SLR und VLBI
SLR
Satellite Laser Ranging bezeichnet das Verfahren der Entfernungsmessung zu Satelliten mittels Laser. Dazu existiert ein System von Observatorien, die diese Messungen durchführen. Aus den hochgenauen Messungen (besser als zehn Zentimeter) können die Stationskoordinaten hochgenau bestimmt werden. Das ermöglicht ein weltumspannendes, auf wenige Zentimeter genaues Netz von Stationen.
Die Bahn der Satelliten wird durch da Schwerefeld beeinflusst. Kennt man die Bahn der Satelliten hochgenau, so kann man daraus Rückschlüsse auf das Schwerefeld ziehen.
Den Aufbau einer SLR-Station und die Messungen will ich am Bespiel der Station Zimmerwald erläutern. Zimmerwald ist das Schweizer Observatorium. Dort gibt es ein älteres Spiegelteleskop, eine GPS-Station des IGS (International GPS Service) sowie das ZIMLAT-Teleskop, das sowohl für die optische Beobachtung von Himmelskörpern als auch die SLR-Messungen verwendet wird.
Die Station hat unser Semester im Rahmen der großen geodätischen Exkursion besucht. In Deutschland besitzen das Geoforschungszentrum in Potsdam und die Fundamentalstation Wettzell eine SLR-Station.
Der Spiegel des kompakten Teleskops hat einen Durchmesser von einem Meter. Neben dem Laser können eine Reihe von Kameras mit dem Teleskop verwendet werden (normale CCD-Kamera, Restlichtverstärker). So kann das Teleskop für mehrere Zwecke verwendet werden. Tradition hat in Zimmerwald die Suche nach kleinen Asteroiden und Weltraumschrott.
Das Teleskop ist in einer motorisierten Aufhängung montiert. Diese ermöglicht ein sehr schnelles Drehen und Schwenken des Teleskops. So dauert das Umschalten von einem Satelliten auf den Nächsten nur wenige Sekunden.
Herzstück einer SLR-Station ist natürlich der Laser. Dieser hat zwei gegensätzliche Anforderungen zu erfüllen. Einerseits muss ein Laserpuls eine Strecke von bis zu 72000km zurücklegen (ein geostationärer Satellit ist 36000km entfernt), andererseits soll der Impuls möglichst kurz sein.
Der Laser hat eine Ausgangsleistung im Gigawatt-Bereich (die Leistung eines Kernkraftwerks). Ein Impuls ist jedoch nur 100 Picosekunden lang, weshalb die Energie nur wenige Joule beträgt. Da der Laser jedoch nicht augensicher ist, muss verhindert werden, dass Flugzeuge in den Laserpuls geraten. Zu diesem Zweck ist die Station mit der Flugsicherung verbunden. Befindet sich ein Flugzeug im Gefahrenbereich, wird der Laser deaktiviert. Zusätzlich sorgt ein Radar auf der Station für die Erkennung von Kleinflugzeugen, die nicht von der Flugsicherung registriert werden.
Der Impuls von 100 Picosekunden ergibt eine Laser-"Scheibe" von 3cm Dicke. Nach mehreren tausend Kilometern sind davon nur noch wenige Photonen übrig. Um diese detektieren zu können, wird eine Reihe von Filtern verwendet. Da die Wellenlänge des Lasers bekannt ist, können alle anderen Frequenzen herausgefilert werden. Zusätzlich ist die Entfernung zum Satelliten recht genau bekannt, so dass die Laufzeit bekannt ist und dementsprechen das Filter nur kurzzeitig aufgemacht werden muss.
Die Position des Satelliten ist aus Vorhersagen (durch vorherige Beobachtungen) schon sehr genau bekannt. Das ist nicht nur für der Steuerung des Filters notwendig, sondern auch, um das Teleskop auf den Satelliten auszurichten. Bei Nacht ist es schon schwierig, einen Satelliten zu finden. Bei Tag ist es unmöglich, die Vorhersage der Position muss also passen. Dann kann man bei Tag problemlos messen. Nur bei Bewölkung kann nicht gemessen werden.
Die Satelliten, die angemessen werden, tragen Laserreflektoren. Das sind Reflektoren ähnlich denen für die elektronische Distanzmessung, die zu Arrays zusammengefasst werden. Zu den mit Laserreflektoren ausgerüsteten Satelliten gehören alle Glonass-Satelliten, zwei GPS-Satelliten und die meisten Satelliten, die in einer wissenschaftlichen Mission unterwegs sind.
