SLR - SATELLITE LASER RANGING
SLR (Satellite Laser Ranging) é uma das quatro técnicas de geodesia espacial, juntamente com VLBI, GNSS e DORIS, que combinadas constituem a base para realizar os referenciais terrestres globais.
A atual rede de estações SLR compreende mais de 40 estações de rastreio distribuídas globalmente e operadas por instituições científicas de diferentes países. A rede SLR fornece medições de distância muito precisas para vários tipos de satélites artificiais, desde satélites de observação espaciais em órbita baixa da Terra (orbitas LEO – Low Earth Orbit) até satélites de comunicação em órbitas geossíncronas (ou seja, de ~400 a ~40.000 km). Além disso, estações com capacidades de LLR (Lunar Laser Ranging) realizam de forma rotineira medições laser em direção retrorrefletores localizados na superfície da Lua.
Alguns exemplos de produtos derivados de dados SLR são:
- Coordenadas do centro de massa da Terra;
- Definição da escala dos referenciais terrestres em conjunto com o VLBI;
- Termos de ordem baixa do campo gravitacional terrestre;
- Posicionamento de estações e parâmetros de rotação da Terra (ERPs – Earth Rotation Parameters);
- Parâmetros de órbita de alta-precisão dos satélites observados.
As atividades da Rede SLR são coordenadas pelo ILRS (International Laser Ranging Service), um dos serviços de geodesia espacial da Associação Internacional de Geodesia (IAG) e membro do GGOS (Global Geodetic Observing System) do IAG. O papel do ILRS consiste em coordenar a infraestrutura geodésica necessária para monitorar as mudanças globais no sistema Terra utilizando os produtos derivados de dados SLR.
PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
O princípio de funcionamento da técnica SLR é bastante simples: Pulsos curtos de luz laser são emitidos de uma estação terrestre SLR através de um telescópio transmissor que é acionado para seguir a posição prevista de um satélite em órbita, com o tempo de emissão registado por um dispositivo de cronometragem com precisão inferior a alguns picossegundos. Os pulsos laser atingem os retrorrefletores montados a bordo do satélite e são direcionados de volta ao telescópio receptor localizado na mesma estação terrestre. Ao receber a luz laser refletida, um detector de alta frequência gera um sinal eletrónico que aciona o temporizador, gravando assim o tempo de trajeto ida-volta do pulso laser.
Metade deste tempo de trajeto multiplicado pela velocidade da luz, adicionando algumas pequenas correções, corresponde à distância a que o satélite se encontra no momento de emissão do pulso laser. Medições repetidas dos vários satélites equipados com retrorrefletores, fornecem informações dos parâmetros de orbita com grande precisão e a possibilidade de estimar outros parâmetros de interesse geodésico, como a posição das estações.
REDE
Atualmente existem mais de 40 estações de rastreio ativas (Fig. 2). Um ponto fraco da rede atual é a sua pobre distribuição geográfica, com a maior parte das estações localizadas no hemisfério norte. Isto traduz-se numa cobertura abaixo do ideal, com grandes lacunas de dados, impactando a qualidade dos parâmetros geofísicos de interesse derivados das medições SLR. No entanto, é esperada a que várias novas estações SLR planeadas se tornem operacionais num futuro próxima, mitigando assim esta lacuna.
[Ref.] Imagem por ILRS
INSTRUMENTAÇÃO: SEGMENTO TERRESTRE
O segmento terrestre do SLR é formado por diversos instrumentos, tais como:
- Sistema laser: o requisito é que seja um laser pulsado com potência suficiente para atingir os satélites de interesse. O comprimento de pulso deve ser o mais curto possível para minimizar a incerteza na medição. A maioria dos sistemas laser utilizados atualmente nas estações SLR possuem as seguintes características:
- Lasers pulsados de estado sólido
- Nd:YAG (1064/532nm)
- Taxas de repetição entre 10 e 2.000 Hz
- Largura de pulso 7-100 picossegundos
- Energia de 0,3 a 180 mJ
- Controlo do telescópio: é necessário que o telescópio seja controlado por computador para direcionar os pulsos laser com precisão na direção aos alvos, e ser possível receber os fotões refletidos no retorno. O sistema óptico é utilizado para transmitir e receber os pulsos laser, existindo duas configurações:
- Sistemas monostatic: apenas um telescópio para transmissão e recepção dos pulsos laser.
