Satellite Laser Ranging (Abkürzung SLR) ist eine hochpräzise Methode der Satellitengeodäsie, bei der die Distanzmessung zu Erdsatelliten durch die Laufzeitmessung von Laser-Impulsen erfolgt.

SLR dient einerseits zur genauen Bahnbestimmung der Umlaufbahn von geodätischen Satelliten, andererseits zur Punktbestimmung in der Erdmessung und Geodynamik. Daraus können Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation abgeleitet werden - zusammen mit anderen Verfahren der Höheren Geodäsie.

Die SLR-Technik wurde in den 1960er Jahren entwickelt, erreichte in den 1970ern Genauigkeiten von etwa 1 Meter auf Distanzen bis zu 5000 km und weist heute Millimeter-Genauigkeit auf.

Ein SLR-System erfordert

1. einen Satelliten, der mit Retroreflektoren ausgestattet ist - zahlreiche kleine Glasprismen ("Cube Corners"), die das Laserlicht um genau 180° zurückwerfen -
2. ein Lasersystem, das extrem kurze, aber energiereiche Laserblitze erzeugt
3. ein lichtstarkes Teleskop, das den Laser zum Satelliten "schießt" und nach einer vorherberechneten "Torzeit" die zurückkommenden Lichtquanten registriert
4. einen hochgenauen Intervallzähler, der die Laufzeit des Lichts auf besser als Nanosekunden misst (±1 ns entspricht einem Distanzfehler von 15 cm [Zweiwegemessung])
5. einem Steuerungs-System für die Montierung des Teleskops, kombiniert mit Software zur Bahnberechnung und einer Atomuhr.

Der Laser ist bisher meist ein Festkörperlaser im roten oder grünen Licht, z.B. mit einem Neodym-Yttrium-dotierten Aluminium-Granat als erzeugendem Kristall. Er ermöglicht zahlreiche Messungen pro Sekunde, die über gewisse Zeit zu "Normalpunkten" gemittelt werden und so 5-10 mal höhere Genauigkeit ergeben als die einzelnen Blitze.

Eine Einschränkung besteht in der Notwendigkeit klaren Wetters und eines relativ dunklen Himmels. Extrem gebündelte Laser können seit einiger Zeit bei günstigen Umständen auch Messungen bei Tage durchführen.

Als Lasersatelliten stehen etwa 30 zur Verfügung, die in 474 km (Champ) bis 29601 km (Giove-A) Höhe die Erde umkreisen. Von ihnen sind LAGEOS und Starlette die wichtigsten.

Zur internationalen Abstimmung der Lasermessungen zu Satelliten wurde in den 1990ern der International Laser Ranging Service (abgek. ILRS) gegründet. Der ILRS organisiert und koordiniert die Laserentfernungsmessungen, um globale geodätische Projekte und Satellitenmissionen zu unterstützen. Er entwickelt auch geeignete Standards und Strategien zur Messung und Analyse, um eine hohe, gleich bleibende Qualität der Daten zu sichern.

Die Messungen der SLR-Stationen, von denen es weltweit einige Dutzend gibt, werden rechnerisch zu präzisen Vermessungsnetzen zusammengeschlossen, woraus Koordinaten und Erdrotation im mm-Bereich abgeleitet werden können. Zu den fundamentalen Produkten des ILRS zählen genaue Ephemeriden (Bahnen) der LASER-Satelliten, die Koordinaten und plattentektonischen Änderungen der Observatorien, Variationen des Geozentrums und des Erdschwerefeldes, sowie Fundamentalkonstanten der Physik, des Erdmondes und der Mondbahn.

Zur Bestimmung der letzteren dient das sog. Lunar Laser Ranging (LLR), also die Distanzmessung von terrestrischen Stationen zur Mondoberfläche. Dafür werden einige Laserreflektoren verwendet, die ab 1970 bei Apollo-Missionen und jenen der UdSSR am Mond aufgebaut wurden. Von diesen Lasermessungen über die 2-fache Monddistanz (~750.000 km) können die Laserstationen allerdings nur einzelne Lichtquanten registrieren, sodass die Methode sehr aufwendig ist. Dennoch steht z.B. seit einem Jahrzehnt fest, dass sich die Mondbahn jährlich um 40 mm vergrößert.

Da sich alle Laser-Observatorien mit der Erdrotation in 23,9345 Stunden um die Erdachse drehen, kann die Raumlage der Erde aus den Messungen genau bestimmt werden. Dazu dient eine spezielle Dienststelle des IERS (Internationaler Erdrotationsdienst, International Earth Rotation Service).

Der o.a. ILRS-Dienst (ILRS: International Laser Ranging Service) stellt die gemessenen und in ein einheitliches Modell reduzierten SLR-Daten dem IERS zur Verfügung. Dieser berechnet daraus in kurzen Zeitabständen die 3 wichtigsten Erdrotationsparameter (ERP), nämlich die Polkoordinaten x, y (Durchstoßpunkte der Erdachse) und die Weltzeitkorrektur dUT1 (Unregelmäßigkeit der Erdrotation).

Die Werte x,y variieren spiralförmig im Rhythmus der Chandler-Periode (etwa 430 Tage, überlagert von einer 365-Tage-Periode), bleiben aber innert eines 20 Meter großen Kreises. Der Wert von dUT1 ändert sich meist monoton (immer in einer Richtung) und ist die Ursache für die sog. Schaltsekunden, um welche die Weltzeit UTC alle 1-3 Jahre zu Silvester der mittleren Erdrotation nachgeregelt wird. Die ERP

Um die Wetterabhängigkeit des SLR zu überbrücken und die Genauigkeit zu steigern, werden die Laser-Messungen mit anderen Methoden kombiniert. Diese Methoden sind insbesondere

• die VLBI-Radiointerferometrie zu fernen Radioquellen (einigen hundert fast punktförmigen Quasaren)
• das Global Positioning System (GPS) und die verwandten Systeme GLONASS und künftig

Galileo,

• das Doppler-Funksystem DORIS und
• das Mikrowellen-System PRARE, das klein genug ist, um damit auch andere Satelliten auszustatten.

Diese verschiedenen Systeme bilden ein ununterbrochenes Monitoring der Erde und werden im Abstand mehrerer Jahre zu einem neuen terrestrischen Bezugssystem vereinigt. Diese Erdmodelle - siehe ITRS und ITRF 2000 - haben derzeit weltumspannende Genauigkeiten von wenigen Zentimetern. In einigen Jahren wird das nächste Globalmodell als ITRF 2005 noch genauer sein.

Alle diese Fundamentalsysteme sind neben der Geodäsie auch für andere Disziplinen grundlegend, insbesondere für die Astronomie, die Physik und die Raumfahrt.

• SLR-Webseite des GFZ Potsdam
• Modellbildung (Kräfte, Referenzsystem, Messfehler)
• Fundamentalstationen in Wettzell (Bayern) und in Chile (Menü=TIGO)
• Mobile Satelliten- und VLBI-Station TIGO in Chile
• swisstopo-Laserstation Zimmerwald und Bild eines Lasersatelliten
• Internationaler ILRS-Dienst
• International Laser Ranging Service