DE102020122748B3

DE102020122748B3 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum

Info

Publication number: DE102020122748B3
Application number: DE102020122748.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schmidt; Falk Ahlendorf; Rolf Hartmann
Original assignee: Jena Optronik Ges mbH; Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik Ges mbH; Jena Optronik GmbH
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2040-09-01
Also published as: EP4204765A1; US20230331403A1; JP2023539615A; WO2022043247A1

Abstract

Verfahren zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum, wobei die Schritte zyklisch wiederholt Aufnehmen von verzerrten Sternbildern (4), Prozessieren der verzerrten Sternbilder (4) zu verzerrten Sterngruppendaten (6), Speichern der verzerrten Sterngruppendaten (6), Bestimmen einer aktuellen Drehrate (8) durch Vergleichen der verzerrten Sterngruppendaten (6) zweier aufeinanderfolgender Zyklen, Übertragen der aktuellen Drehrate (8) an ein Lagekontrollsystem (9) und/oder die Schritte Prozessieren der verzerrten Sternbilder (4) eines aktuellen Zyklus zu entzerrten Sterngruppendaten (11), Bestimmen einer Lageinformation (13) durch Zuordnen der entzerrten Sterngruppendaten (11) zu mitgeführten Sterngruppen-Katalogdaten (14), Übertragen der Lageinformation (13) an das Lagekontrollsystem (9) ausgeführt werden, Verfahren zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum, wobei unter Berücksichtigung bekannter Systemparameter eines optischen Systems die Schritte Kodieren von Sterngruppen-Katalogdaten mit n = 3 ...4 Sternen [xn, yn, zn], welche in einem Bildfeld sichtbar sind, in repräsentative Fokalebenen-Koordinaten [xpix, ypix]n, Bilden eines skalierungs-, translations- und rotationsinvarianten Sternengruppenkodes basierend auf [xpix, ypix]noder der Schritt Kodieren von Sterngruppen-Katalogdaten mit n = 3 ...4 Sternen [xn, yn, zn], welche in einem Bildfeld sichtbar sind, in repräsentative Tangens- und/oder Winkelkoordinaten [tan(α), tan(β)]nausgeführt werden, Vorrichtung zum Ausführen derartiger Verfahren und Computerprogrammprodukt zum Ausführen derartigen Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausführen eines derartigen Verfahrens. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen eines derartigen Verfahrens.
Das Dokument US 2011/0024571 A1 betrifft ein System und Verfahren zur kreisellosen Übertragung der Sonnenerfassung aus dem Transferorbit unter ausschließlicher Verwendung der Rückmeldung der Flügelstrommessung. Der Transferorbit dient zum Transport des Raumflugkörpers in seinen operationellen Orbit. Der Raumflugkörper wird dabei in eine gezielte Rotation versetzt, wobei Drehachse und Drehgeschwindigkeit allein aus der Messung des verfügbaren Solarstroms optimal bestimmt werden. Keine anderen Sensoren wie Kreiselsensoren, Sternsensoren oder Sonnensensoren werden im Transferorbit benutzt. Dadurch kann diese wegen geringer Verfügbarkeit von Ressourcen und fatalen Folgen von Fehlsteuerungen riskante Missionsphase sehr sicher gestaltet werden. Die geringe Genauigkeit der Drehratenmessung und die nötige stabile Drehung erlauben es allerdings nicht, generell in allen Missionsphasen auf Kreiselsensoren zu verzichten.
Das Dokument US 2014/0231589 A1 betrifft einen Lageschätzer, der die Sonnensensorausgänge als einzige Lagebestimmungsmessungen verwendet, um dreiachsige Lageinformationen zu liefern. Dabei liegt die Aufgabe zugrunde, dass mit Sonnensensoren prinzipiell nur zwei der drei Komponenten der Lage gemessen werden können. Die Lösung besteht in der Schätzung der dritten Lagekomponente unter Verwendung der Messungen mehrerer Sonnensensoren und des Trägheitsmomentes des Flugkörpers. Auch hier gibt es wieder die Einschränkung auf eine stabile Rotation des Raumflugkörpers und die limitierte Messgenauigkeit von Sonnensensoren, die nicht für alle Missionsphasen ausreicht.
