laser , combinados com um tempo de porta precisamente definido e programado do telescópio receptor.

Progresso muito rápido foi feito nos anos que se seguiram. A precisão atingia cerca de um metro em meados da década de 1970, hoje (2015) está na faixa dos milímetros, de modo que o formato do satélite já desempenha um papel importante. Se o eco do laser for forte o suficiente, o aparelho medirá apenas o primeiro dos fótons que retornam. Durante as observações diurnas - possíveis desde cerca de 1995 - também é analisado um maior número de reflexos.

Os sistemas de medição de distâncias a laser para satélites foram desenvolvidos e instalados em muitas partes do mundo. Freqüentemente, eram desenvolvimentos internos em grupos de trabalho em observatórios. Em 1986, cerca de 50 sistemas de alto desempenho estavam em uso em todo o mundo.

Classificação dos sistemas laser

A precisão de medição de distância alcançável está intimamente relacionada à duração e resolução dos pulsos de laser.

O seguinte se aplica: 1 nanossegundo (ns) = 15 cm

É comum dividir os sistemas laser usados ​​em grupos (gerações) dependendo do conceito e desempenho, sendo que as transições são fluidas.

  1. Geração: Uma duração de pulso de 10 a 40 ns corresponde a uma precisão de medição de distância de 1,5 a 6 m; principalmente lasers de rubi
  2. Geração: encurtando a duração do pulso para 2–5 ns, correspondendo a 30–120 cm
  3. Geração: uma duração de pulso na faixa de subnanosegundos de 0,1 a 0,2 ns, correspondendo a 1,5–3 cm; frequentemente Nd: YAG laser

Com o aumento da precisão dos sistemas de medição, surgem outras áreas de aplicação. As órbitas dos satélites podem ser determinadas com mais precisão e as contribuições para questões geodinâmicas (por exemplo, movimentos da crosta terrestre ) podem ser feitas, especialmente com medições de precisão de 1-3 cm .

Os flashes de luz emitidos do solo têm uma breve saída na faixa de gigawatts . Portanto, a atividade de observação deve ser discutida precisamente com o controle de tráfego aéreo . Além disso, há um desligamento automático, caso uma aeronave se aproxime do feixe.

Sistemas e componentes de medição a laser

Osciladores laser

O coração de um sistema de medição de distância a laser é o próprio oscilador de laser.A palavra artificial LASER (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação) descreve arranjos para a amplificação coerente de oscilações eletromagnéticas na região espectral (óptica) por meio de emissão estimulada .

Na geodésia por satélite, além da coerência , i. H. a relação de fase fixa entre os feixes parciais individuais, duas outras propriedades da radiação laser, a saber, a alta nitidez do foco e a alta densidade de energia . Desta forma, é possível transportar pulsos extremamente curtos de alta densidade de energia a grandes distâncias.

Na geodésia de satélite, dois tipos de lasers foram amplamente utilizados, o laser de rubi e o laser de neodímio-YAG (= ítrio-alumínio-granada) . Os sistemas da 1ª e 2ª geração são quase exclusivamente equipados com lasers rubi, os da 3ª geração em grande parte com lasers Nd: YAG.

Outros componentes do sistema

(quantia

Para poder medir a distância até alvos variáveis, a parte do transmissor de laser deve ser configurada para que possa se mover. Isso pode ser feito em uma montagem ajustável em azimute e altura. É aconselhável instalar o receptor no mesmo suporte.

Com dispositivos de 1ª geração é comum conectar o oscilador de laser à montagem, os lasers de 3ª geração são muito sensíveis e devem ser instalados em um ambiente com ar condicionado e livre de poeira. No caso de lasers fixos, uma sala separada ( sala limpa ) é usada para isso. Os pulsos de laser são direcionados ao telescópio transmissor por meio de condutores ópticos. A montagem deve ser alinhada com o alvo em movimento com precisão suficiente para que o pulso do laser atinja o satélite. Se os requisitos de precisão forem menores (1ª geração), o rastreamento pode ser feito manualmente por meio de uma verificação visual. No caso de lasers de 3ª geração, que também funcionam em regime diurno, o rastreamento é feito automaticamente com base em efemérides de satélite pré-calculadas .

(b) receptor de luz

A energia do pulso de laser por unidade de área diminui no caminho para o satélite e vice-versa com o quadrado da distância. Além disso, o sinal é enfraquecido pela atmosfera terrestre . Apesar da energia de saída muito alta e do foco forte, conseqüentemente há muito pouca energia devolvida, de modo que um dispositivo de recepção muito poderoso é necessário para distâncias maiores de satélite.