- Sistemas bistatic: dois sistemas ópticos dedicados, um para transmissão e outro diferente para recepção.
- Telescópios capazes de seguir os satélites em orbitas mais baixas (~ 400 km) devem rastrear a velocidades de até 2°/s, mantendo uma precisão absoluta na pontaria na ordem de alguns segundos de arco.
- Cúpula: para proteger o telescópio e equipamentos associados. Os melhores sistemas minimizam a possível exposição direta à luz solar.
- Fotodetectores que respondem ao pulso laser recebido e produzem um sinal elétrico que interrompe a medição do tempo.
- Filtros espectrais para reduzir o ruído durante observações.
- Filtro de íris para limitar o campo de observação.
- O range gate generator é usado para reduzir o nível de ruído, ativando o detector apenas um instante antes do tempo previsto de chegada dos pulsos laser.
- Sistemas de referência de tempo e frequência:
- Event Timer, dispositivo que realiza medições de tempo de voo com resolução de alguns picossegundos
- Sincronização de tempo via GNSS
- Maser de hidrogénio (relógio atómico) estabelece a referência em frequência
- Sistemas de controlo e monitorização da estação
- Sistema de segurança: disparar feixes laser de alta potência do solo para o espaço acarreta alguns riscos de segurança, os quais são abordados de diversas maneiras e de forma redundante nas estações SLR, para garantir operações seguras em todos os momentos.
APLICAÇÕES
Os dados SLR são utilizados para diversos fins, desde fins mais teóricos, como testes de âmbito da relatividade geral, até outros mais práticos, como em estudos de validação de órbitas para missões de satélites equipados com sistemas de navegação próprios. As aplicações mais notáveis do SLR incluem:
- Referenciais Terrestres (TRF – Terrestrial Reference Frames): A técnica SLR é extremamente importante em duas áreas principais na definição e manutenção dos referenciais: definição da escala e da origem. O último é determinado exclusivamente pelas observações SLR (geocentro).
- Apoio a Missões Científicas: Através da verificação e calibração de órbitas determinadas com outras técnicas (GNSS e DORIS), bem como através da inclusão de observações SLR nos cálculos de dinâmica de órbitas.
- Rastreio de constelações GNSS para validação de órbita e melhoria de modelos dinâmicos.
- Detritos Espaciais: As estações SLR podem ser adaptadas para realizar observações em alvos não cooperativos ou satélites extintos que orbitam a Terra, através da instalação de lasers mais potentes.
- Lunar Laser Ranging: obtenção de parâmetros físicos da Lua (efeméride, parâmetros de rotação, deslocamentos de maré, etc).
- Transferência de Tempo: comparação de relógios localizados em locais remotos através de links intercontinentais via laser (por exemplo, T2L2)
- Campo gravitacional terrestre: termos de ordem baixa do campo gravitacional, movimentos de massa dentro do sistema Terra sólida, oceanos e atmosfera.
- Geodinâmica: movimento das placas tectónicas e deformação da crosta terrestre.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Compreender os processos que impulsionam as mudanças globais no planeta Terra é um requisito atual para as sociedades modernas a fim de se adoptarem políticas para minimizar o impacto negativo que essas mudanças podem exercer, para se adaptarem a longo prazo às realidades ambientais de um planeta em mudança, e planear antecipadamente estratégias de prevenção e modelos de desenvolvimento sustentável para garantir o bem-estar das gerações futuras. A geodesia é a disciplina que, a um nível fundamental, sustenta os esforços científicos destinados a obter essa compreensão.
O SLR é, e continuará a ser uma parte fundamental para esses esforços contínuos. Os requisitos cada vez mais rigorosos em termos de precisão, exatidão e estabilidade implicam melhorias constantes nas redes de observação das diversas técnicas envolvidas, nas estratégias de processamento de dados e nos modelos empregues na análise de dados. Para este fim, muitas estações da rede SLR estão a actualizar os seus sistemas, e cada vez mais, novas estações SLR estão a surgir, algumas já em fase de planeamento ou construção. Além disso, as tecnologias base nas quais dependem os principais componentes dos sistemas SLR, continuam a evoluir impulsionando melhorias na técnica e permitindo novas aplicações.
Com as últimas modernizações significativas nos sistemas, o principal objetivo da rede SLR é atingir a meta global de precisão no posicionamento inferior a 1 mm, e de estabilidade inferior a 0,1 mm/ano.
[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.