Das Dokument US 8,380,370 B2 betrifft ein System und eine Methode zur Steuerung eines Raumfahrzeugs zur Durchführung eines Drei-Achsen-Manövers, das rein auf „Positions-“ (d.h. Lage-) Messungen basiert. Ziel ist es, Kreiselsensoren durch Sternsensoren zu ersetzen. Die erforderlichen Manöver des Raumfahrzeugs sollen allein mit den Drehlagemessungen ohne Verwendung von Drehratenmessungen erfolgen. Um das zu erreichen, müssen die bei den Manövern benutzten Drehraten unter der Obergrenze der Einsetzbarkeit konventioneller Sternsensoren von wenigen Winkelgrad pro Sekunde bleiben. Dazu wird für verschiedene Modi der Steuerung des Raumfahrzeugs - genannt werden Sonneneinfang-Modus, Sicherheits-Modus und Normal-Modus - Drehkommandos generiert, die aus aufeinander folgenden Phasen bestimmter Drehungen bestehen. Die Drehkommandos werden unter Benutzung eines Kardanmodells der Drehung in Teildrehungen um die einzelnen Eulerwinkel definiert. Dabei werden geringe Drehraten in jeder Phase eingehalten. Unter diesen Umständen reichen die Messwerte von konventionellen Sternsensoren für die Bestimmung der Kommandos mit den jeweiligen Phasen aus. Die Kommandogenerierung enthält Schutzmaßnahmen gegen den Ausfall der beteiligten Sternsensoren. Während eines Ausfalls werden die Kommandophasen abgebrochen und keine Drehungen ausgeführt. Nach Wiederherstellung der Sternsensormessung wird eine Extraphase eingeschoben, die mit vorgegebener Drehrate den Zustand vor dem Ausfall wiederherstellt. Die angegebene Lösung kann die Kreiselsensoren nicht vollständig ersetzten, da sie bei hohen Drehraten nicht funktioniert. Deshalb ist der Einsatz auch nur als Notlösung im Falle der Nichtverfügbarkeit von Daten der prinzipiell vorhandenen Kreiselsensoren vorgesehen.
Das Dokument US 7,410,130 B2 betrifft eine Methode zur Bestimmung der Fluglage eines sich drehenden Raumfahrzeugs. Dabei geht es um den Einsatz von Sternsensoren für die Steuerung drehstabilisierter Raumfahrzeuge, ohne das Ziel, Kreiselsensoren vollständig zu ersetzen. Als Obergrenze der Einsetzbarkeit von konventionellen Sternsensoren wird eine Drehrate von 3 Winkelgrad pro Sekunde angegeben. Um beim Ausfall der Motoren des Raumfahrzeugs noch unter dieser Grenze zu bleiben, werden nur Drehraten im Bereich von 0,3 bis 1,5 Winkelgrad pro Sekunde für die Drehstabilisierung verwendet, obwohl höhere Drehraten zu einer besseren Stabilität führen würden. Für unvorhergesehene Fehler, zum Beispiel wenn der Motor des Raumfahrzeugs nicht nur ausfällt, sondern durch Fehler in der Steuerung unzulässig beschleunigt, treten Drehraten bis zu 20 Winkelgrad pro Sekunde auf. Dieser Wert liegt weit über der Einsatzgrenze konventioneller Sternsensoren und schließt sie von der Verwendung als Notfallsensor anstelle von Kreiselsensoren bisher aus. Dem Dokument US 7,410,130 B2 zufolge wird die Lagemessung des Raumfahrzeugs zunächst mit Hilfe von Sternsensordaten initialisiert. Für die Initialisierung der Lagemessung muss das Raumfahrzeug in eine stabile Rotation mit einer Drehrate unter der Einsatzgrenze von konventionellen Sternsensoren versetzt werden. In die auf die Initialisierung folgende Lageschätzung geht eine Vielzahl von Sensor- und Steuerkomponenten ein: Erdsensoren, Sonnensensoren, Kreiselsensoren, Solarstromsensoren, Kalman Filter, Lageregler und bodengestützte Lagemessungen. Durch die Verknüpfung der Vielzahl von Komponenten soll erreicht werden, dass es nicht zwei unterschiedliche Varianten der Sensoren für den Transferorbit und für den Einsatzorbit geben muss. Zum Beispiel wird bisher für den Transferorbit ein Rotationssonnensensor benutzt und im Einsatzorbit ein Weitwinkelsonnensensor. Damit kommt es zu einer vorteilhaften Reduzierung von Masse, Kosten und Ausfallwahrscheinlichkeit. Beim Verlust der Lageinformation muss allerdings bei der Methode aus dem Dokument US 7,410,130 B2 eine erneute Initialisierung durch den Sternsensor verbunden mit der entsprechenden Stabilisierung der Drehung durchgeführt werden. Auch steht die Sternkamera nicht als Sensor für diese Stabilisierung zur Verfügung, für die Messung oberhalb der Einsatzgrenze konventioneller Sternsensoren muss ein zusätzlicher Kreiselsensor eingesetzt werden.
