2024 年 1 月 25 日
- 使用衛星雷射測距（SLR）過程，可以非常精確地確定衛星與地球之間的距離。
- 這對於大地測量、衛星導航以及未來衛星和大型衛星星座的運作都很重要。
- 透過 miniSLR，DLR 開發了行動 SLR 站：它更易於設定和維護，可以自動操作，因此顯著更具成本效益。
- 重點領域：太空旅行、太空意識、太空管理、雷射技術、技術轉移
衛星雷射測距 (SLR) 是一種非常精確的基於雷射的方法，可確定衛星與地球之間的距離（精確到幾毫米）。SLR 主要用於大地測量。衛星軌道的精確測量有助於確定地球本體及其自轉的變化。單眼製程在衛星導航領域也做出了重要貢獻。到目前為止，SLR所需的系統都是大型車站。它們的結構複雜，相應地價格昂貴並且需要多人操作。德國航空航天中心 (DLR) 首次開發了一種移動且體積小得多的變體：「miniSLR」可運輸，更易於設定和維護，並且可以自動操作。這使得它比通常的單眼系統便宜得多。miniSLR 原型機已經在實際操作條件下提供了可以跟上大型固定係統的測量結果。
單眼技術：數千公里距離毫米級精度測量
在 SLR 中，地面站以短雷射脈衝的形式發射雷射光束。它擊中目標衛星，被偏轉回來並由地面站用望遠鏡記錄。物體和地面站之間的距離可以根據雷射穿過這條路徑所需的時間非常精確地計算出來。對於高精度的單反過程，衛星需要一個反射器——類似自行車上的後反射器或貓眼。它還有助於了解粗略的軌道數據，例如基於使用雷達的粗略測量。使用單眼衛星時，有時必須用雷射光束擊中距離數千公里、時速超過 28,000 公里的衛星。
miniSLR：靈活、全自動、經濟高效，且高精度
這款緊湊型 miniSLR 系統由DLR 技術物理研究所在斯圖加特開發，呈盒狀，完全覆蓋，重量約 600 公斤。長1.8米，寬1.3米，高2米。要使用它，研究人員只需要一個穩定的表面以及電源和互聯網連接。未來，迷你單眼將實現全自動運行，這也將大幅降低月台的運行成本。該團隊目前仍在手動控制原型。
「迷你單眼相機主要部件的小型化是該計畫的主要挑戰，」德國航太中心科學家沃爾夫岡·里德 (Wolfgang Riede) 描述道。他領導該專案所在的有源光學系統部門。「為了讓系統盡可能小且緊湊，我們使用所謂的二極體泵浦固態雷射。這具有必要的性能，但不需要太多的空間。這是一個至關重要的因素。因為迷你單眼相機上的望遠鏡也更小。如果沒有強大的激光，我們就無法獲得足夠的激光，從而無法成功測量。」在大型固定係統中，望遠鏡的直徑為 50 至 80 厘米。另一方面，DLR 系統的距離為 20 公分。同時，專案團隊估計miniSLR可以比傳統站便宜三到五倍。這些花費在三到五百萬歐元之間。
高水準的技術成熟度：原型在真實環境中工作
幾年來，這個由少數科學家組成的小團隊開發、建造並全面測試了迷你單眼相機的初始原型。「在準確性方面，我們取得了良好的進展，並產生了大量有效的測量數據。早在2023 年，我們就已經證明，透過我們顯著簡化且更具成本效益的站點，我們可以實現與固定SLR 系統相同的精度。」為此，專案團隊使用多顆衛星進行了測量，然後將這些數據與來自 35 個傳統 SLR 站的數據。
透過先前的工作和戶外測量，德國太空中心研究人員已經證明他們的原型可以在相關環境中工作。這意味著 miniSLR 達到了 6 級高技術就緒水準 (TRL)。技術成熟度等級從1到9，評估新技術在商業應用過程中的開發程度。技術物理研究所在光學和雷射技術領域的多年工作構成了這一成功的基礎。選擇特別適合該應用的雷射、望遠鏡、光學相機和雷射光束導引的組合需要大量的專業知識和經驗。在軟體方面，專案團隊也藉鑒了該研究所在基於雷射的太空碎片探測方面的許多成果。
miniSLR團隊目前正在進一步優化系統。目標是和業界一起進入行銷，做一個小系列。德國航太中心已經與波茨坦公司DiGOS簽訂了許可協議，共同建造改良的原型機。
開啟單眼新應用領域：控制衛星星座
SLR 是目前確定衛星位置最準確的技術。然而，這個過程依賴相對良好的天氣，尤其是少雲。未來，單眼相機還可以用於更精確地測量太空中其他物體的軌跡，例如不活動或有缺陷的衛星形式的空間碎片，前提是它們配備了反射器。這就是為什麼該研究所致力於確保未來所有衛星都配備這些設備。這使得更容易避免碎片和活動衛星之間的碰撞。「透過 miniSLR 等項目，DLR 正在幫助為 SLR 站開闢更多地點，並尋找該技術的新用途，例如監測大型衛星星座，作為太空交通管理的一部分。由於更高的精度對於許多基於衛星的應用非常重要，因此這裡有巨大的潛力，」德國航太中心研究員 Wolfgang Riede 解釋道。
「國際雷射測距服務」（ILRS）網路目前在全球擁有40多個主動雷射測距站。DLR miniSLR 也列在那裡並提供資料。該網路為團隊提供了不斷檢查自己測量品質的機會。
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miniSLR正在等待下次使用
miniSLR 位於斯圖加特 DLR 技術物理研究所的屋頂上，已準備好進一步測量。