Besondere Bedeutung haben die geodynamischen Satelliten LAGEOS (Laser GEOdynamic Satellite) I und II. Diese Satelliten (klein, schwer, dumm) sind nur runde Kugeln hoher Dichte, bestückt mit Laserreflektoren. Dadurch ist das Massenzentrum der Satelliten genau definiert, was die hochgenaue Bahnbestimmung ermöglicht.
Weitere Informationen zum Thema SLR gibt es auf der Webseite der Station Zimmerwald. Besonders interessant ist, dass man sich die Bilder von Webcams anschauen kann. Dazu kann man sich bei aktiver Station den Beobachtungsplan und den Bildschirminhalt des Beobachters anschauen.
Satellite Laser Ranging bezeichnet das Verfahren der Entfernungsmessung zu Satelliten mittels Laser. Dazu existiert ein System von Observatorien, die diese Messungen durchführen. Aus den hochgenauen Messungen (besser als zehn Zentimeter) können die Stationskoordinaten hochgenau bestimmt werden. Das ermöglicht ein weltumspannendes, auf wenige Zentimeter genaues Netz von Stationen.
Die Bahn der Satelliten wird durch da Schwerefeld beeinflusst. Kennt man die Bahn der Satelliten hochgenau, so kann man daraus Rückschlüsse auf das Schwerefeld ziehen.
Den Aufbau einer SLR-Station und die Messungen will ich am Bespiel der Station Zimmerwald erläutern. Zimmerwald ist das Schweizer Observatorium. Dort gibt es ein älteres Spiegelteleskop, eine GPS-Station des IGS (International GPS Service) sowie das ZIMLAT-Teleskop, das sowohl für die optische Beobachtung von Himmelskörpern als auch die SLR-Messungen verwendet wird.
Die Station hat unser Semester im Rahmen der großen geodätischen Exkursion besucht. In Deutschland besitzen das Geoforschungszentrum in Potsdam und die Fundamentalstation Wettzell eine SLR-Station.
SLR-Station Zimmerwald
Die Rechner zur Teleskop-Steuerung
Die wichtigsten Schaltschränke. Der Laser hat seinen eigenen Raum.
Die Rechner zur Teleskop-Steuerung
Die wichtigsten Schaltschränke. Der Laser hat seinen eigenen Raum.
Der Spiegel des kompakten Teleskops hat einen Durchmesser von einem Meter. Neben dem Laser können eine Reihe von Kameras mit dem Teleskop verwendet werden (normale CCD-Kamera, Restlichtverstärker). So kann das Teleskop für mehrere Zwecke verwendet werden. Tradition hat in Zimmerwald die Suche nach kleinen Asteroiden und Weltraumschrott.
Das Teleskop ist in einer motorisierten Aufhängung montiert. Diese ermöglicht ein sehr schnelles Drehen und Schwenken des Teleskops. So dauert das Umschalten von einem Satelliten auf den Nächsten nur wenige Sekunden.
Herzstück einer SLR-Station ist natürlich der Laser. Dieser hat zwei gegensätzliche Anforderungen zu erfüllen. Einerseits muss ein Laserpuls eine Strecke von bis zu 72000km zurücklegen (ein geostationärer Satellit ist 36000km entfernt), andererseits soll der Impuls möglichst kurz sein.
Der Laser hat eine Ausgangsleistung im Gigawatt-Bereich (die Leistung eines Kernkraftwerks). Ein Impuls ist jedoch nur 100 Picosekunden lang, weshalb die Energie nur wenige Joule beträgt. Da der Laser jedoch nicht augensicher ist, muss verhindert werden, dass Flugzeuge in den Laserpuls geraten. Zu diesem Zweck ist die Station mit der Flugsicherung verbunden. Befindet sich ein Flugzeug im Gefahrenbereich, wird der Laser deaktiviert. Zusätzlich sorgt ein Radar auf der Station für die Erkennung von Kleinflugzeugen, die nicht von der Flugsicherung registriert werden.
Der Impuls von 100 Picosekunden ergibt eine Laser-"Scheibe" von 3cm Dicke. Nach mehreren tausend Kilometern sind davon nur noch wenige Photonen übrig. Um diese detektieren zu können, wird eine Reihe von Filtern verwendet. Da die Wellenlänge des Lasers bekannt ist, können alle anderen Frequenzen herausgefilert werden. Zusätzlich ist die Entfernung zum Satelliten recht genau bekannt, so dass die Laufzeit bekannt ist und dementsprechen das Filter nur kurzzeitig aufgemacht werden muss.
