CN105737792A - 传感器的借助由卫星发出的激光射束的转动位置确定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助由卫星发出的激光射束来确定传感器的转动位置。为此，所述传感器(101)具有转动位置?确定装置(100)，所述转动位置?确定装置具有激光射束?检测装置(102)，以用于检测由所述卫星(107)发出的激光射束(108)。此外，所述转动位置?确定装置包括控制装置(103)，其被实施为，基于所检测到的激光射束(108)来确定所述转动位置?确定装置的转动位置。

Description

传感器的借助由卫星发出的激光射束的转动位置确定
技术领域
本发明涉及传感器的转动位置的确定。本发明尤其是涉及一种转动位置-确定装置、一种具有转动位置-确定装置的传感器、一种飞机、一种卫星和一种方法。
背景技术
存在多种不同类型的传感器，在这些传感器中，精确确定所述传感器的转动位置或所述传感器的精确定向是必需的。例如近地卫星或观测飞机或无人机(UAV)的高分辨率摄像机传感器是针对此的。
例如可以本地借助机械、电气或光学设备、例如陀螺仪、MEMS、光纤陀螺仪或者磁流体动力传感器来实现传感器的转动位置。此外，所述传感器的转动位置-确定也可借助所谓的星体追踪器来确定，所述星体追踪器使用恒星作为参照源。
发明内容
本发明的任务在于，更加精确地确定传感器的转动位置，并且同时减少为此所需要的技术花费。
所述任务通过独立权利要求或并列独立权利要求的主题来解决。改进方案和实施方式可以由从属权利要求、说明书以及附图中得出。
此外，本发明基于以下认识，即：传感器转动位置的例如借助本地设备的以微拉德(μrad)精度的确定可能伴随着高的技术花费。另外，本发明基于以下认识，即：所谓的星体追踪器由于大的视域(近似半球形)以及CCD平均时间而可能在精度上有所限制，因为恒星相对光线微弱。
本发明的第一个方面涉及一种传感器的转动位置-确定装置，所述转动位置-确定装置包括用于检测由卫星所发出的激光射束的激光射束-检测装置以及控制装置。所述控制装置被实施用于基于由所述传感器装置所检测到的激光射束确定所述转动位置-确定装置的转动位置。
本发明的核心思想可能在于，由卫星发出的激光射束被用于确定传感器的转动位置或定向。通过这种方式，转动位置的确定可达到非常高的精度，例如在微拉德的范围内。此外，与恒星相反，由卫星发出的激光射束具有高的信噪比，该信噪比几乎可以是恒星情况下的100倍。这提供以下优点，即：所述激光射束-检测装置不需要像星体追踪器那样长的曝光时间或平均时间，使得精度能够相对于星体追踪器而言明显被增大。另外，在传感器方面，不需要高的技术花费来检测激光射束，使得转动位置-确定装置是可靠的并且能够成本适宜地被提供。
所述传感器可表示不同类型的传感器，其中转动位置的精确确定和/或精确的定向是必需的。所述传感器例如可以是近地卫星或飞机、尤其是无人机(UAV)的高分辨率摄像机。但所述传感器例如也可以是固着于地面的望远装置。此外，所述传感器还可以是雷达传感器或者另一种类型的传感器。
所述激光射束-检测装置可以理解为一种用于检测光学和/或红外激光辐射的传感器单元。此外，所述激光射束-检测装置可被实施用于检测单色的激光辐射。也就是说，所述传感器可专门被设计成，检测激光的确定波长。通过使用单色的传感器的方式，能够进一步降低技术花费并且提高精度。
所述卫星可以例如是一种地球同步卫星，也就是说卫星具有对地同步的运行轨道。但所述卫星也可具有另一种运行轨道，例如高椭圆运行轨道(HEO)、超同步运行轨道、中地球运行轨道(MEO)或者是另一种所述卫星在其中与地球表面具有1000km、优选2000km距离并且其位置可精确确定的运行轨道。换句话说，所述卫星可具有以下运行轨道，该运行轨道适用于以此使用卫星或卫星的激光器作为参考点。
