SLR - TELEMETRÍA LÁSER A SATÉLITES
La técnica de Telemetría Láser a Satélites (SLR – Satellite Laser Ranging) es una de las cuatro técnicas de geodesia espacial, junto con VLBI, GNSS y DORIS, que combinadas constituyen la base para realizar los marcos de referencia terrestre globales.
La red actual de estaciones SLR está compuesta por más de 40 estaciones de seguimiento distribuidas globalmente y operadas por instituciones científicas de diferentes países. La red SLR proporciona mediciones de distancia muy precisas para varios tipos de satélites artificiales, desde satélites de observación espacial en órbita terrestre baja (órbitas LEO – Low Earth Orbit) hasta satélites de comunicaciones en órbitas geosincrónicas (es decir, de ~400 a ~40.000 km). Además, las estaciones con capacidades LLR (Lunar Laser Ranging) realizan de forma rutinaria mediciones láser hacia retrorreflectores ubicados en la superficie de la Luna.
Algunos ejemplos de productos derivados de datos SLR son:
- Coordenadas del centro de masas de la Tierra;
- Definición de la escala de los marcos de referencia terrestres en conjunto con el VLBI;
- Términos de grado bajo del campo gravitacional de la Tierra;
- Posicionamiento de estaciones y parámetros de rotación de la Tierra (ERPs – Earth Rotation Parameters);
- Parámetros orbitales de alta precisión de los satélites observados.
Las actividades de la Red SLR están coordinadas por el ILRS (International Laser Ranging Service), uno de los servicios de geodesia espacial de la Asociación Internacional de Geodesia (IAG) y miembro del GGOS (Global Geodetic Observing System) de la IAG. La función del ILRS es coordinar la infraestructura geodésica necesaria para monitorear los cambios globales en el sistema terrestre utilizando productos derivados de datos SLR.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El principio de funcionamiento de la técnica SLR es bastante sencillo: se emiten pulsos cortos de luz láser desde una estación terrestre SLR a través de un telescopio transmisor que se activa para seguir la posición prevista de un satélite en órbita, y el tiempo de emisión se registra mediante un dispositivo de cronometraje con precisión de menos de picosegundos. Los pulsos láser inciden en los retrorreflectores montados a bordo del satélite y se dirigen de regreso al telescopio receptor ubicado en la misma estación terrestre. Al recibir la luz láser reflejada, un detector de alta frecuencia genera una señal electrónica que activa el temporizador, registrando así el tiempo de viaje de ida y vuelta del pulso láser.
La mitad de este tiempo de viaje multiplicado por la velocidad de la luz, añadiendo algunas pequeñas correcciones, corresponde a la distancia a la que se encuentra el satélite en el momento de emisión del pulso láser. Las mediciones repetidas de satélites equipados con retrorreflectores proporcionan información sobre los parámetros orbitales con gran precisión y la posibilidad de estimar otros parámetros de interés geodésico, como la posición de las estaciones.
RED
Actualmente hay más de 40 estaciones SLR activas (Fig. 2). Una debilidad de la red actual es su mala distribución geográfica, con la mayoría de las estaciones ubicadas en el hemisferio norte. Esto se traduce en una cobertura subóptima, con grandes lagunas de datos, lo que afecta la calidad de los parámetros geofísicos de interés derivados de las mediciones SLR. Sin embargo, se espera que varias nuevas estaciones SLR planificadas entren en funcionamiento en un futuro próximo, mitigando así esta brecha.
[Ref.] Imagen por ILRS
INSTRUMENTACIÓN: SEGMENTO TERRESTRE
El segmento terrestre del SLR está compuesto por varios instrumentos, tales como:
- Sistema láser: el requisito es que sea un láser pulsado con potencia suficiente para alcanzar los satélites de interés. La longitud del pulso debe ser lo más corta posible para minimizar la incertidumbre de la medición. La mayoría de los sistemas láser utilizados actualmente en las estaciones SLR tienen las siguientes características:
- Láseres pulsados de estado sólido
- Nd: YAG (1064/532 nm)
- Tasas de repetición entre 10 y 2000 Hz
- Ancho de pulso 7-100 picosegundos
- Energía de 0,3 a 180 mJ
- Control del telescopio: el telescopio debe estar controlado por un ordenador para dirigir los pulsos láser con precisión hacia los objetivos y poder recibir los fotones reflejados a cambio. El sistema óptico se utiliza para transmitir y recibir pulsos láser, con dos configuraciones:
- Sistemas monostatic: un solo telescopio para transmitir y recibir pulsos láser.
- Sistemas bistatic: dos sistemas ópticos dedicados, uno para transmisión y otro para recepción.
- Los telescopios deben ser capaces de seguir satélites en órbitas LEO (~ 400 km) y deben hacerlo a velocidades de hasta 2°/s, manteniendo una precisión de puntería absoluta del orden de unos pocos segundos de arco.
