Satellitenbahnen präzise bestimmen

Satellite Laser Ranging (SLR) ist eine sehr präzise, laserbasierte Methode, um die Entfernung zwischen einem Satelliten und der Erde bis auf wenige Millimeter genau zu bestimmen. Zum Einsatz kommt SLR vor allem in der Geodäsie. Denn die genaue Vermessung der Bahnen von Satelliten hilft dabei, Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation festzustellen. Wichtige Beiträge leistet das SLR-Verfahren auch im Bereich der Satellitennavigation. Bisher sind die für SLR benötigten Anlagen große Stationen. Ihr Aufbau ist komplex, sie sind entsprechend teuer und benötigen für den Betrieb mehrere Personen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat erstmals eine mobile und wesentlich kleinere Variante entwickelt: Das „miniSLR“ ist transportabel, einfacher in Aufbau und Wartung und kann automatisiert betrieben werden. Damit ist es wesentlich günstiger als die üblichen SLR-Systeme. Der Prototyp des miniSLR hat unter echten Einsatzbedingungen bereits Messergebnisse geliefert, die mit stationären großen Anlagen mithalten können.

Beim SLR sendet eine Bodenstation einen Laserstrahl in Form von kurzen Laserpulsen aus. Dieser trifft auf den anvisierten Satelliten, wird zurückgelenkt und mit einem Teleskop von der Bodenstation erfasst. Aus der Zeit, die das Laserlicht für diesen Weg benötigt, lässt sich sehr genau der Abstand zwischen dem Objekt und der Bodenstation berechnen. Für das hochgenaue SLR-Verfahren benötigt der Satellit einen Reflektor – ähnlich einem Rückstrahler oder Katzenauge am Fahrrad. Außerdem hilft es, die groben Bahndaten zu kennen, zum Beispiel auf Grundlage von gröberen Messungen mittels Radar. Denn beim SLR muss der teils mehrere tausend Kilometer entfernte Satellit, der mit einer Geschwindigkeit von mehr als 28.000 Kilometern pro Stunde unterwegs ist, mit dem Laserstrahl getroffen werden.

Das in Stuttgart am DLR-Institut für Technische Physik entwickelte kompakte System des miniSLR ist kastenförmig, komplett verkleidet und wiegt ungefähr 600 Kilogramm. Es ist 1,8 Meter lang, 1,3 Meter breit und zwei Meter hoch. Für seinen Einsatz benötigt man nur einen stabilen Untergrund sowie Strom- und Internetanschluss. In Zukunft soll das miniSLR vollautomatisch betrieben werden, was die laufenden Kosten einer Station ebenfalls erheblich senkt. Aktuell steuert das Team den Prototyp noch manuell.

„Die Miniaturisierung der Hauptkomponenten des miniSLR war eine große Herausforderung im Projekt“, beschreibt DLR-Wissenschaftler Wolfgang Riede. Er leitet die Abteilung Aktive Optische Systeme, in der das Projekt angesiedelt ist. „Um das System möglichst klein und kompakt zu halten, verwenden wir einen diodengepumpten Festkörperlaser. Dieser besitzt die notwendige Leistung, benötigt aber nicht so viel Platz. Das ist ein entscheidender Faktor. Denn das Teleskop beim miniSLR ist ebenfalls kleiner. Ohne den leistungsstarken Laser würden wir ansonsten nicht genug vom Laserlicht zurückbekommen, um erfolgreich messen zu können.“ Bei großen, stationären Anlagen hat das Teleskop einen Durchmesser von fünfzig bis achtzig Zentimetern. Das DLR-System kommt hingegen mit zwanzig Zentimetern aus. Gleichzeitig schätzt das Projektteam, dass das miniSLR um den Faktor drei bis fünf günstiger sein kann als konventionelle Stationen. Diese kosten zwischen drei und fünf Millionen Euro.

Über mehrere Jahre hat das kleine Team, bestehend aus einer Handvoll Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, einen ersten Prototyp des miniSLR entwickelt, aufgebaut und umfassend getestet. „Was die Genauigkeit betrifft, haben wir gute Fortschritte gemacht und viele valide Messdaten produziert. Bereits 2023 haben wir nachgewiesen, dass wir mit unserer deutlich vereinfachten und kostengünstigeren Station die gleiche Genauigkeit erreichen können wie stationäre SLR-Anlagen.“ Dazu hat das Projektteam Messungen mit mehreren Satelliten durchgeführt und diese Daten dann mit denen von 35 konventionellen SLR-Stationen verglichen.

Mit ihren bisherigen Arbeiten und den Messungen im Freien haben die DLR-Forscher gezeigt, dass ihr Prototyp in einer relevanten Umgebung funktioniert. Damit erreicht das miniSLR einen hohen Technologie-Reifegrad (Englisch: Technology Readiness Level, TRL) von sechs. Auf einer Skala von eins bis neun bewertet der Technologie-Reifegrad den Entwicklungsstand von neuen Technologien auf dem Weg zur kommerziellen Anwendung. Die langjährige Arbeit des Instituts für Technische Physik in den Bereichen der optischen und laserbasierten Technologien bilden die Grundlage für diesen Erfolg. Denn die Auswahl des speziell für diese Anwendung passenden Lasers, die Kombination von Teleskop, optischer Kamera und Laserstrahlführung erfordert viel Know-how und Erfahrung. Bei der Software konnte das Projektteam außerdem auf viele Arbeiten des Instituts zur laserbasierten Detektion von Weltraumschrott zurückgreifen.

Aktuell arbeitet das Team des miniSLR daran, das System weiter zu optimieren. Das Ziel ist es, gemeinsam mit der Industrie in die Vermarktung zu gehen und eine Klein-Serie zu starten. Das DLR hat bereits mit dem Potsdamer Unternehmen DiGOS einen Lizenzvertrag abgeschlossen, um gemeinsam einen verbesserten Prototyp zu bauen.

SLR ist die derzeit genauste Technologie, um die Position eines Satelliten zu bestimmen. Allerdings ist das Verfahren auf relativ gutes Wetter angewiesen, vor allem wenig Bewölkung. In Zukunft könnte mittels SLR auch die Flugbahn von weiteren Objekten im All genauer vermessen werden, zum Beispiel von Weltraumschrott in Form von inaktiven oder defekten Satelliten, sofern diese mit einem Reflektor ausgestattet sind. Deshalb setzt sich das Institut auch dafür ein, dass zukünftig alle Satelliten mit diesen ausgerüstet werden. So ließen sich Zusammenstöße von Schrotteilen und aktiven Satelliten besser vermeiden. „Mit Projekten wie dem miniSLR trägt das DLR dazu bei, weitere Standorte für SLR-Stationen zu erschließen und neue Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie zu finden – wie etwa das Überwachen von großen Satelliten-Konstellationen im Rahmen des Space Traffic Managements. Da immer höhere Genauigkeiten für viele satellitenbasierten Anwendungen wichtig sind, gibt es hier großes Potenzial“, erläutert DLR-Forscher Wolfgang Riede.

Aktuell verzeichnet das Netzwerk „International Laser Ranging Service“ (ILRS) weltweit mehr als vierzig aktive Laser-Ranging-Stationen. Das miniSLR des DLR ist dort ebenfalls gelistet und liefert Daten zu. Das Netzwerk bietet dem Team die Möglichkeit, die eigenen Messungen immer wieder auf ihre Qualität zu kontrollieren.

DLR / DE