由卫星发出的激光射束例如可具有小于10微拉德的集束(Bündelung)。所述激光射束的波长例如可为1550nm或者8864nm。但其他波长根据使用哪种类型的激光也是可以的。此外，所述激光射束-检测装置和所述卫星的激光可精确地彼此协调，使得所述激光射束-检测装置被实施用于检测由卫星发出的、确定类型的激光辐射。通过所述激光射束-检测装置和由卫星发出的激光射束的这种调协，所述转动位置-确定装置可进一步得到改进，也就是说，可以提高精确度并且降低技术花费。
所述卫星的激光可这样来实施，使得所述激光射束覆盖面积约为1km2的区域。此外，所述卫星可被实施用于将激光对准所述转动位置-确定装置的地理位置。此外，所述卫星可被实施用于，激光器通过激光射束对围绕地理位置的区域采样。所述激光器例如可通过激光射束对不安全区域采样。采样例如可通过所述激光射束进行圆形、螺旋形或曲折形的采样移动的方式来实现。
所述转动位置-确定装置的控制装置可被理解为所述转动位置-确定装置的控制和/或调节电子设备。换句话说，所述控制装置也可被理解为一种调节电路。例如可通过确定与激光射束波前的一个或两个角度，来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。所述激光射束-检测装置例如可被实施用于确定，所述激光射束以哪个或哪些角度射到所述激光射束-检测装置上，或所述激光射束是在哪个或哪些角度下被所述激光射束-检测装置所接收。另外，所述控制装置可被实施为，基于所述确定装置的转动位置来确定所述传感器的转动位置。所述转动位置-确定装置例如可被实施为，固定地与所述传感器相连接，使得所述转动位置-确定装置的转动位置同时也是所述传感器的转动位置。
在本发明的上下文中，所述转动位置可以被理解为在地球固定坐标系中、也就是说在地理坐标系中的转动位置。也就是说，所述转动位置可以是相对于地球表面的转动位置。所述转动位置例如可通过所谓的欧拉角来表示。
此外，本发明还可涉及一种转动位置-确定系统，其具有在上下文中所描述的转动位置-确定装置以及在本发明的上下文中所描述的卫星。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述转动位置-确定装置另外具有位置检测装置，用于检测所述传感器的地理位置；以及发送装置，用于把检测到的所述传感器的地理位置传输给所述卫星。
通过这种方式，所述卫星可知悉所述传感器的地理位置，使得所述卫星能够将所述激光射束对准所述传感器的地理位置。
所述位置检测装置和所述发送装置可被集成在所述转动位置-确定装置内，或者也可被布置在所述转动位置-确定装置以外。例如所述位置检测装置和所述发送装置可被布置在地面站内。所述位置检测装置例如可以是一种GPS系统，其能够检测所述传感器的位置。但所述位置检测装置也可表示一种输入设备，能够借助该输入设备输入所述传感器的位置。
在本发明的上下文中，地理位置可理解为地理坐标或地点坐标。所述传感器的地理位置另外还可理解为飞机或近地卫星的飞行计划。近地卫星或飞机、尤其是无人机的飞行计划例如可被上传到该卫星上，使得卫星知道，在何时将激光射束对准哪个地理位置。
所述发送装置可被理解为一种用于与卫星通信的装置。在此，可使用不同的传输方式进行通信，例如无线电波或激光射束。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述转动位置-确定装置具有存储装置，所述卫星的位置被存储在该存储装置内。另外，所述控制装置被实施为，为了确定所述转动位置-确定装置的转动位置，对所存储的卫星位置进行处理。
所述卫星的位置例如可以包括方位角。通过这种方式，所述控制装置可通过将所述转动位置-确定装置的地理位置与所述卫星的位置进行比较，来确定所述转动位置-确定装置的斜度或转动位置。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述激光射束-检测装置被实施用于以至少10微拉德、优选至少5微拉德、更优选至少1微拉德的精度来检测所述激光射束。