Das Dokument US 9,073,648 B2 betrifft einen Lageschätzer, der Sternverfolgungsmessungen und verbesserte Kalman-Filterung mit oder ohne Lagedaten verwendet, um dreiachsige Ratenschätzungen zu liefern. Dabei kann die Drehrate auch direkt aus den Sternpositionen ohne Bestimmung der Drehlage geschätzt werden. Die Schätzung der Drehrate aus Sternpositionen wird hier als sehr unzuverlässig bezeichnet, wenn nicht angemessene Schätzalgorithmen angewendet werden. Die in dem Dokument US 9,073,648 B2 vorgeschlagenen Schätzalgorithmen beinhalten Kalman Filter und Mittelungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung über ein Zeitintervall. Erst nach dieser Verbesserung können die gefilterten Drehraten zur Berechnung der Drehlage und zur Kompensation der Ausfälle von Kreiselsensoren benutzt werden. Die Unzuverlässigkeit der Drehratenmessung aus Sternpositionen ohne Lagebestimmung ergibt sich daraus, dass die Sternpositionen in der Bildfolge der Sternkamera verfolgt werden müssen. Die Verfolgung besteht im Vorausschätzen der kommenden Sternposition und in dem Wiederfinden des Sterns in der Nähe der vorausgeschätzten Position. Bei hohen Drehraten und Drehbeschleunigungen kann es leicht zu Verwechslungen des verfolgten Sterns kommen. Deshalb wird in dem Lageschätzer gemäß dem Dokument US 9,073,648 B2 neben der Kalman und Mittelwert Filterung zusätzlich ein Schritt der Zuordnung von Sternpaaren vorgesehen. Diese Zuordnung erfolgt ohne Identifizierung der Sterne und ohne Lageberechnung. Der Erfolg des in dem Dokument US 9,073,648 B2 angegebenen Verfahrens hängt von der Einbeziehung vieler Sterne und der Berücksichtigung von Parametern der Lagesteuerung des Raumflugkörpers ab. Die verbesserte Zuverlässigkeit der Drehratenschätzung reicht nicht aus, um generell Kreiselsensoren auf dem Raumflugkörper einzusparen. Dem Dokument US 9,073,648 B2 zufolge kann die Drehrateninformation vom Sternsensor nur zur Kalibrierung der Kreiselsensoren und für eingeschränkte Funktionen im Falle des unerwarteten Ausfalls von Kreiselsensoren benutzt werden.
Die Veröffentlichung WHITE PAPER „Global Shutter, Rolling Shutter-Funktionsweise und Merkmale zweier Belichtungsverfahren (Shutter-Varianten)“, Dominik Lappenküper, www.baslerweb.com, 2018, befasst sich mit der Charakterisierung des globalen Verschlusses und des Rollverschlusses zur Belichtungssteuerung bei modernen CMOS-Kameras. Beim globalen Verschluss werden alle Zellen der Matrix einmalig gleichzeitig belichtet, wogegen der Rollverschluss die einzelnen Bildzeilen nacheinander Zeile für Zeile belichtet. Je nach Belichtungszeit kann es beim rollenden Verschluss zu Überlappungen kommen, wenn die Belichtung der nächsten Zeile vor dem Abschluss der Belichtung der vorhergehenden Bildzeile beginnt. Kameras mit globalem Verschluss benötigen auf dem Sensorchip 2- bis 3-mal so viele Transistoren für Steuerung und Ladungstransport wie Kameras mit Rollverschluss. Dadurch entstehen beim globalen Verschluss ein vergleichsweise hohes Bildrauschen, mehr Wärme und eine starke Anfälligkeit für die Strahlungsbelastungen im Orbit.
Nachteil beim rollenden Verschluss, speziell auf schnell bewegten Plattformen, sind Bildverzerrungen, die das für eine Sternidentifikation akzeptable Maß überschreiten können. Die Vorteile des Rollverschlusses überwiegen für den Einsatz im Weltraum. Ein rollender Verschluss ist auch Voraussetzung für spezielle Optimierungen zur Erhöhung der Bildqualität. So ist in dem Dokument US 2006/0238632 A1 ein Verfahren zur Verhinderung von Überstrahlungen in CMOS-Kameras angegeben. Beim Einsatz mit Sternsensoren treten Überstrahlungen auf, wenn sehr helle Objekte, zum Beispiel Sonnenreflektionen durch Teile des Raumflugkörpers, zu einer Überbelichtung führen, bei der nicht mehr alle Photonen in messbare Elektronen gewandelt werden können. Die überschüssigen Elektronen laufen dann in benachbarte Zellen und Zeilen über, wodurch falsche Messwerte entstehen. Die Lösung gemäß dem Dokument US 2006/0238632 A1 verhindert das Überlaufen durch spezielles, mehrfaches Zurücksetzen der Bildzeilen, was nur bei einem rollenden Verschluss möglich ist.
