Die Satelliten-Laser-Radarstation Potsdam

Die Satelliten-Laserradarstation Potsdam (SLR – Satellite Laser Ranging) arbeitet seit Januar 2003 kontinuierlich innerhalb des weltweiten ILRS-Netzwerkes ( ILRS – International Laser Ranging Service). Das SLR-Verfahren wurde 1964 eingeführt und ist nach wie vor eine der genauesten raumgestützten geodätischen Techniken, wobei die Messgenauigkeit kontinuierlich verbessert wurde. Die wissenschaftlichen Hauptbeiträge des SLR sind:

  • Überwachung von Erdrotationsparametern (Polbewegung und Tageslänge)
  • Überwachung dreidimensionaler Verformungen der festen Erde (Stationskoordinaten und –geschwindigkeiten), zeitvariable Koordinaten des Geozentrums
  • Statische und zeitvariable Koeffizienten des Erdschwerfeldes
  • Kalibrierung / Validierung von Mikrowellen-Apparaturen an Bord von Satelliten (z.B. GPS Empfänger, Radar-Altimeter)

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. Satelliten mit Laserreflektoren an Bord werden durch SLR-Stationen auf allen Kontinenten (mit Ausnahme der Antarktis) unter Koordination durch den ILRS beobachtet. Die Genauigkeit des SLR-Verfahrens ist im Wesentlichen durch die technischen Parameter der Bodenstation sowie die Qualität des Spiegels auf dem Satelliten bestimmt. Die Potsdamer Laserstation kann die Entfernung zu Satelliten in Umlaufbahnen von 400 bis 25000 km über der Erde mit einer Genauigkeit von in etwa 1 cm und einer Präzision von bis unter 1 cm messen.

Die SLR Station Potsdam ist ein bi-statisches System mit getrennten Teleskopen für Aussendung und Empfang des Lasersignals.

Die wesentlichen technischen Parameter sind:  

  • Sendeteleskop: 15 cm Coudé-Refraktor auf alt-azimutaler Montierung
  • Empfangsteleskop: 40 cm Coudé-Cassegrain Spiegel auf alt-azimutaler Montierung
  • Lasertyp: Nd:YVO, frequenzverdoppelt (532 nm)
  • Sendeenergie: 700 µJ/Puls, Wiederholrate 2000 Hz, Impulsbreite 10 ps       
  • Detektor: Hybrid-Photovervielfacher oder Lawinenfotodiode
  • Flugzeitregistrierung: Event Timer mit 3 ps Auflösung
  • Einzelschussgenauigkeit und -präzision: bis zu <1 cm

Weitere Details des Systems findet man hier .

Die Station ist hochgradig automatisiert. Beide Teleskope sowie die komplette Elektronik zur Entfernungsmessung sind computergesteuert. Die hochgradig zentralisierte Operationssoftware wurden von DiGOS Potsdam unter Linux entwickelt, wodurch nur eine Person für den Betrieb nötig ist. Trotz des geringen Durchmessers des Empfangsteleskops von nur 0.4 m im Vergleich von bis zu 1 m und mehr bei anderen Systemen, zeigt das SLR System Potsdam eine gute Signalausbeute bei Nacht und auch bei Tag. Das ILRS Kriterium für Hochleistungsstationen von 3500 Pässen pro Jahr wurde in den letzten Jahren erreicht und übertroffen. Weiterhin hat das System ein gute Kurz und Langzeitstabilität von wenigen Millimetern (siehe dazu die Reports der offiziellen ILRS-Analysezentren).

Seit September 2011 ist ein Festkörperlaser mit einer Wiederholrate von 2 kHz (vorher 10 Hz) sowie kürzeren Impulsen (10 ps gegenüber 50 ps) im Einsatz, wodurch sich die Zahl der Einzelmessungen pro Satelliten-Passage deutlich erhöht hat. Derartige Messungen werden u.a. zur Bestimmung der Spinfrequenz und –orientierung schnell rotierender Kugelsatelliten ( Lares , Blits, Ajisai) verwendet. Im September 2017 wurde außerdem im Zuge eines Hardwareupgrades die Laserleistung von 0.8 auf 1.4 W gesteigert. Mit dem Lasersystem können die Entfernungen von 400 bis 25000 km von der Station zu den Satelliten in ihren Umlaufbahnen mit einer Genauigkeit und Präzision von in etwa 1 cm gemessen werden. Im Mai 2017 wurden außerdem gemeinsam mit der SLR Station Graz mehrere Weltraumschrottobjekte in sogenannten Bistatischen Experimenten beobachtet. Dabei hat die Grazer Station Laserpulse zu den Weltraumschrottobjekten für die Entfernungsmessung ausgesendet, die von Graz selber aber auch in der Potsdam Laserstation empfangen wurden. Damit können Entfernungsmessungen von mehreren Stationen gleichzeitig aufgenommen werden, obwohl nur eine Station Laserpulse zu den Weltraumschrottobjekten sendet. Solche Messungen erlauben die genaue Bestimmung der Umlaufbahn von Weltraumschrott innerhalb kürzester Zeit, wobei mit den zusätzlichen Boebachtungen die Genauigkeit noch schneller besser wird. Die Notwendigkeit genaue Bahnvorhersagen in kürzester Zeit zu erhalten kann z.B. bei drohenden Kollisionen von Weltraumschrott mit aktiven Satelliten und dadurch bedingten Ausweichmanövern relevant werden.