所述激光射束-检测装置例如可具有图像传感器，设计该图像传感器来划分为传感器子单元，使得达到至少10微拉德、5微拉德、1微拉德的精度。通过这种方式，所述转动位置-确定装置可以以相应的精度或精确度来检测转动位置。也就是说，所述激光射束-检测装置可具有以下分辨率，使得能够以10微拉德、5微拉德或1微拉德的精度确定所述激光射束的方向。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述激光射束-检测装置具有被分成多个传感器子单元的图像传感器以及用于将所检测到的激光射束聚焦到该图像传感器上的成像光学系统。在此，所述多个传感器子单元的每个传感器子单元分别被实施为，在通过所聚焦的激光射束曝光时生成电气信号。所述控制装置被实施为，通过分析所述电气信号来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。
所述成像光学系统可被理解为一种透镜装置、镜面装置和/或一种物镜系统，其分别被设计用于使所述激光射束聚焦。另外，所述图像传感器可以被设计成，使得其能够检测由卫星发出的激光射束的确定波长。所述图像传感器例如可以是一种单色的、仅能够检测所述激光射束的波长的图像传感器。所述图像传感器还可被实施为检测红外射束。
换句话说，所述图像传感器可被分成不同的像素或扇区。例如所述图像传感器可具有少量传感器子单元、例如四个分区。但所述图像传感器也可分成多个像素。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述传感器子单元像素和所述控制装置被实施为，通过分析哪些像素生成电气信号来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述图像传感器被分为四个被实施为分区的传感器子单元。所述控制装置被实施用于通过分析由所述分区生成的电气信号的强度来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。也就是说，所述图像传感器可被分成正好四个分区。
例如可通过例如在对角线上的四个分区的强度彼此相减的方式，来确定所述激光射束的射入角。
本发明的另一方面涉及一种具有在本发明的上下文中所描述的转动位置-确定装置的传感器。
在这种情况下，所述转动位置-确定装置的控制装置可以被实施用于基于由所述传感器装置检测到的激光射束来确定所述传感器的转动位置。
此外，所述传感器还可具有在所述转动位置-确定装置的上下文中所描述的特征。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述控制装置被实施为，基于确定的转动位置来定向所述传感器。
例如可预先给定所述传感器的确定的定向，使得所述控制装置能够从所述确定的转动位置出发来定向所述传感器，使得达到预先给定的定向。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述传感器是一种光学摄像机、红外摄像机、雷达传感器和/或一种具有合成孔径的雷达。所述摄像机尤其可以是飞机或近地卫星的高分辨率摄像机。
本发明的另一方面涉及一种传感器系统，该传感器系统具有在本发明的上下文中所描述的第一传感器和在本发明的上下文中所描述的第二传感器。在此，所述第一传感器和所述第二传感器的转动位置-确定装置的控制装置被实施为，共同地定向所述第一传感器和所述第二传感器。
例如所述第一传感器和所述第二传感器可被布置在近地卫星或飞机上。所述第一传感器和所述第二传感器可被实施为，通过不同的波长来研究地球表面上的相同的点或区域或通过不同的波长来检测该区域的辐射。借助所述系统，所述第一传感器和所述第二传感器可非常准确地被定向到地球表面上的相同区域上。此外，所述第一传感器和所述第二传感器的转动位置-确定装置的控制装置可被集成在所述传感器系统的中央控制装置内，所述中央控制装置被实施为，共同地定向所述第一传感器和所述第二传感器。
所述第一传感器和所述第二传感器例如也可被放置在两个不同的飞机、卫星或望远装置上，使得能够共同地定向这两个不同的飞机、卫星或望远装置或其传感器。
本发明的另一方面涉及一种飞机或一种近地卫星，该飞机或该卫星具有在本发明的上下文中所描述的传感器或在本发明的上下文中所描述的传感器系统。
所述飞机例如可以是一种观测飞机和/或一种无人机(UAV)。
