Graz in Space 2006 Satellite Laser Ranging in Graz - Aktuelle Entwicklungen und Ergebnisse

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1 09/2006 Graz in Space 2006 Satellite Laser Ranging in Graz - Aktuelle Entwicklungen und Ergebnisse Georg Kirchner IWF / SatGeo

2 Satellite Laser Ranging - SLR Prinzip: Laufzeitmessung von Lichtpulsen Laserpulse Richtung Satellit Retro - Reflektoren am Satellit reflektieren Pulse Echos: Einzelne Photonen detektiert Aus Laufzeit: Entfernung berechnet Zusätzlich: Exakte Uhrzeit gemessen

3 Satellite Laser Ranging - SLR Prinzip: Laufzeitmessung von Lichtpulsen Etwa Photonen (0.4 mj) pro Puls abgeschickt Pulse haben 10 ps Länge (entspricht etwa 3 mm...) EIN bis einige wenige Photonen kommen zurück Start- und Stop-Event werden genau registriert, und daraus die Laufzeit berechnet Entfernung damit auf etwa 2 3 mm genau messbar In Graz: Bis zu 2000 mal pro Sekunde

4 Satellite Laser Ranging - SLR Etwa 40 Stationen weltweit: USA, Japan, Australien, China, Südafrika... Etwa 30 Satelliten derzeit; 400 km km Höhe; Minuten bis 5 h Pass-Dauer; Geodätische (Kugel-) Satelliten; Erdbeobachtungssatelliten; Spezielle Satelliten... Graz: 24 / 7 / 365 Messungen; ABER: Nur bei gutem Wetter...

5 SLR Satelliten: PASSIV Geodätisch: Stella: In 800 km; 24 cm; 48 kg Lageos: In 6000 km; 60 cm; 400 kg Etalon: In km; 130 cm; 1400 kg

6 SLR Satelliten: AKTIV Erdbeobachtung JASON 1: - Oceanography - El Nino Monitoring km Orbit kg (fuelled) - Im Orbit seit 2001

7 SLR Satelliten: AKTIV Erdbeobachtung ICESat: Ice, Cloud and land Elevation SATellite - On Board Laser - On Board Telescope km Orbit - Only few SLR Stations allowed to range

8 SLR Satelliten: AKTIV Navigation - GPS 35 / GPS 36 - Galileo Satelliten: - Giove - A - > km - < 0.1 % Return Rate

9 SLR Satelliten: AKTIV Experimental - Gravity Probe B: GP-B: - Relativity Tests: => Lense-Thirring => Frame Dragging - Tethered Satellites - Time Transfer - etc. etc.

10 Graz: khz SLR / andere SLR Stationen Laserpulse Energie / Puls Pulslänge Alle anderen GRAZ Stationen 5 bis 10 Hz 2 khz mj 0.4 mj ps 10 ps Vorteile für khz SLR Datendichte; NP Genauigkeit Etwa gleich viel Photonen / sek > Genauigkeit Gepumpt mit Blitzlampen Laser-Dioden Kurz+Langzeit- Stabilität Wellenlänge Meist 532 nm 532 nm

11 khz SLR & Event Timing 10 Hz SLR: Laufzeitmessung mit Zähler: Laserpuls startet Zähler; detektierter Puls stoppt Zähler khz SLR: Laufzeitmessung NICHT mehr möglich: Bis zu 300 Pulse sind gleichzeitig unterwegs (bei 2 khz); daher: Event Timing notwendig: Epochezeit von allen Start Events gemessen / gespeichert; Epochezeit von allen Stop Events gemessen / gespeichert; Programm kombiniert die richtigen Event Paare => Laufzeit... Graz E.T. (Event Timer): Teilweise Eigenbau: 1.2 ps Auflösung (= 0.18 mm Entfernung!!!) < 2.5 ps Linearitätsfehler

12 Graz E.T. GRAZ E.T.: Half-Day Drift Start: AFTER 10 Minutes Warm-Up Measurements per Point; RMS: 2.9 [ps] <KG/KF>

13 khz SLR: Transmit / Receive Overlap Bis zu 300 Pulse gleichzeitig unterwegs; Bei Laserpuls: Backscatter von Atmosphäre ( km) Wenn gleichzeitig Echo vom Satellit: => Overlap Single-Photon-Echo von Backscatter verdeckt; Kann dann meist nicht mehr detektiert werden; Lösung: Laserpuls immer erst NACH Detektion starten Wird durch Hardware / Elektronik gesteuert; Gebaut als PC-Karte, in FPGA implementiert

14 khz SLR: FPGA Karte / Eigenbau FPGA: > 1 M Gatter; Range Gate Generator: 500 ps Auflösung 512 RG s in FIFO-Register; Volle Lasersteuerung Transmit / Receive Overlap Avoidance Control ca. 30 % FPGA verwendet Viel Platz für Erweiterungen

15 khz SLR Graz: CHAMP Pass Champ Pass : RMS = 2.4 mm; Returns in < 5 minutes

16 khz SLR Graz: Lageos-1 Pass

17 khz SLR Graz: GPS - Statistik GPS 35: Average # of Pts/NP in Graz Matera Grasse Riyadh Monument Wettzell Koganei Mt Stromlo McDonald Herstmonceu Yarragadee Zimmerwald Maidanak 1 Simosato Potsdam Changchun Beijing