A parte receptora consiste em um sistema óptico e um receptor eletrônico de luz. Como sistemas ópticos , telescópios refletores ou telescópios são considerados, os quais focalizam os fótons do pulso de laser refletido no receptor de luz . Por causa da razão de abertura maior , os telescópios refletores com uma grande abertura são preferidos, especialmente porque a medição de brilho fraco e não da qualidade geométrica é importante. Para evitar a interferência da luz, um filtro com largura de banda estreita (Δλ ~ 1 nm) é usado para a faixa de frequência da luz laser.

Como detectores eletrônicos de luz, são fotodetectores com um tempo de subida muito curto, pois são utilizados tubos fotomultiplicadores (PMT), placas de microcanais -Fotomultiplicadores (MCP-PMT) ou fotodiodo de avalanche (APD). Para reduzir os sinais de interferência , o fotodetector é ativado apenas por um curto período de tempo pré-calculado de Δt de 1 a 10 microssegundos ( microssegundos ). O tempo de subida não deve exceder 100 a 300 ps ( picossegundos ).

(c) análise de pulso

O sinal enviado de volta está deformado devido a inúmeras interferências. As causas incluem: perturbações atmosféricas, sobreposição por reflexão em vários refletores, movimento relativo do transmissor e do refletor. É necessária uma análise cuidadosa do pulso para determinar o centro do pulso. Vários métodos são possíveis. O estabelecimento do centro de gravidade medindo a área sob a curva de sinal já provou seu valor .

Se estiver trabalhando com base em fótons únicos (por exemplo, Lunar Laser Ranging , LLR), a análise de pulso não é necessária. Devem ser usados ​​métodos que permitam que fótons individuais sejam reconhecidos e processados.

(d) base de tempo

Contadores eletrônicos com resolução de 10 ps são usados ​​para medir o tempo de trânsito . Os contadores são controlados por padrões de frequência atômica , que são caracterizados por alta estabilidade de curto e longo prazo. Padrões de rubídio e césio, bem como masers de hidrogênio, são considerados para essa base de tempo . Os padrões de frequência atômica também definem o tempo da estação para definir a época e devem então ser comparados regularmente com serviços de tempo de nível superior.

(e) computador de processo

Ruído durante a observação diurna do satélite Jason 1

Um computador de processo poderoso e um software de sistema abrangente são necessários para o pré-cálculo dos valores de configuração, rastreamento da montagem, monitoramento do sistema, calibração e verificação dos parâmetros do sistema, bem como para preparação e controle de dados.

(f) detector de aeronaves

Em áreas densamente povoadas e próximas a aeroportos, às vezes são necessárias precauções para evitar que uma aeronave seja atravessada pelo feixe de laser. Para tanto, pode ser instalado um sistema óptico de localização de aeronaves, que desliga automaticamente a operação do laser.

(g) Tempo de porta e análise de ruído

Os telescópios SLR modernos usam a mesma ótica para enviar e receber o laser. A comutação ocorre usando o tempo de porta , o curto período de tempo após o qual o sinal refletido pode ser esperado, no mínimo. Também é usado para facilitar a análise de ruído.

Este último é essencial para observações diurnas , onde chegam mil vezes mais fótons da luz do dia do que do eco do satélite. A figura ao lado mostra um exemplo de análise de ruído, onde o software da estação de satélite Wettzell só deixa passar aqueles fótons do ruído de recepção que se desviam do tempo de porta em no máximo 5 nanossegundos.

Satélites com refletores de laser

LAGEOS (1975), o satélite laser mais importante até hoje. Peso 411 kg com diâmetro de apenas 60 cm, altura da via de 5.000 km

As medições de distância do laser só podem ser realizadas em satélites equipados com refletores de laser adequados . A tarefa dos refletores é refletir a luz de volta na mesma direção de onde ela incide. Esses refletores também são chamados de retrorefletores .

Para atingir a precisão de medição desejada, os refletores devem ser projetados com muito cuidado para cada formato de satélite e altura da órbita. O refletor deve ser grande o suficiente para refletir luz suficiente. Para este propósito, vários refletores individuais com um diâmetro de 2–4 cm são geralmente combinados em arranjos específicos (arranjos). Requisitos muito elevados são colocados na atribuição mútua correta dos refletores individuais, a fim de manter as deformações de pulso devido à sobreposição de sinal o mais baixo possível. Além disso, o caminho da luz no refletor deve ser conhecido.

Como os retrorrefletores são sistemas passivos que podem ser instalados com relativa facilidade como componentes adicionais em satélites, um grande número de espaçonaves agora estão equipados com eles. A maioria dos satélites equipados dessa maneira usa medições de distâncias a laser para obter informações precisas da órbita para as missões reais dos satélites. No entanto, como esses satélites cumprem outras tarefas, os refletores não podem ser dispostos concentricamente no centro de massa. Portanto, uma relação clara entre o refletor apropriado e o centro do satélite deve ser estabelecida.