Einige Informationen zur Geschichte der Satelliten-Laser-Entfernungsmesung finden Sie hier.

Geschichte der Satelliten-Laserentfernungsmessung in Potsdam

Satelliten-Laserentfernungsmessungen (SLR) werden in Potsdam seit 1974 durchgeführt. Innerhalb einer allgemein akzeptierten Nomenklatur werden die SLR-Stationen entsprechend ihrer Messgenauigkeit in „Generationen“ eingeteilt. Während die Systeme der 1. Generation mit Rubinlasern ausgestattet waren und über Einzelschuss-Genauigkeiten von 1 – 2 m verfügten, benutzten Stationen der 2. Genration Rubinlaser oder frequenzverdoppelte Nd:YAG Laser. Die Einzelschussgenauigkeit war hier bereits auf wenige Dezimeter verbessert und der Automatisierungsgrad erhöht, wodurch auch teilweise Messungen am Tage möglich wurden. Weltweiter Standard seit den 1980er Jahren sind die Systeme 3. Generation mit modensynchronisierten, frequenzverdoppelten Nd:YAG Lasern und 10 Hz Wiederholrate, die Messungen sowohl nachts als auch am Tage ausführen können und Einzelschuss-Genauigkeiten von etwa 1 cm besitzen.

Die Station Potsdam-1

Das erste Potsdamer SLR-System basierte auf der modifizierten Satellitenkamera SBG von Carl Zeiss Jena, die sich auf dem Helmertturm befand. Ein gütegeschalteter Rubinlaser mit einer Impulsdauer von 20 ns war auf dem Teleskop montiert und wurde mit diesem mit bewegt. Die Empfangselektronik musste hinter dem Hauptspiegel des Teleskops untergebracht werden. Mit Einzelschuss-Genauigkeiten von 1 – 3 m war dieses System zwischen 1974 – 1981 ein typischer Vertreter der 1. Generation. Laufende Modifikationen einschließlich einer PC-Steuerung der Hauptachsen der Montierung erlaubten ab 1979 Satellitenmessungen ohne visuelle Kontrolle, z.B. im Erdschatten. Das System konnte alle Laser-Satelliten bis zur Flughöhe von 6000 km ( Lageos ) erreichen.

Der bisherige Rubinlaser wurde 1981 durch ein Modell mit 5 ns Impulsdauer ersetzt. Dadurch sowie unter Einsatz verbesserter Empfangselektronik wurde Potsdam-1 (Stationscode 1181) zu einem System der 2. Generation, das bis 1993 betrieben wurde. Verbesserte Laser-Strahlqualität sowie empfindlichere Fotodetektoren erweiterten die Reichweite bis zur Flughöhe der russischen Etalon Satelliten in 19000 km Erdentfernung. Weitere Modifikationen in Richtung einer Station 3. Generation wurden nicht in Betracht gezogen, da das 4-achsige SBG Teleskop die Verwendung eines Coudé-Fokus nicht gestattete. Dieser wäre aber für die stationäre Aufstellung eines modengekoppelten Lasersenders mit Impulsdauern im Picosekundenbereich erforderlich gewesen, da derartige Laser aufgrund ihres empfindlichen optisch-mechanischen Aufbaus nicht mit dem Teleskop bewegt werden können.

Die Station Potsdam-2

Die Weiterentwicklung des Potsdamer SLR Systems in Richtung des internationalen Standards der 3. Generation wurde 1986 mit der Entwicklung des Lasersenders PLS-5 sowie schneller Nachweiselektronik begonnen, die Genauigkeiten im Zentimeter-Bereich gestattete. Das System (Stationscode 7836) wurde um das 2-achsige SLR Teleskop TPL gebaut, welches durch M. Abele von der Universität Riga konstruiert worden war. Dieses 1990 erworbene Coudé-Teleskop wurde nahe beim Helmertturm auf einem historischen Pfeiler aufgestellt, der früher für ein photographisches Zenit-Teleskop diente. Potsdam-2 nahm den Betrieb im Mai 1992 auf und setzte diesen bis zum Juni 2004 fort. Spezielle Modifikationen im Empfangssystem (1994/1995) erlaubten die sehr erfolgreiche Beobachtung von GFZ-1 , des ersten geodätischen Satelliten des GFZ Potsdam. Dieser war zur damaligen Zeit das am niedrigsten fliegende Zielobjekt für SLR. Die bedeutendste Modifikation bestand im Einbau eines schmalbandigen Spektralfilters, wodurch kontinuierliche Messungen in der Nacht und am Tage möglich wurden. Potsdam-2 beobachtete alle SLR Satelliten bis zu Flughöhen von 2000 km ( GPS-35 bzw. das russische Glonass -System). Eine detaillierte Beschreibung dieser Station findet sich beim ILRS .

Die Station Potsdam-3

Die geplante Umsetzung der Potsdamer SLR Station auf einen speziell dafür errichteten Turm innerhalb des GFZ-Neubaus ermöglichte eine Weiterentwicklung des Systems hinsichtlich der Beschaffung eines neuartigen Teleskops sowie eines modernen Lasersenders. Das System 7841 Potsdam-3 arbeitet seit Januar 2003 und wird hier im Detail beschrieben.

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