本发明的另一个方面涉及一种用于定向传感器的方法，该方法具有借助转动位置-确定装置检测由卫星发出的激光射束的步骤以及基于所检测的激光射束确定所述传感器的转动位置的步骤。
另外，该方法的步骤也可以通过以下特征来表征，所述特征在转动位置-确定装置、传感器、传感器系统或者飞机或卫星的上下文中被描述。此外，所述步骤可以以所说明的顺序、以另一种顺序或者彼此并行地被执行。
根据本发明的一种示例性的实施方式，所述方法还包括检测所述转动位置-确定装置的地理位置的步骤以及把所检测到的所述转动位置-确定装置的位置传输给所述卫星的步骤。
根据本发明的另一种示例性的实施方式，所述方法还包括对所述卫星的位置进行处理以便确定所述传感器的转动位置的步骤。
本发明的其他特征、优点和应用方案由实施例和附图的随后描述中得出。在此，所描述的和/或图示的所有特征本身并且以任意组合的形式构成本发明的主题，也与其在各个权利要求或其回溯中的组成无关。
附图说明
图1示出了具有根据本发明的一个实施例的转动位置-确定装置的传感器；
图2A示出了根据本发明的一个实施例的转动位置-确定装置的激光射束-检测装置；
图2B和2C分别示出了一种根据本发明的一个实施例的图像传感器；
图3示出了两个无人机，其具有根据本发明的一个实施例的传感器和转动位置-确定装置；
图4示出了一种具有两个传感器的无人机，所述传感器分别具有根据本发明的一个实施例的转动位置-确定装置；
图5示出了具有根据本发明的一个实施例的转动位置-确定装置的望远装置；
图6示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图；
图7示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
在此，附图示意性并且不严格按照比例地示出。如果在随后的描述中在不同附图的上下文中说明相同的附图标记，那么其表示相同或相类似的元件。但相同或相类似的元件也可以利用不同的附图标记来表示。
具体实施方式
在图1示出了具有根据本发明的一个实施例的转动位置-确定装置100的传感器101。所述转动位置-确定装置100包括激光射束-检测装置102，用于检测由卫星107发出的激光射束108。另外，所述转动位置-确定装置100包括控制装置103，该控制装置被实施用于基于由所述传感装置检测到的激光射束来确定所述转动位置-确定装置100的转动位置进而也确定所述传感器101的转动位置。此外，所述转动位置-确定装置100包括用于检测所述传感器101的地理位置的位置检测装置104、用于把所检测到的所述传感器101的地理位置传输给卫星107的发送装置105以及存储装置106，所述卫星107的位置被存储在该存储装置内。
所述传感器101例如可以是一种高分辨率摄像机，其被安装在近地卫星或飞机上。所述转动位置-确定装置或所述传感器的转动位置可以是所述转动位置-确定装置或所述传感器的倾斜角度109。此外，也可以是相对于通过地球坐标所定义的平面或球表面而言的两个倾斜角度109。
所述位置检测装置104和所述发送装置可如所示的那样被集成在所述转动位置-确定装置100内。替代地，所述位置检测装置104和所述发送装置也可被集成在地面站110内。
所述传感器例如可被安装在近地卫星上。在这种情况下，所述地面站110可将所述近地卫星的位置和/或飞行计划传输给所述卫星107。另外，所述位置检测装置是所述地面站110的一种用于确定所述近地卫星的飞行计划的装置，并且所述发送装置是所述地面站的一种用于把数据传输给所述卫星107的通信装置。
在所述发送装置104被集成在所述转动位置-确定装置100内或被布置在近地卫星或飞机上的情况下，所述发送装置要么可以直接地把所述传感器101的位置传输给所述卫星107，要么可以通过所述地面站110把所述传感器101的位置传输给所述卫星107。