Com os chamados satélites de laser , a tarefa de alcance do laser está em primeiro plano. Para fazer isso, a órbita do satélite deve ser muito estável. É por isso que os satélites a laser são construídos com um núcleo feito de metal sólido (às vezes até mesmo material particularmente denso como o urânio ), de modo que um satélite do tamanho de uma bola de futebol como o Starlette pesa quase 50 kg. Como resultado, ele sofre apenas distúrbios orbitais menores de forças não gravitacionais (alta atmosfera, leve pressão, vento solar, etc.), e a órbita pode ser determinada com precisão - por exemplo, para triangulação de satélite ou para calcular o campo gravitacional da Terra .

Dos cerca de 20 satélites a laser lançados desde 1970, os mais importantes são:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), órbita polar de aproximadamente 5.000 km de altura , portanto, uma vida útil de vários milhões de anos, diâmetro de 60 cm, massa de 411 kg (ver imagem acima)
  • Starlette (França, 1975), altura da via atualmente de aproximadamente 900-1100 km, tamanho ≈20 cm, 50 kg
  • LAGEOS 2 (Itália, 1992), idêntico ao LAGEOS original, lançado como parte da missão do ônibus espacial STS-52
  • Stella (idêntico ao Starlette), lançado em 1993 com o lançador europeu Ariane
  • um satélite búlgaro (por volta de 1985) e dois satélites laser japoneses.

Rede SLR global

O International Laser Ranging Service (abreviado ILRS) foi fundado na década de 1990 para a coordenação internacional de medições de laser com satélites . O ILRS organiza e coordena medições de alcance do laser para apoiar projetos geodésicos globais e missões de satélite. Ele também desenvolve padrões e estratégias adequados para medição e análise , a fim de garantir uma qualidade alta e consistente dos dados.

As medições das estações SLR, das quais existem algumas dezenas em todo o mundo, são combinadas computacionalmente para formar redes de levantamento precisas , a partir das quais as coordenadas e a rotação da Terra na faixa de milímetros podem ser derivadas. Os produtos fundamentais do ILRS incluem efemérides exatas (órbitas) dos satélites LASER, as coordenadas e mudanças das placas tectônicas dos observatórios, variações do geocentro e do campo gravitacional da Terra , bem como constantes fundamentais da física, a lua da Terra e o órbita lunar .

O chamado Lunar Laser Ranging ( LLR ), ou seja, a medição da distância das estações terrestres à superfície lunar , é usado para determinar a última . Para tanto, são utilizados alguns refletores de laser que foram colocados na Lua durante as missões Apollo e da URSS . Para cada forte pulso de laser emitido, apenas quanta de luz individual são recebidos durante essas medições ao longo do dobro da distância da lua (aproximadamente 750.000 km) , de modo que o método é muito complexo no geral. As medições mostraram que o raio da órbita lunar aumenta cerca de 40 mm a cada ano.

Serviço internacional de rotação terrestre

Uma vez que todos os observatórios a laser giram em torno do eixo da Terra em 23,9345 horas com a rotação da Terra , a posição espacial da Terra pode ser determinada com precisão a partir das medições. Um departamento especial do IERS (International Earth Rotation Service) é utilizado para este fim.

O serviço ILRS acima mencionado (ILRS: International Laser Ranging Service) fornece ao IERS os dados SLR medidos, que foram reduzidos a um modelo uniforme. A partir disso, ele calcula os três parâmetros de rotação da terra (ERP) mais importantes em intervalos curtos , ou seja, as coordenadas polares x, y (ponto de intersecção do eixo da terra (rotacional) no Ártico) e a correção de tempo mundial dUT1 (irregularidade de a rotação da terra ).

O par de valores (x, y) varia localmente em uma espiral no ritmo do período Chandler (cerca de 430 dias, sobreposto por um período de 365 dias), mas permanece dentro de um círculo de 20 metros. O valor de dUT1 muda monotonamente (sempre em uma direção) e é a causa dos chamados segundos bissextos pelos quais a hora mundial UTC é reajustada a cada 1-3 anos em 31 de dezembro ou 30 de junho da rotação média da Terra.

Combinação com processos relacionados

A fim de superar a dependência do SLR do clima e aumentar a precisão, as medições do laser são combinadas com outros métodos. Esses métodos são particulares

Esses diferentes sistemas formam um monitoramento ininterrupto da Terra e são combinados em um novo sistema de referência terrestre em intervalos de vários anos . Estes modelos de terra (ver ITRS e ITRF 2000 ) atualmente com precisões globais de alguns centímetros. Em alguns anos, o próximo modelo global será ainda mais preciso do que o ITRF 2005 .

Além da geodésia , todos esses sistemas fundamentais também são fundamentais para outras disciplinas, em particular para astronomia , física e viagens espaciais .

Veja também

Evidência individual

  1. Visão geral das missões Explorer (National Space Science Data Center da NASA)

Links da web

literatura