- Cúpula: para proteger el telescopio y el equipo asociado. Los mejores sistemas minimizan la posible exposición directa a la luz solar.
- Fotodetectores que responden al pulso láser recibido y producen una señal eléctrica que interrumpe la medición del tiempo.
- Filtros espectrales para reducir el ruido durante las observaciones.
- Filtro de iris para limitar el campo de observación.
- El range gate generator se utiliza para reducir el nivel de ruido, activando el detector justo un instante antes del momento previsto de llegada de los pulsos láser.
- Sistemas de referencia de tiempo y frecuencia:
- Event Timer, dispositivo que realiza mediciones del tiempo de viaje con una resolución de unos picosegundos
- Sincronización de tiempo vía GNSS
- El máser de hidrógeno (reloj atómico) establece la referencia de frecuencia
- Sistemas de control y seguimiento de estaciones.
- Sistema de seguridad: disparar rayos láser de alta potencia desde la Tierra al espacio conlleva algunos riesgos de seguridad, que se abordan de varias formas y de forma redundante en las estaciones SLR, para garantizar operaciones seguras en todo momento.
APLICACIONES
Los datos SLR se utilizan para diversos fines, desde fines más teóricos, como probar el alcance de la relatividad general, hasta otros más prácticos, como estudios de validación de órbitas para misiones de satélites equipados con sus propios sistemas de navegación. Las aplicaciones más notables de la SLR incluyen:
- Marcos de Referencia Terrestres (TRF – Terrestrial Reference Frames): La técnica SLR es extremadamente importante en dos áreas principales en la definición y mantenimiento de los marcos de referencia: definir la escala y el origen (centro de masas). Este último es determinado exclusivamente por observaciones SLR.
- Apoyo a Misiones Científicas: Mediante la verificación y calibración de órbitas determinadas con otras técnicas (GNSS y DORIS), así como mediante la inclusión de observaciones SLR en los cálculos de dinámica orbital.
- Seguimiento de constelaciones GNSS para validación de órbitas y mejora de modelos dinámicos.
- Basura Espacial: Las estaciones SLR pueden adaptarse para realizar observaciones sobre objetivos no cooperativos o satélites extintos que orbitan alrededor de la Tierra, mediante la instalación de láseres más potentes.
- Lunar Laser Ranging: obtención de parámetros físicos de la Luna (efemérides, parámetros de rotación, desplazamientos de marea, etc.).
- Transferencia de hora: comparación de relojes en ubicaciones remotas a través de enlaces intercontinentales mediante láser (por ejemplo, T2L2)
- Campo gravitacional de la Tierra: términos de bajo grado del campo gravitacional, movimientos de masas dentro del sistema terrestre sólido, océanos y atmósfera.
- Geodinámica: movimiento de placas tectónicas y deformación de la corteza terrestre.
COMENTARIOS FINALES
Comprender los procesos que impulsan los cambios globales en el planeta Tierra es un requisito actual para que las sociedades modernas adopten políticas que minimicen el impacto negativo que estos cambios pueden tener, para adaptarse en el largo plazo a las realidades ambientales de un planeta en cambio, y planificar con antelación estrategias de prevención y modelos de desarrollo sostenible para garantizar el bienestar de las generaciones futuras. La geodesia es la disciplina que, a nivel fundamental, sustenta los esfuerzos científicos encaminados a lograr esta comprensión.
El SLR es, y seguirá siendo, una parte clave de estos esfuerzos en curso. Las exigencias cada vez más estrictas en términos de precisión, exactitud y estabilidad implican mejoras constantes en las redes de observación de las distintas técnicas implicadas, en las estrategias de procesamiento de datos y en los modelos utilizados en el análisis de datos. Para ello, muchas estaciones de la red SLR están actualizando sus sistemas y, cada vez más, aparecen nuevas estaciones SLR, algunas ya en fase de planificación o construcción. Además, las tecnologías base de las que dependen los componentes principales de los sistemas SLR continúan evolucionando, impulsando mejoras en la técnica y permitiendo nuevas aplicaciones.
Con las últimas actualizaciones significativas del sistema, el objetivo principal de la red SLR es lograr el objetivo global de una precisión de posicionamiento de menos de 1 mm y una estabilidad de menos de 0,1 mm/año.
[Ref.] Combrinck, L. “Satellite laser ranging”. In Sciences of Geodesy – I: Advances and Future Directions. Xu, G. ed. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, 2010. ISBN: 978-3-642-11741-1.
[Ref.] Rodríguez, José C., and Graham M. Appleby. «Satellite Laser Ranging.» Handbook of Laser Technology and Applications. CRC Press, 2021. 181-198.
[Ref.] Seeber, G. Satellite Geodesy: Foundations, Methods, and Applications. 2nd ed. (Walter de Gruyter, Berlin, New York, 2003. ISBN: 3-11-017549-5.