Das Dokument US 9,503,653 B2 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Sternsensors auf der Grundlage einer Rolling-Shutter-Aufnahme. Die starke Einschränkung der Dynamik der Raumflugkörper auf die geringe Drehrate für tolerierbare Bildverzerrungen durch den Rollverschluss wird in dem Dokument US 9,503,653 B2 als wichtigste Barriere für die Weiterentwicklung konventioneller Sternsensoren bezeichnet. Hohe Drehraten sind dem Dokument US 9,503,653 B2 zufolge der entscheidende Engpass für hochauflösende Erdbeobachtungsmissionen. Gemäß dem Dokument US 9,503,653 B2 soll die Drehlagemessung für Sternkameras mit rollendem Verschluss unter Bedingungen hoher Dynamik in einem dreistufigen Verfahren verbessert werden. Der Sternsensor befindet sich dabei im Fenster-Modus, bei dem nicht das gesamte Bild, sondern nur die interessierenden Bildfenster um vorausgesagte Sternpositionen ausgelesen werden. Die drei Stufen laufen in der Sequenz der Extraktion der einzelnen Navigationssterne ab und nicht im üblichen Sternsensorzyklus, der sich aus der Auswertung des gesamten Bildfeldes ergibt. Der erste Schritt umfasst die Optimierung der Zeitparameter des rollenden Verschlusses für die Extraktion des nächsten Navigationssterns, also die Optimierung der Belichtungszeit, der Auslesezeit, der Zeilenübergangszeit und der Verarbeitungszeit. Im zweiten Schritt wird für die optimierten Parameter die Position des nächsten Navigationssterns aus dem Sternkatalog in der Sensormatrix geschätzt und das Sternbild dort extrahiert. Im dritten, finalen Schritt werden die Drehlage und Drehrate rekursiv mit dem neuen Stern und der vorhergehenden Schätzung neu geschätzt. Die Optimierung der Zeitparameter des rollenden Verschlusses dient unter anderem der Aufrechterhaltung eines konstanten Sternsensorzyklus für die Kompatibilität mit konventionellen Sternsensoren und der eindeutigen Definition des Zeitpunktes der nächsten Sternextraktion. Als Vorteile der Lösung gemäß dem Dokument US 9,503,653 B2 wird angesehen, dass die Messwerte um eine Größenordnung schneller mit dem Einzelsternzyklus statt mit dem Sternsensorzyklus geschätzt und ausgegeben werden. Darüber hinaus sollen kürzerer Sternsensorzyklen erreicht werden, da die gute Vorhersagbarkeit der Stern-Fenster die Belichtung und das Auslesen der gesamten Bildmatrix erspart. Das in dem Dokument US 9,503,653 B2 beschriebene Verfahren liefert nur Fortschreibungen von Drehlage und Drehrate und ist nicht einsetzbar für die Erstakquisition, wenn initiale Werte für Drehlage und Drehrate fehlen. Als weiterer Nachteil ist die dynamische Einstellung der Zeitparameter des rollenden Verschlusses zu nennen. Diese Einstellung ist nicht mit allen Kameras möglich und verkompliziert den Kameraaufbau.
