Laser-Reflektoren für LEO Satelliten

Satellitengetragene GPS-Empfänger stellen die Haupt-Datenquelle zur Bahnvermessung niedrigfliegender Erdsatelliten (LEO – Low Earth Orbiting) dar, da mit ihrer Hilfe der komplette Orbit erfasst werden kann. Die alternative Methode der Laser-Entfernungsmessung (SLR) wird als unabhängige und unterstützende Technik zur Bahnbestimmung verwendet. Ihre Hauptbegrenzung liegt in der schlechten räumlichen und zeitlichen Abdeckung, jedoch sind SLR Messungen frei von Mehrdeutigkeiten und stehen in direktem Zusammenhang mit dem terrestrischen Referenzsystem.

Innerhalb der Entwicklungsarbeiten für die CHAMP Mission wurde am GFZ Potsdam entschieden, diesen Satelliten mit einem Laser-Retroreflektor (LRR) neuartiger Konstruktion zur externen Kalibrierung und Validierung des an Bord befindlichen BlackJack GPS Empfängers auszurüsten, wobei die Auflösung besser als 1 cm sein sollte. Eine grundlegende Anforderung an einen derartigen Reflektor besteht darin, die Beobachtung des Satelliten durch das weltweite SLR Stationsnetz mit sowohl hoher Genauigkeit als auch ausreichender Signalstärke zu ermöglichen, damit Tages- und Nachtmessungen zustande kommen. Kürzliche Verbesserungen in der Technologie der Laser-Entfernungsmessungen ließen es als aussichtsreich erscheinen, die Konstruktion des LRR sogar für millimetergenaue Messungen auszulegen.

Je geringer die Anzahl individueller Prismen innerhalb eines derartigen Reflektors ist, desto höher ist die erreichbare Genauigkeit. Ein idealer Reflektor würde daher aus nur einem Einzelprisma bestehen. Aufgrund des begrenzten Gesichtsfeldes kommt diese Lösung für niedrigfliegende Satelliten wie CHAMP und GRACE allerdings nicht in Frage. Ein annehmbarer Kompromiss wurde dahingehend gefunden, einen Reflektor aus nur 4 Prismen zu bauen, wobei die Außenabmessungen lediglich (100x100x48) mm betrugen.
 

Dieses Design stellt sicher, dass stets nur ein einziges Prisma zum Signal beiträgt, mit Ausnahme kurzer Bahnabschnitte nahe der Kulmination des Satelliten. Dann überlagern sich die Echosignale zweier Prismen; jedoch kann dieser Fall selbst von modernsten SLR Stationen mit Millimetergenauigkeit nicht aufgelöst werden, wie die Erfahrungen mit CHAMP und GRACE gezeigt haben.

Besondere Sorgfalt wurde darauf verwendet, die Geschwindigkeitsaberration zu kompensieren, um ein möglichst hohes Rückkehr-Signal für die SLR-Stationen zu ermöglichen. Dies wurde dadurch erreicht, dass das Beugungs-Fernfeld des LRR aus zwei „Spots“ besteht, welche das reflektierte Signal enthalten.
Die wesentlichen Parameter des GFZ LRR für LEO Satelliten sind:

 

Vertexlänge

28 mm

Apertur der Frontfläche

38 mm

Dihedraler Offsetwinkel

-3.8“ (kleiner als 90°)

Krümmungsradius der Frontfläche

+ 500 m (konvex)

Brechungsindex bei 532 nm

1.461 (Quarzglas)

Nominaler Abstand der beiden Fernfeld-Maxima

24“

Nominale Breite der Fernfeld-Spots (20% Maximalintensität)

10“


Eine detaillierte Beschreibung des LRR findet man in diesem Artikel .

Die Leistungsfähigkeit des GFZ LRRs ist hervorragend. Aus diesem Grunde wurde er auch für weitere Raumflugmissionen eingesetzt: die deutschen Radar-Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X , den koreanischen KOMPSAT-5 , den spanischen PAZ sowie die ESA Magnetfeldmission Swarm , die aus 3 einzelnen Satelliten besteht.

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Sven Bauer
Wissenschaftler
Dr.-Ing. Sven Bauer
Globales Geomonitoring und Schwerefeld
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