Telemetrie laser pe sateliți

Distanța laserului prin satelit (în engleză : Satellite Laser Ranging sau SLR ) este un sistem pentru măsurarea sateliților orbită utilizați pentru aplicații de geodezie , determinând traiectoria unor sateliți pentru studierea plăcilor tectonice . Sistemul folosește un transmițător laser care trimite impulsuri de lumină către satelitul artificial echipat cu un retroreflector . Semnalul reflectat este detectat de un telescop integrat cu emițătorul laser. Măsurarea timpului luat de semnalul luminos de revenire face posibilă determinarea distanței de la satelit cu o eroare mai mică de 1 cm . Activitatea stațiilor terestre care găzduiesc emițătoare laser și telescoape este coordonată în cadrul Serviciului Internațional cu Rază Laser. Calitatea rezultatelor telemetriei cu laser s-a îmbunătățit continuu de la apariția sa în 1964 datorită progresului tehnic și proliferării stațiilor; astăzi această tehnică este implementată de câteva zeci de sateliți echipați cu reflectoare.

Principii de funcționare

Tehnica de telemetrie cu laser prin satelit se bazează pe măsurarea foarte precisă a timpului necesar unui impuls de lumină pentru a face călătoria dus-întors între un emițător laser și un satelit artificial . Satelitul, pentru a reflecta fasciculul laser, are un sistem optic reflectorizant format din colțuri de cub care au proprietatea de a reflecta lumina în direcția exactă a emițătorului. Precizia unghiulară a reflectoarelor este de câteva secunde de grad.

Pulsul laser este emis și recepționat într-o stație de distanță cu laser situată pe Pământ, care are următoarele echipamente:

un laser cu impuls scurt (⇐ 100 picosecunde) care emite impulsuri scurte de lumină la o frecvență mai mare sau egală cu 10 ori pe secundă.
un telescop atașat la laser și care are un mecanism pentru urmărirea cursului satelitului, îndreptându-se spre el. Acesta primește lumina reflectată de reflector pe un detector.
un cronometru de foarte mare precizie (30 ps).
un ceas foarte precis care permite datarea fotografiilor cu laser în decurs de 100 nanosecunde.
de computere echipate cu software dedicat dirijării instrumentelor, adună datele efectuează calcule și transmit rezultatele către o bază de date internațională.

Distanța d este estimată prin măsurarea timpului scurs între plecarea și întoarcerea semnalului laser Δt luând în considerare viteza luminii c :

{\ displaystyle d = {\ frac {\ Delta t} {2}} \ cdot c}

Domenii de aplicare

Distanța laser este utilizată împreună cu alte metode de altimetrie prin satelit pentru a avansa mai multe domenii științifice:

Studiul câmpului gravitațional . Traiectoria unui satelit este perturbată de nereguli în câmpul gravitațional al Pământului. Măsurând periodic orbita unui satelit se pot determina caracteristicile câmpului gravitațional.

Controlul orbitei prin satelit: altimetria laser permite poziționarea precisă a orbitei satelitului.

Telemetria cu laser contribuie la construirea sistemului internațional de referință terestră .

Topografia subacvatică: Sateliții oceanografici determină topografia subacvatică prin aproximarea traiectoriei lor și a distanței până la suprafața apei.

Curenții oceanici: aceleași măsurători sunt folosite pentru cartografierea curenților oceanici prin estimarea diferenței de nivel generate la suprafața oceanului.

Fizică fundamentală

Planetologia lunară

Istoric

Telemetria laser pe sateliți a fost implementată pentru prima dată de NASA în 1964 cu satelitul Beacon B ( Explorer 22). Precizia primelor măsurători efectuate în 1965 a fost de aproximativ 2 metri; aceasta constituie o îmbunătățire clară în comparație cu radarele sau fotografiile care fac posibilă obținerea unei poziții cu o precizie de 50 până la 100 de metri și respectiv 10 până la 20 de metri. Calitatea acestei metode de telemetrie a fost limitată în acel moment de sistemele de măsurare a timpului scurs și de mecanismul servo al laserului și al telescopului responsabil de urmărirea unui satelit care trece la viteză mare pe cer.

