Satellitengetragene GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfänger stellen die Haupt-Datenquelle zur Bahnvermessung niedrigfliegender (LEO – Low Earth Orbiting) Erdsatelliten dar, da mit ihnen der komplette Orbit kontinuierlich erfasst werden kann. Die alternative Methode der Laser-Entfernungsmessung (SLR – Satellite Laser Ranging) wird als unabhängige und unterstützende Technik zur Bahnbestimmung verwendet. Ihre Hauptbegrenzung liegt in der schlechten räumlichen und zeitlichen Abdeckung. SLR-Messungen sind jedoch frei von Mehrdeutigkeiten und tragen maßgeblich zur Definition und Erstellung des ITRF (International Terrestrial Reference Frame) bei, da sie zur Bestimmung der Position von SLR-Stationen und zur Definition des Koordinatenursprungs und der Skalierung des ITRF genutzt werden.

Innerhalb der Entwicklungsarbeiten für die CHAMP Mission (Start 15. Juli 2000) 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 von JPL/NASA 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 des ILRS (International Laser Ranging Service) mit sowohl hoher Genauigkeit als auch ausreichender Signalstärke zu ermöglichen, damit Tages- und Nachtmessungen zustande kommen. Verbesserungen in der Technologie der Laser-Entfernungsmessungen ließen es zudem 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, GRACE oder GRACE-FO 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:

Eine detaillierte Beschreibung des LRR findet man in diesem Artikel.

Die Leistungsfähigkeit der am GFZ gefertigten LRRs ist hervorragend. Aus diesem Grunde wurde bzw. wird er neben CHAMP, GRACE und GRACE-FO auch für weitere Raumflugmissionen eingesetzt, z.B. auf den beiden deutschen Radar-Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X, dem koreanischen KOMPSAT-5und dem spanischen PAZSatelliten sowie auf der ESA-Magnetfeldmission Swarm, die aus 3 einzelnen Satelliten besteht.

Projektpartner:

• NASA (National Aeronautics and Space Administration, Washington, USA)
• ESA (European Space Agency)
• DLR OP (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen, Deutschland)
• DLR RFA (Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, Bonn, Deutschland)
• KARI (Korea Aerospace Research Institute, Daejeon, Südkorea)
• STI (Space Tech GmbH, Immenstaad, Deutschland)
• Zeiss (Carl Zeiss Jena GmbH, Jena, Deutschland)

Projektdauer:

• Seit 2000 

Finanzierung:

• Swarm, PAZ: ESA
• KOMPSAT-5: KARI
• CHAMP, GRACE, GRACE-FO, TerraSAR-X, TanDEM-X: GFZ (Eigenmittel)
• GRACE-C: DLR RFA