18 khz SLR Graz: Kalibrierung SLR Graz: Routine - Calibrations ; 10 Hz: 500 Returns; khz: Returns / CAL Peak minus Mean [mm] CAL Peak minus Mean [mm]

19 Graz Tectonic Motions (C.Sciaretta) Up Component: ± 0.07 mm / year ( 100 k years until Sea Level ) East Component: ± 0.07 mm / year North Component: ± 0.10 mm / year

20 khz SLR Graz: NEUE Ergebnisse Messung von Satelliten Spin AJISAI Gravity Probe B Lageos 1 Messung von atmosphärischem Seeing Verwendung zur Steuerung adaptiver Optik Satelliten und Sterne nun auch AM TAG sichtbar

21 AJISAI: Spin-Messung mit khz SLR - AJISAI rotiert mit 0.51 Hz; - Retro-Entfernung variiert! 10 Hz: Nur gößere Streuung khz: Retro-Bewegung sichtbar Aji4.avi

22 AJISAI: Daten von 2 s in Pass:

23 AJISAI: Spektral - Analyse Verschiedene Frequenzen durch mehrere Retro-Ringe : Unterschiedliche Anzahl von Retros pro Ring: 12/9/6/3

24 AJISAI: Spin Rate Slow Down AJISAI SPIN RATE 2003/ /06; corrected for apparent Spin 195 passes with >300 k points; ± 48 s around CA used (40 k min) Spin Rate [Hz] Hz / year 6-Retro 9 Retro 12 Retro Year Ergebnis nach 5 Tagen CPU Zeit : Ajisai rotiert mit 0.51 Hz (Sommer 2005) Rotation wird langsamer: Hz / Jahr

25 Gravity Probe-B (GPB): Spin-Messung - GPB Orbit: 640 km über der Erde, polarer Orbit; - 4 Gyroskope: Detektieren Raum-Zeit-Krümmung in Erdnähe; - Detektion von Frame Dragging durch Erdgravitation: Lense Thirring - Effekt - SLR Stationen: Zur genauen Vermessung des Orbits; - khz SLR Graz: Kann auch Spin / Rotation von GPB messen

26 Gravity Probe-B (GPB): Retro Design - GPB Retros: 1 zentraler Retro; - 8 Retros auf Ring (10 cm diam.) - In Spin Achse montiert

27 GPB Daten: Simulation und Messung - Spin-Periode: 77.5 s - Einfallswinkel: kleiner werdend - Spin-Achse und Drehrichtung bestimmbar

28 LAGEOS-1 Spin (sofern vorhanden ) - Seit 1976 im Orbit (6000 km) - Anfangs-Spin verschwunden - Derzeit: 1 Drehung in 5000 sec) - Spinachse: Er torkelt etwas...

29 LAGEOS Spin: khz Simulation + Daten

30 LAGEOS Spin: khz Simulation + Daten

31 LAGEOS Spin Achsen - Bestimmung

32 LAGEOS Spin Achsen - Bestimmung

33 Bestimmung des atm. Seeing mit khz SLR Paket

34 Bestimmung des atm. Seeing mit khz SLR Laserstrahl durch atmosphärische Turbulenzen abgelenkt; Backscatter mit CCD-Kamera erfasst; im PC aufgezeichnet: Im PC wird Spitze des Laserstrahls bestimmt; Diese bewegt sich im Seeing - Bereich Daraus lassen sich die Seeing Werte berechnen Diese Seeing - Werte werden beeinflusst durch: Atmosphäre => besser wenn ruhig, oder nur langsame Strömung; Bewegung des Teleskops => besser wenn geringe Geschwindigkeit; Elevation => schlechter bei niedrigeren Elevationen; Ost- / Westorientierung des Observatoriums => Gebäudeabstrahlung Asphalt- / Wald- / Wiesenflächen bzw. Verteilung Wind etc.

35 AJISAI - Pass: Seeing mit khz SLR Day 2006/037: Seeing vs. Elevation Seeing Seeing Elevation Elevation [ ] Seconds of Day

36 Geplant: Kompensation durch Aktive Optik Abweichungen des Laserstrahles durch Seeing: Im Bereich von einigen Bogensekunden Laserstrahl: Divergenz im gleichen Bereich... Abweichungen erfasst durch CCD-Kamera; Kompensation durch Fast Steering Mirror geplant: PC steuert Spiegel, um Abweichung zu kompensieren Zwar keine Total-Kompensation möglich; Aber Verringerung der Seeing-Abweichungen Vorteil: Mehr Returns bei schwierigen Satelliten

37 khz SLR Graz: Stars in Daylight... SLR Teleskop (50 cm Cassegrain): Laserphotonen (532 nm) direkt in Detektor; Restliches Spektrum von EM-CCD erfasst; Infrarot Filter zur Kontrasterhöhung ( nm) EM CCD: Vom Single Photon bis vollem Tageslicht...

38 SLR Graz: Polarstern im Tageslicht... - KEIN Schmutzpartikel!!! - Sondern Umi Alpha (Polarstern) - Magnitude: Bis ca. Magnitude ca 6.0 sichtbar bei Tageslicht

39 ... und ENVISAT in der Nacht... The End