Seit vielen Jahren sind sogenannte autonome Sternsensoren im Einsatz. Sie sind die Weiterentwicklung der Sternverfolger (englisch Star Tracker). Autonome Sternsensoren verfolgen die Sterne nicht nur in der Bildsequenz der Sternkamera, sondern sie bestimmen aus den Sternpositionen auch die absolute Drehlage des Sternsensors. Bei Sternverfolgern wird die Lageberechnung im Zentralrechner des Satelliten und nicht im Sensor ausgeführt. Für die Drehlageberechnung ist die Identifikation der verfolgten Sterne nötig. Sternidentifikation bedeutet, dass die Sterne im Sternkamerabild eindeutig den Sternen einer globalen Sternkarte zugeordnet werden. Die Sternkarte wird in Form eines Sternkataloges im Sensor mitgeführt. Moderne autonome Sternsensoren können die Sternidentifikation ohne jegliche Vorinformation, wie etwa die ungefähre Blickrichtung der Kamera, bestimmen. Diese Fähigkeit wird „Lost in Space“ Identifikation genannt. Die Verfahren der „Lost in Space“ Identifikation bestimmen wesentlich die Qualität eines Sternsensors und sind deshalb Gegenstand permanenter Weiterentwicklungen. Die Studie „A Survey on Star Identification Algorithms“, Benjamin B. Spratling et al., Algorithms 2009, 2, 93-107, gibt einen guten Überblick über die wechselnden Verfahren der Identifikation. Die ersten autonomen Sternsensoren brauchen dieser Studie zufolge etwa genauso viele Suchschritte für die Identifikation eines Sterns, wie es Sterne im Sternkatalog gibt. Das hat zur Folge, dass bei solchen Sternsensoren die Erstakquisition der Lage nicht im gleichen Rhythmus wie die Bildaufnahme erfolgen kann. Der Sternsensorzyklus der Bildaufnahme liegt in der Regel zwischen 1/5 Sekunden und 1/16 Sekunden. Die Erstakquisition dauert dagegen eine Größenordnung länger. Mitte der neunziger Jahre gab es einen entscheidenden Durchbruch bei der Verbesserung der Identifikationsalgorithmen. Für die Suche des zu identifizierenden Sterns oder einer Sterngruppe im Sternkatalog wurden statt sequentieller Algorithmen Verfahren der Graphentheorie mit Indexbäumen zur Suche eingesetzt. Der Sternkatalog enthält jetzt zusätzlich einen Indexbaum und unter Umständen einen Katalog der Sterngruppen, was zu einer Erhöhung des Speicherbedarfs führt. Andererseits verringert sich die Anzahl der Suchschritte im Katalog dramatisch. Die Schrittanzahl ist nicht mehr proportional zur Kataloglänge, typischerweise circa 5000, sondern entspricht dem binären Logarithmus der Kataloglänge, also circa 12 Suchschritten. Mit dieser Verbesserung wird es möglich, die „Lost in Space“ Sternidentifikation in jedem Zyklus der Bildaufnahme durchzuführen.
Das Dokument US 5,935,195 A beschreibt eine Variante der Sternidentifikation mit Indexbäumen. Dem Dokument US 5,935,195 A zufolge werden aus den Sternen im Kamerabild Sterngruppen gebildet, die aus 3 Sternen bestehen. Jede Sterngruppe wird dann durch mindestens zwei Winkelabstände zwischen Sternen der Gruppe charakterisiert. Die Winkelabstände werden mittels geometrischer Ordnungskriterien so gewählt, dass sie die Sterngruppe eindeutig identifizieren. Nach dem gleichen Verfahren werden aus den Sternen des Sternkataloges ebenfalls Sterngruppen gebildet. Die Sterngruppen sind als Datenbasis zusammen mit den charakterisierenden Winkelabständen im Sternsensor als Erweiterung des Sternkatalogs gespeichert. Die Auswahl der Sterne für eine Gruppe kann dabei nach geometrischen Gesichtspunkten der Nachbarschaft und nach der Sternhelligkeit erfolgen. Für die Suche der passenden Sterngruppe in der Datenbasis wird gemäß dem Dokument US 5,935,195 A ein binärer Indexbaum verwendet.
Wie aus der Veröffentlichung „Making the Sky Searchable: Fast Geometric Hashing for Automated Astrometry“, Sam Roweis, Dustin Lang & Keir Mierle, University of Toronto, David Hogg & Michael Blanton, New York University, http://astrometry.net, 2005-2019, hervorgeht, werden in neueren Entwicklungen Vektor-Indexbäume für die Suche verwendet. Neben der Beschleunigung der Suche im Katalog gibt es Ansätze zu einfacheren und robusteren Verfahren der Berechnung der Sterngruppe aus dem Bild der Sternkamera. Der Berechnungsaufwand für die Parameter der Sterngruppen aus dem Bild ist in dem Dokument US 5,935,195 A proportional zur verdoppelten Anzahl der Sterne im Bild, und liegt damit typischerweise bei etwa 100 Schritten.
Die Berechnung der Sterngruppen konnte der Studie „A Survey on Star Identification Algorithms“, Benjamin B. Spratling et al., Algorithms 2009, 2, 93-107, zufolge auf die Anzahl der Sterne in der Gruppe, also etwa 3-5, reduziert werden. Unter der Bezeichnung „dimensionslose“ Verfahren erwähnt die Studie „A Survey on Star Identification Algorithms“, Benjamin B. Spratling et al., Algorithms 2009, 2, 93-107, Ansätze zur Reduzierung des Einflusses von Kalibrierfehlern der Sternkamera. Dazu werden Parameter von Sterngruppen benutzt, die unabhängig vom Abbildungsmaßstab der Kamera sind. Beispielsweise werden statt der Winkel zwischen den Sternen einer 3-Sterne-Gruppe die inneren Winkel des durch die 3 Sterne aufgespannten Dreiecks benutzt. Für eine 4-Sterne-Gruppe wird der Veröffentlichung „Making the Sky Searchable: Fast Geometric Hashing for Automated Astrometry“, Sam Roweis, Dustin Lang & Keir Mierle, University of Toronto, David Hogg & Michael Blanton, New York University, http://astrometry.net, 2005-2019, zufolge eine Normierung der Sternabstandswinkel auf den jeweils größten Winkelabstand der Gruppe zum Erreichen der Unabhängigkeit vom Abbildungsmaßstab angewendet.