Dintre retroreflectoare sunt încorporate la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970 la bordul modulului lunar al programului Apollo , al roverilor Lunokhod și al mai multor trenuri de aterizare ale programului Luna ; acum sunt instalate pe solul lunar. Acest echipament face posibilă măsurarea cu precizie a evoluției distanței Pământ-Lună. În deceniile care au urmat, telemetria cu laser s-a dezvoltat pentru a satisface nevoile sateliților care lucrează în diferite domenii: geodezie , oceanografie sau topografie , tectonică de plăci , măsurarea câmpului gravitațional al Pământului și a variațiilor acestuia și fizica fundamentală . Treptat, precizia metodei s-a îmbunătățit cu un factor de la o mie la câțiva milimetri. În ultimii zece ani, măsurători pot fi luate și în timpul zilei. Peste cincizeci de stații sunt instalate treptat în întreaga lume, adesea la inițiativa observatorilor astronomici.

Serviciul Internațional Laser Ranging (ILRS) a fost creat în 1998 pentru a coordona activitatea diferitelor stații laser pentru a răspunde la dezvoltarea activităților spațiale în geodezie și geofizică. ILRS înlocuiește organizații similare cu o dimensiune regională.

Alte sisteme de telemetrie prin satelit

Gama laser are dezavantaje și avantaje. Permite o precizie de câțiva milimetri care se îmbunătățește, iar echipamentul de la bordul satelitului este relativ ieftin. Spre deosebire de tehnicile de geodezie care utilizează semnale electromagnetice, precizia sa este relativ insensibilă la componenta umedă a troposferei . Pe de altă parte, nu mai poate fi utilizat atunci când condițiile meteorologice se deteriorează (acoperire semnificativă a norilor) și necesită întreținerea echipamentelor de sol relativ grele, precum și prezența personalului calificat pentru implementarea acestuia. Dincolo de o altitudine de 20.000 km , raza laser se răspândește prea puternic pentru a permite detectarea returnării semnalului cu suficientă precizie. De la începutul anilor 1990, s-au dezvoltat alte sisteme de telemetrie, bazate pe utilizarea semnalelor radio, care au avantajul de a fi sisteme pentru toate condițiile meteorologice, dar a căror precizie este mai afectată de traversarea straturilor atmosferei. :

DORIS ( Orbit Determination and Integrated Satellite Radioposition ), este un sistem dezvoltat de CNES bazat pe antene de transmisie distribuite pe tot globul. Satelitul poartă un receptor care analizează semnalele radio transmise și calculează poziția din schimbul Doppler. Sistemul este implementat pe o jumătate de duzină de sateliți.
Sistemul de poziționare prin satelit face posibilă determinarea poziției și vitezei unui telefon mobil care transportă un receptor oriunde și oricând. Sistemul GPS american este în prezent implementat pe un număr de sateliți.
Sistemul german PRARE ( Precise Range and Range Rate Equipment ) se bazează, la fel ca DORIS, pe emisiile antenelor de la sol. Acest sistem care a fost utilizat în special de ERS-2 lansat în 1995 nu mai este menținut.

Unii sateliți au acum mai multe sisteme de telemetrie la bord pentru a beneficia de calitățile fiecăruia dintre sisteme.

Note și referințe

Joelle Nicolas , p. 18 op. cit.
Joelle Nicolas , p. 15 op. cit.
Joelle Nicolas , p. 159-162 op. cit.

Vezi și tu

Bibliografie

Joelle Nicolas, stația laser ultra mobilă pentru obținerea unor măsurători precise de centimetru pentru aplicații în oceanografie și geodezie spațială (teză) ,2000( citește online )
David Coulot, Telemetrie laser pe sateliți și combinație de tehnici geodezice (teză) ,2005( citește online )

Articole similare

Geodezie
Altimetrie prin satelit
LAGEOS , doi sateliți geodezici care folosesc tehnica telemetriei cu laser.
DORIS (Doppler Orbitography and Radioposition Integrated by Satellite), o altă metodă utilizată pentru calibrarea altimetrilor sateliților de observare a Pământului.
Reflector lunar

linkuri externe