在图2A中示出了根据本发明的一个实施例的激光射束-检测装置102。所述激光射束-检测装置102包括图像传感器203，其被分成多个传感器子单元204、205。该图像传感器例如是一种单色的CCD传感器，其被设计用于检测由卫星发出的激光辐射108。此外，所述激光射束-检测装置包括成像的光学系统201、例如透镜，用于使所检测到的激光射束108、202在所述图像传感器203上聚焦。换句话说，所述成像光学系统201由所述激光射束108生成被聚焦的射束202，该被聚焦的射束射在所述图像传感器203上的确定的点或区域206上。
所述转动位置-确定装置的控制装置可借助所述图像传感器203的哪个传感器子单元204、205对准所述激光射束108，推导出所述激光射束108以其射或入射到所述激光射束-检测装置上的一个或多个角度。基于所述激光射束108的所述一个或多个射入角或入射角，所述控制装置又可确定所述转动位置-确定装置或者所述传感器的转动位置。
在图2B中示出了根据本发明的一个实施例的激光射束-检测装置的图像传感器210。所述图像传感器210包括多个像素212。通过确定哪些像素212被激光射束曝光或生成电气信号的方式，能够由此确定所述激光射束108的射入角或入射角。
在图2C中示出了根据本发明的一个实施例的激光射束-检测装置的图像传感器220，该图像传感器被分成四个分区221、222、223和224。在这种情况下，所述激光射束108的射入角或入射角可由此确定，即通过各个分区221至224的强度彼此相减的方式。例如对角线上的强度可以彼此相减，也就是说，从分区223的强度中减去分区221的强度并且从分区224的强度中减去分区222的强度。但其他的相减方案也是可以的。
在图3示出了两个无人机301和304，其分别具有根据本发明的一个实施例的传感器303和306以及转动位置-确定装置302和305。此外示出了卫星107，其发出激光射束108。借助该激光射束108或者借助该激光射束的波前300，所述转动位置-确定装置302和305可分别确定转动位置。
例如所述第一无人机301的第一传感器303和所述第二无人机304的第二传感器306可被实施用于对地球表面的相同点或相同区域进行检测。为了定向到该相同的点或区域上，借助激光108或其波前300来精确确定相应传感器303和306的转动位置。所述第一传感器303例如可以是一种高分辨率光学摄像机或红外摄像机，而所述第二传感器306可以是一种具有合成孔径的雷达。另一个例子是，所述第一传感器303是用于发出雷达射束的雷达发送器，并且所述第二传感器306是用于接收所发出的雷达射束的反射的雷达接收器。换句话说，所述第一传感器303和所述第二传感器306构成了传感器系统307。
在图4中示出了根据本发明的一个实施例的无人机400，其具有传感器系统307。所述传感器系统307包括具有第一转动位置-确定装置403的第一传感器401和具有第二转动位置-确定装置404的第二传感器402。在此，所述第一转动位置-确定装置403和所述第二转动位置-确定装置404被实施为，基于由卫星发出的激光射束或其波前确定相应的转动位置。如上所述，所述第一传感器和所述第二传感器可以是不同的传感器，例如一个高分辨率摄像机和一个雷达传感器，其对地球表面上的相同点进行检测。
在图5示出了一种望远装置500，其具有根据本发明的一个实施例的转动位置-确定装置501。借助所述转动位置-确定装置501，所述望远装置500可借助由卫星发出的激光射束108被精确地定向。
在图6中示出了根据本发明的一个实施例的用于定向传感器的方法的流程图。所述方法包括借助转动位置-确定装置检测由卫星发出的激光射束的步骤S1以及基于所检测到的激光射束确定所述传感器的转动位置的步骤S2。
在图7中示出了根据本发明的一个实施例的另一种用于定向传感器的方法的流程图。所述方法包括检测所述转动位置-确定装置的地理位置的步骤S3、把所检测到的所述转动位置-确定装置的位置传输给所述卫星的步骤S4、借助转动位置-确定装置检测由卫星发出的激光射束的步骤S1、基于所检测到的激光射束确定所述传感器的转动位置的步骤S2以及对所述卫星的位置进行处理以便确定所述传感器的转动位置的步骤S5。
要补充说明的是，“包括”或“具有”不排除其他的元件并且“一”或“一个”不排除多个。另外应该说明的是，参考上述实施例或实施方式之一描述的特征也可与其他上述实施例或实施方式的其他特征组合地使用。权利要求中的附图标记不应被看作为限制性的。