Im internationalen Projekt von Astronomen „Astrometry.net“ wurde ein Verfahren entwickelt welches jegliche Bildaufnahmen des Sternhimmels ohne Kenntnis der Parameter des Bildaufnahmesystems nachidentifizieren kann. Das in der Quelle beschriebene Verfahren kodiert den gesamten Sternhimmel bis zu Magnitude 22mag in (scale-, translation- und rotation) invariante Stern-Vierergruppen. Bei ausreichend hoher Rechenleistung sind damit Sternbilder aus beliebigen Quellen ohne Systemkenntnis des Aufnahmesystems möglich.
Die diesem Verfahren verwendeten Stern-Vierergruppenkataloge sowie auch die benötigten Rechenleistungen übersteigen um mehrere Größenordnungen die Ressourcen eines Sternsensors. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass das o.g. Verfahren ohne die Kenntnis der Parameter (Gesichtsfeld, Empfindlichkeit, etc.) des Bildaufnahmesystems arbeitet.
Sternsensoren arbeiten nach dem Prinzip Punktobjekte in den Bildrohdaten zu detektieren (mittels Detektionsschwelle), zu diskriminieren (sternähnliches Objekt gegen Pixeldefekt), zu verfolgen (tracken), zu interpolieren, zu transformieren (Pixelkoord. -> Winkelkoord.), zu identifizieren (gegen einen Sternkatalog) und schließlich die 3-Achsenlage zu berechnen. Dieser Prozess der Erst-Akquisition der Lage kann mehrere Sekunden dauern und ist bei hoher Bewegungsdynamik (DrehRate, -Beschleunigung) sehr unsicher. Durch den Einsatz einer systemangepassten Sterngruppenkatalogkodierung unter Verwendung der bekannten Sternsensoreigenschaften (Optik, Detektor) lassen sich extrem kurze Stern-Identifikationszeiten (Echtzeit!) in Verbindung mit effizienten on-board Sternkatalogen erreichen.
Die Veröffentlichung „V. Schiattarella, D. Spiller, F. Curti: „Star identification robust to angular rates and false objects with rolling shutter compensation“, Acta Astronautica 166, pp. 243-259 (2020, online: 16 October 2019)‟ befasst sich mit dem Problem der Sternidentifikation bei hohen Schwenkraten, falschen Objekten und Bildverformungen, die durch den Rollverschluss verursacht werden. Vorgeschlagen wird eine auf sogenannten verbesserten Multipol-Algorithmen basierende Methode, die speziell für die Robustheit gegenüber falschen Objekten und Schwenkraten entwickelt wurde. Winkelgeschwindigkeiten bis zu fünf Grad pro Sekunde werden berücksichtigt, sodass Sterne nicht mehr als nahezu kreisförmige Flecken, sondern als Streifen zu sehen sind. Die Bilddeformation durch den Rollverschluss moderner Aktivpixel-Sensordetektoren wird mit Hilfe eines mathematischen Modells kompensiert, das auf einer Approximation des Problems erster Ordnung basiert. Ein High-Fidelity-Simulator für den Star-Tracker generiert die Eingangsbilder unter Berücksichtigung eines typischen Rauschens, das durch die Elektronik und die Weltraumumgebung verursacht wird.
