Hohlreflektor für GNSS Satelliten

Ein Laser-Retroreflektor (LRR) an Bord eines Satelliten des Globalen Navigations-Satelliten Systems (GNSS) muss so konstruiert sein, dass für alle möglichen Beobachtungs-Geometrien zwischen SLR-Station und Satellit stets ein ausreichendes Echosignal geliefert wird. Ein wichtiger Effekt, der dabei beachtet werden muss, ist die Geschwindigkeits-Aberration des Laserlichtes, die durch die Bahnbewegung des Satelliten verursacht wird und die in der Größenordnung 2*v/c liegt (v- Satelliten-Geschwindigkeit, c-Lichtgeschwindigkeit). So liegt z.B. dieser Winkel für den Orbit der Galileo Satelliten zwischen 21 und 25 µrad. Werden keine Korrekturmaßnahmen am LRR ergriffen, so verfehlt das reflektierte Signal die Bodenstation um mehrere hundert Meter. Da die von GNSS Satelliten zurückgestrahlten Signale aufgrund der großen Distanz zu den Bodenstationen (> 19000 km) ohnehin sehr schwach sind, sollten alle Maßnahmen ergriffen werden, um Laserentfernungsmessungen sowohl mit guter Signalstärke als auch mit großer Genauigkeit zu gewährleisten.

Heutige Standard LRRs für GNSS Satelliten stellen ausgedehnte Arrays aus einzelnen kleinen Quarzprismen dar, um die erforderliche Signalstärke zu garantieren.

Die übliche Methode der Aberrationskorrektur besteht in der Auswahl von Prismen mit angepasstem Durchmesser sowie ohne Rückseiten-Verspiegelung, die unter geeigneten Azimutwinkeln im Array angebracht sind. Das Beugungs-Fernfeld eines solchen Ensembles aus Einzelprismen stellt eine kreisförmige Struktur dar, bei welcher der homogene Außenring das nutzbare Signal enthält. Leider ist der größere Teil der Energie im zentralen Teil enthalten, welcher wegen der Geschwindigkeits-Aberration für die SLR-Station nicht nutzbar ist.
Weitere Nachteile eines großen, planaren Arrays aus Einzelprismen:  

  • Die erforderliche Montagefläche an der Nadirseite des GNSS Satelliten ist relativ groß.
  • Die volle Messgenauigkeit einer SLR Bodenstation wird nur dann erreicht, wenn sich der Satellit hoch über der Station befindet, sodass der Einfallswinkel des Laserlichtes auf das Array klein ist. Für geringere Elevationen erscheint das Array geneigt, und das zurückgestrahlte Signal besteht aus Photonen von unterschiedlichen räumlichen Tiefen; es kommt also zur Signalverbreiterung, was die Messgenauigkeit herabsetzt.

Diese Nachteile könnten durch die Benutzung eines einzelnen großen Hohlreflektors vermieden werden, dessen Machbarkeit gegenwärtig im Rahmen einer Kooperation zwischen GFZ Potsdam und der SpaceTech untersucht wird. Ein derartiger Hohlreflektor besteht aus 3 rechtwinklig angeordneten Platten aus Glaskeramik (z.B. Zerodur™) mit Oberflächenverspiegelung. Die Apertur des vorgeschlagenen Reflektors beträgt 16 – 20 cm.
 

Aufgrund der wesentlich größeren Apertur im Vergleich zu den konventionellen Quarzprismen ist das Fernfeld des Hohlreflektors viel schärfer und es gelingt durch geeignete Formgestaltung der Oberflächen, nahezu alle reflektierte Energie innerhalb des konzentrischen Ringes zu konzentrieren.

Das Rückkehrsignal eines solchen großen Einzelreflektors kann 2 – 4 mal stärker sein als das eines konventionellen Arrays aus 80 Einzelprismen.

Weitere Vorteile eines einzelnen Hohlreflektors:  

  • Der erforderliche Platzbedarf am Satelliten ist geringen als beim herkömmlichen Array.
  • Da nur ein einziges optisches Element zum Rückkehrsignal beiträgt, tritt keine Signalverbreiterung bei geringeren Satelliten-Elevationen auf und die Messgenauigkeit hängt nur noch von den Parametern der SLR Station selbst ab.

Das Hauptproblem großer optischer Aperturen ist ihre große Sensitivität gegenüber thermischen Verformungen unter den wechselnden Orbit-Bedingungen wie Sonneneinstrahlung und Auskühlung zum Weltraum hin. Es wird jedoch erwartet, dass diese Probleme durch die Verwendung neuartiger Werkstoffe in Verbindung mit weltraumerprobtem mechanischen Design gelöst werden können.

Details des vorgeschlagenen Reflektors findet man hier .
 

Kontakt

Sven Bauer
Wissenschaftler
Dr.-Ing. Sven Bauer
Globales Geomoni­toring und Schwerefeld
Telegrafenberg
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14473 Potsdam
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