Claims (15)

1.用于传感器(101)的转动位置-确定装置(100)，具有：
激光射束-检测装置(102)，用于检测由卫星(107)发出的激光射束(108)；
控制装置(103)；
其中，所述控制装置被实施为，基于由所述传感器装置所检测到的激光射束确定所述转动位置-确定装置的转动位置(109)。
2.根据权利要求1所述的转动位置-确定装置(100)，另外具有：
位置检测装置(104)，用于检测所述传感器的地理位置；以及
发送装置(105)，用于将所检测到的所述传感器的地理位置传输给所述卫星。
3.根据权利要求1或2所述的转动位置-确定装置(100)，另外具有：
存储装置(106)，所述卫星(107)的位置被存储在所述存储装置内；
其中，所述控制装置(103)被实施为，为了确定所述转动位置-确定装置的转动位置，对所存储的卫星位置进行处理。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转动位置-确定装置(100)，其中，所述激光射束-检测装置(102)被实施为，以至少10微拉德的精度检测所述激光射束。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转动位置-确定装置(100)，所述激光射束-检测装置(102)具有：
被分成多个传感器子单元(204，205)的图像传感器(203)；
用于使所检测到的激光射束(108，202)聚焦到所述图像传感器上的成像光学系统(201)；
其中，所述多个传感器子单元的每个传感器子单元分别被实施为，在通过所聚焦的激光射束曝光时生成电气信号；以及
其中所述控制装置被实施为，通过分析所述电气信号来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。
6.根据权利要求5所述的转动位置-确定装置(100)，
其中，所述传感器子单元是像素(212)；以及
其中，所述控制装置被实施为，通过分析哪些像素生成电气信号来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。
7.根据权利要求5所述的转动位置-确定装置(100)，
其中，所述图像传感器被分成四个实施为分区的传感器子单元(221，222，223，224)；以及
其中，所述控制装置被实施为，通过分析由所述分区产生的信号的强度来确定所述转动位置-确定装置的转动位置。
8.一种传感器(101)，具有根据上述权利要求中任一项所述的转动位置-确定装置(100)。
9.根据权利要求8所述的传感器(101)，其中，所述控制装置被实施为，基于确定的转动位置来定向所述传感器。
10.根据权利要求8或9所述的传感器(101)，其中，所述传感器是一种光学摄像机、红外摄像机、雷达传感器和/或一种具有合成孔径的雷达。
11.一种传感器系统(307)，具有：
根据权利要求8至10中任一项所述的第一传感器；
根据权利要求8至10中任一项所述的第二传感器；
其中，所述第一传感器和所述第二传感器的转动位置-确定装置的控制装置被实施为，共同地定向所述第一传感器和所述第二传感器。
12.一种飞机(301)或卫星，具有根据权利要求8至10中任一项所述的传感器或者具有根据权利要求11所述的传感器系统。
13.用于定向传感器的方法，所述方法具有以下步骤：
借助转动位置-确定装置检测由卫星发出的激光射束(S1)；以及
基于所检测到的激光射束确定所述传感器的转动位置(S2)。
14.根据权利要求13所述的方法，另外具有以下步骤：
检测所述转动位置-确定装置的地理位置(S3)；以及
把所检测到的所述转动位置-确定装置的位置传输给所述卫星(S4)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，此外具有以下步骤：
对所述卫星的位置进行处理以便确定所述传感器的转动位置(S5)。
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