21. Oktober 2019
ILRS Technical Workshop 2019 Stuttgart

Satellite Laser Ranging: Hochpräzise Abstandsmessung für Satellitenbetrieb, Erdbeobachtung und Navigation

Mobiles System des DLR für Satellite Laser Ranging
Mobiles System des DLR für Satellite Laser Ranging
Bild 1/2, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Mobiles System des DLR für Satellite Laser Ranging

Kompaktes und mobiles System des DLR-Institut für Technische Physik für Satellite Laser Ranging (SLR)

Stationen für Satellite Laser Ranging (SLR) des ILRS-Netzwerks weltweit
Stationen für Satellite Laser Ranging (SLR) des ILRS-Netzwerks weltweit
Bild 2/2, Quelle: ILRS

Stationen für Satellite Laser Ranging (SLR) des ILRS-Netzwerks weltweit

Der International Laser Ranging Service (ILRS) vernetzt weltweit 40 Laser Ranging-Stationen, koordiniert Messungen und wertet sie nach festgelegten Kriterien aus.

  • Satellite Laser Ranging (SLR) ist ein hochpräzises Verfahren, um die Entfernung zwischen einem Satelliten und der Erde zu messen.
  • Zu diesem Thema veranstaltet das DLR-Institut für Technische Physik vom 21. bis 25. Oktober 2019 in Stuttgart den "ILRS Technical Workshop".
  • DLR-Forscher arbeiten unter anderem daran, Satellite Laser Ranging zur Detektion von Weltraumschrott einzusetzen sowie mobile SLR-Stationen zu entwickeln.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Erdbeobachtung, Lasertechnologie

Mittels Satellite Laser Ranging, kurz SLR, lässt sich der Abstand eines Satelliten zu einem festgelegten Punkt auf der Erde sehr exakt bestimmen. Anwendung findet dieses laserbasierte Messverfahren zum Beispiel in der Erdbeobachtung oder beim Betrieb von Satelliten. Vom 21. bis 25. Oktober 2019 trifft sich die internationale Community dieses Spezialgebiets zum „ILRS Technical Workshop“ in Stuttgart. Die Konferenz wird in diesem Jahr veranstaltet vom Institut für Technische Physik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und bringt rund 130 Experten aus Forschung und Industrie zusammen, die als Mitglieder des Netzwerks International Laser Ranging Service (ILRS) an dieser Technologie arbeiten.

Der ILRS vernetzt weltweit 40 Laser-Ranging-Stationen, koordiniert Messungen und wertet sie nach festgelegten Kriterien aus. In Deutschland befinden sich drei Stationen für Satellite Laser Ranging. Eine davon betreibt das DLR-Institut für Technische Physik auf der Uhlandshöhe in Stuttgart im Zuge eines Forschungsprojekts. Im Interview gibt DLR-Wissenschaftler Dr. Daniel Hampf, der die Konferenz in diesem Jahr organisiert hat, einen Einblick in Funktion, Anwendung und Potenziale dieser Technologie.

Wie funktioniert Satellite Laser Ranging?

Dr. Daniel Hampf: Beim Satellite Laser Ranging wird mit Hilfe spezieller Lasersysteme der Abstand zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten gemessen – und das mit sehr hoher Genauigkeit von einigen Millimetern auf bis zu 25.000 Kilometern Entfernung. Dazu sendet die Bodenstation einen Laserstrahl aus. Dieser trifft auf den Satelliten, wird zurückgelenkt und mittels Teleskop von der Bodenstation erfasst. Aus der Zeit, die das Laserlicht für diesen Weg benötigt, lässt sich sehr exakt der Abstand zwischen Satellit und Bodenstation berechnen. Das Verfahren funktioniert am besten, wenn der Satellit über einen Reflektor verfügt – ähnlich einem Rückstrahler oder Katzenauge am Fahrrad.

Wo kommt Satellite Laser Ranging bisher zum Einsatz?

Hampf: Satellite Laser Ranging gibt es bereits seit mehr als fünfzig Jahren. Es wurde also schon kurz nach der Erfindung des Lasers und den ersten Satellitenstarts entwickelt. Zunächst stand die Beobachtung und Vermessung der Erde im Vordergrund, also geodätische Fragestellungen zum Beispiel nach dem genauen Mittelpunkt der Erde. Für Satelliten ist das ein äußerst wichtiger Bezugspunkt, der regelmäßig vom ILRS auf den Zentimeter genau neu vermessen wird. Außerdem lassen sich auch Erkenntnisse zum Schwerefeld der Erde, der Bewegung der Kontinentalplatten oder der Höhe des Meeresspiegels gewinnen. Das aus vielen Laser Ranging-Stationen überall auf der Welt bestehende Netzwerk des ILRS ermöglicht es außerdem, nicht nur die Position, sondern auch die Bahndaten von Satelliten sehr exakt zu bestimmen sowie die Position der einzelnen Stationen zueinander festzustellen. Diese Daten nutzen beispielsweise die Betreiber des europäischen Galileo- und des russischen GLONASS-Satellitennavigationssystems, um ihre Kalibrierung zu überprüfen.

An welchen Anwendungen für Satellite Laser Ranging arbeitet das DLR-Institut für Technische Physik?

Hampf: Aktuell haben wir zwei Schwerpunkte: Zum einen wollen wir Laser Ranging für die Detektion von Weltraumschrott einsetzen. Denn Raketenoberstufen, ausgediente und nicht mehr steuerbare Satelliten oder Teile davon kreisen mit einer hohen Geschwindigkeit als Weltraummüll um die Erde. Schon kleine Schrottteilchen können beim Zusammenstoß mit aktiven Satelliten oder der internationalen Raumstation ISS großen Schaden anrichten. Die Herausforderung dabei ist, dass es sich bei Weltraumschrott um ‚nicht kooperative‘ Objekte handelt. Der Laserstrahl trifft auf eine meist unebene Oberfläche, die nur einen Bruchteil zum Teleskop zurückreflektiert. Deshalb benötigen wir spezielle, leistungsstarke Lasersysteme, die es zu entwickeln, zu testen und in ein Gesamtsystem zu integrieren gilt. Der zweite Schwerpunkt liegt im Bereich des Space Traffic Monitoring. Aktuell sind die Stationen für Satellite Laser Ranging weltweit noch relativ ungleich verteilt, vor allem auf der Südhalbkugel gibt es große Lücken [siehe Bild 2]. Um möglichst vollständige Bahndaten für Satelliten zu erhalten, und dies vielleicht in Zukunft als Dienstleistung anzubieten, bräuchte man ein möglichst engmaschiges Netz von Stationen. Da die Kosten für den Aufbau und Betrieb stationärer Anlagen hoch sind, entwickeln wir am DLR ein mobiles Konzept. Unsere sehr kompakte ‚miniSLR-Station‘ lässt sich einfach an fast jeden Ort auf der Welt transportieren. Gleichzeitig wollen wir die Messungen möglichst weit automatisieren, um die Kosten signifikant zu senken.

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