Die Veröffentlichung „D. Spiller et al.: „On-orbit recognition of resident space objects by using star trackers“, Acta Astronaiitica 177, pp. 478-496 (2020, online: 12 August 2020)‟ betrifft den Einsatz von Sternensensoren zur Unterstützung der Weltraumsituation und Weltraumüberwachung und berichtet über eine Machbarkeitsstudie einer Strategie, die in der Verwendung eines Sternsensors mit einem speziellen Algorithmus besteht, der direkt an Bord ausgeführt wird. Dieser Ansatz minimiert die Auswirkungen auf die Plattform, sodass theoretisch jeder Satellit mit einem Star-Sensor als Raumüberwachungsbeobachter eingesetzt werden kann. Die Ausgabe des Algorithmus besteht aus einer Datenbank mit vorverarbeiteten Objekten, die dann am Boden nachbearbeitet werden. Numerische Tests an synthetischen Bildern, die von einem High-Fidelity-Simulator bereitgestellt werden, demonstrieren die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung bereitzustellen. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Computerprogrammprodukt bereitzustellen.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Kreiselsensoren im Lagebestimmungssystem hochdynamischer Raumflugkörper durch Verbesserungen der Sternsensoren vollständig ersetzbar zu machen. Dazu sollen die durch die Bildverzerrung bedingten Einsatzbeschränkungen von Sternkameras mit einem Rollverschluss überwunden werden und Drehlage- und Drehratenmessungen weit über dem bisherigen Drehratenlimit hinaus ermöglicht werden. Insbesondere soll das Drehratenlimit soweit verbessert werden, dass eine kreisellose Drehlage- und Drehratenmessung für alle wesentlichen Einsatzfälle bis hin zum Notfallregime möglich wird. Die erfindungsgemäße Lösung soll keine Eingriffe in die Hardware verfügbarer Sternkameras erfordern, insbesondere auch nicht in deren sensornahe Steuer- und Vorverarbeitungselektronik, sodass vorhandene Kameras weiterverwendet werden können. Das Drehratenlimit soll nicht nur für die Drehratenmessungen mit dem Ziel der Substitution von Kreiselsensoren verbessert werden, sondern auch für die Messung der absoluten Drehlage bei sehr hohen Drehraten. Die erfindungsgemäße Lösung soll ohne zusätzliche Verzögerungen mit der minimalen Anzahl von Sternsensorzyklen, also mit einem Zyklus bei der Fortführung der Messung in einer kontinuierlichen Sequenz und mit ein oder zwei Zyklen unter „Lost in Space“ Bedingungen, auskommen.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Prozess „diskriminieren ... verfolgen ... interpolieren ... transformieren ... identifizieren ... lagerechnen“, welcher einige Sekunden, typischerweise ca. 10s, dauert, in einen Echtzeitprozess mit beispielsweise <100ms bei 10Hz Messzyklus umzusetzen. Eine Echtzeit Sternidentifikation erfordert keine störanfällige Sternverfolgung („Tracking“), insbesondere bei hohen Drehraten und -Beschleunigungen. In jedem einzelnen Messzyklus sind unabhängige Lagemessungen möglich, welche dann ebenso in aufeinanderfolgenden Zyklen eine Echtzeit-Drehraten- und Beschleunigungsbestimmung ermöglichen. Insbesondere bei sehr hohen Drehraten und -Beschleunigungen kann eine Möglichkeit bereitgestellt werden, mit einem Sternsensor die Drehrichtung und eine Ratenschätzung zu bestimmen, genau dann, wenn in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Zyklen geeignete Sterngruppen detektiert werden können (helle Sternfelder), aber nicht notwendigerweise in jedem Zyklus vorhanden sein müssen (beim Überstreichen dunkler Sternfelder). Eine klassisch implementierte Lageverfolgung (attitude tracking) bei hohen Beschleunigungen und Drehraten kann durch eine parallel laufende Echtzeitidentifikation mit dem beschriebenen Verfahren unterstützt werden.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Verfahren kann ohne Verwendung von Gyroskopen oder Kreiselinstrumenten ausgeführt werden. Insofern kann das Verfahren oder die Vorrichtung auch als kreisellos bezeichnet werden. Der Raumflugkörper kann eine hochdynamischer Raumflugkörper sein.
Ein grundlegender Aspekt der Erfindung kann darin bestehen, dass durch einen Rollverschluss entstehende Bildverzerrungen soweit korrigiert werden, dass eine Sternidentifikation auch für sehr hohe Drehraten möglich wird.
Eine Verfügbarkeit einer Sternidentifikation in einem Sensorzyklus für ein gesamtes Bild mit modernen Suchverfahren kann dann dazu führen, dass kein Fenstermodus für eine Sternverfolgung mehr erforderlich ist. Damit kann verhindert werden, dass Sternsensoren bei hohen Drehraten und insbesondere bei hohen Drehbeschleunigungen aufgrund einer unsicheren Vorhersage der Fensterlage ausfallen. Für eine immer wieder neu durchgeführte Identifikation kann das Erfordernis einer Vorhersage einer nächsten Sternposition entfallen. Sie funktioniert immer, solange eine Bildgeometrie noch so gut ist, dass eine Identifizierung möglich ist.
Um eine Bildverzerrung durch einen Rollverschluss zu korrigieren, ist einerseits für eine Rollkorrektur eine Drehrate erforderlich und andererseits wird für eine Drehrate eine Identifikation und damit eine Korrektur benötigt. Dieser Zielkonflikt kann dadurch gelöst werden, dass die Identifikation nicht gleich mit den geometrisch korrekten Sterngruppen eines Kataloges durchgeführt wird, sondern zunächst in einem Zwischenschritt mit den entsprechend einer aktuellen Drehrate verzerrten Sterngruppen.