Die Position des Satelliten ist aus Vorhersagen (durch vorherige Beobachtungen) schon sehr genau bekannt. Das ist nicht nur für der Steuerung des Filters notwendig, sondern auch, um das Teleskop auf den Satelliten auszurichten. Bei Nacht ist es schon schwierig, einen Satelliten zu finden. Bei Tag ist es unmöglich, die Vorhersage der Position muss also passen. Dann kann man bei Tag problemlos messen. Nur bei Bewölkung kann nicht gemessen werden.
Die Satelliten, die angemessen werden, tragen Laserreflektoren. Das sind Reflektoren ähnlich denen für die elektronische Distanzmessung, die zu Arrays zusammengefasst werden. Zu den mit Laserreflektoren ausgerüsteten Satelliten gehören alle Glonass-Satelliten, zwei GPS-Satelliten und die meisten Satelliten, die in einer wissenschaftlichen Mission unterwegs sind.
Besondere Bedeutung haben die geodynamischen Satelliten LAGEOS (Laser GEOdynamic Satellite) I und II. Diese Satelliten (klein, schwer, dumm) sind nur runde Kugeln hoher Dichte, bestückt mit Laserreflektoren. Dadurch ist das Massenzentrum der Satelliten genau definiert, was die hochgenaue Bahnbestimmung ermöglicht.
LAGEOS I (LAser GEOdynamic Satellite)
Weitere Informationen zum Thema SLR gibt es auf der Webseite der Station Zimmerwald. Besonders interessant ist, dass man sich die Bilder von Webcams anschauen kann. Dazu kann man sich bei aktiver Station den Beobachtungsplan und den Bildschirminhalt des Beobachters anschauen.
VLBI
Very Long Baseline Interferometry ist das genaueste Messverfahren in der Geodäsie. Man kann damit Entfernungen von mehreren tausend Kilometern auf einige Millimeter genau messen. Eine VLBI-Station benötigt ein großes Radioteleskop, weshalb es davon nicht sehr viele gibt (in Deutschland die Fundamentalstation Wettzell).
Für die Messung richten mindestens zwei VLBI-Stationen ihre Teleskope auf den gleichen Quasar (Quasi-stellare Objekte, Fixsterne, die Radiowellen aussenden). Die von den Quasaren ausgesandten Signale sind zufällig, aber beide Stationen empfangen das gleiche Signal. Aus dem Vergleich der beiden Signale (die ja zu unterschiedlichen Zeiten an den beiden Stationen ankommen) erhält man die Entfernung zwischen den beiden Stationen in Richtung zum Quasar. Durch Messung zu mehreren Quasaren erhält man so den dreidimensionalen Vektor zwischen den beteiligten Stationen.
Die erzielte Genauigkeit ist so hoch, dass sich daraus die Plattendrift von wenigen Millimetern pro Jahr bestimmen lässt.
Very Long Baseline Interferometry ist das genaueste Messverfahren in der Geodäsie. Man kann damit Entfernungen von mehreren tausend Kilometern auf einige Millimeter genau messen. Eine VLBI-Station benötigt ein großes Radioteleskop, weshalb es davon nicht sehr viele gibt (in Deutschland die Fundamentalstation Wettzell).
Für die Messung richten mindestens zwei VLBI-Stationen ihre Teleskope auf den gleichen Quasar (Quasi-stellare Objekte, Fixsterne, die Radiowellen aussenden). Die von den Quasaren ausgesandten Signale sind zufällig, aber beide Stationen empfangen das gleiche Signal. Aus dem Vergleich der beiden Signale (die ja zu unterschiedlichen Zeiten an den beiden Stationen ankommen) erhält man die Entfernung zwischen den beiden Stationen in Richtung zum Quasar. Durch Messung zu mehreren Quasaren erhält man so den dreidimensionalen Vektor zwischen den beteiligten Stationen.
Messprinzip
Radioteleskop Wettzell
Radioteleskop Wettzell
Die erzielte Genauigkeit ist so hoch, dass sich daraus die Plattendrift von wenigen Millimetern pro Jahr bestimmen lässt.
Links
- Zimmerwald Observatorium - Die SLR (Satellite Laser Ranging) Station der Schweiz. Neben Webcams bietet die Seite auch einen Blick auf die Schirme der Systemrechner, und ermöglicht es so, bei den Messungen live dabeizusein.
- Fundamentalstation Wettzell - Mit Informationen und Bildern zu den Einrichtungen, unter anderem dem Radioteleskop und der SLR-Station.