In dem Zwischenschritt können die rollverzerrten Sterngruppen aus dem aktuellen Bild in einer Menge der rollverzerrten Sterngruppen des letzten Bildes wiedergefunden werden. Das ist weniger empfindlich gegen Drehraten und Drehbeschleunigungen als die Katalogidentifizierung, da nur noch die Änderung der Verzerrung in einem Sternsensorzyklus relevant ist und nicht mehr die gesamte Verzerrung.
Aus den in zwei aufeinander folgenden Bildern wieder gefundenen, rollverzerrten Sterngruppen kann dann die aktuelle Drehrate initial ausreichend gut geschätzt werden. Eine Lage kann nicht aus dieser Zuordnung bestimmt werden. Diese initiale Drehrate ist für die Korrektur der Rollverzerrung in den aktuellen verzerrten Sterngruppen ausreichend gut, um die Gruppen im Katalog zu identifizieren. Mit dieser Identifikation in Bezug auf die in inertialen Koordinaten gespeicherten Katalogdaten kann dann die finale Bestimmung der Drehlage und feinen Drehrate des Sternsensors erfolgen.
Mit Kenntnis der Systemparameter, insbesondere Brennweite, Pixelgröße, Pixelanzahl eines Sternsensors oder Detektors kann eine Sterngruppenkodierung erfolgen. Katalogsterngruppen mit n = 3 ...4 Sternen [x_n, y_n, z_n], welche in einem Gesichtsfeld simultan gesehen werden können in repräsentative Fokalebenen-Koordinaten, insbesondere in Pixelkoordinaten [x_pix, y_pix]_n, kodiert werden. Dabei kann aufgrund der Systemkenntnis ein Erfordernis weiterer simultan sichtbarer Sterne entfallen. Basierend auf [x_pix, y_pix]_n können skalierungs-, translations- und rotationsinvariante Sternengruppenkodes gebildet werden. Bei dieser Kodierung können die vom Detektor gelieferten Koordinaten direkt ohne weitere Prozessierung genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich können Sterngruppen-Katalogdaten mit n = 3 ...4 Sternen [x_n, y_n, z_n], welche in einem Bildfeld sichtbar sind, in repräsentative Tangens- und/oder Winkelkoordinaten [tan(α), tan(β)]_n kodiert werden.
Insbesondere werden nur die hellsten Sterne zur Katalogsterngruppenbildung ausgewählt. Die Verwendung der hellsten Sterne reduziert die Menge an Sternen und erhöht die Signifikanz/Toleranz der Sterngruppen. Messungenauigkeiten können damit toleriert und vorteilhaft genutzt werden. Die gemessenen Sterngruppen können bzgl. einer Einzelsternposition fehlerhaft sein durch: Messrauschen bei kleinen Signalen; Rolling Shutter (Rollenverschluss) Verzeichnung bei Bewegungsdynamik. Durch Zusammenfassen von Pixeln (Binning) kann eine Detektivität bei sehr hohen Drehraten erhöht und damit Sternpositionsunsicherheiten entgegengewirkt werden. Sterngruppen können in einem binären Suchbaum kodiert werden. Im Suchbaum kann eine toleranzbehaftete Suche erfolgen. Die gefundene Identifikationslösung kann mit weiteren verfügbaren Sternen verifiziert werden.
Bekannte Eigenschaften eines kalibrierten Sternsensors, wie Optikbrennweite, Detektorpixelgröße und -Anzahl, können in die Sterngruppenkodierung einbezogen werden. Durch eine Anordnung von Sterngruppenkodes in vorzugsweise binären Suchbäumen sind sehr schnelle Sterngruppenidentifikationen möglich. Sternidentifikationen können in jedem einzelnen und voneinander unabhängigen Messzyklus in Echtzeit (<100ms) ermöglich werden.
Sobald eine Sterngruppe (3 ...4 Sterne) detektiert wird, kann eine Identifikation und Lagerechnung erfolgen. Erfolgt dies in direkt aufeinanderfolgenden Zyklen oder mit bekannten Zeitabständen, können Drehrate, -Richtung und -Beschleunigung bzw. eine Ratenschätzung selbst für sehr hohe Drehraten durchgeführt werden. Ein konventionelles Lagetracking kann insbesondere bei hohen Raten- und Beschleunigungen gestützt werden, was zu einer Erhöhung der Robustheit der Lagemessung führt.
Die Sterngruppen-Katalogdaten können Daten zu Gruppensternen, zu Sterngruppen und/oder zu einem Vektor-Indexbaum enthalten. Die Daten zu den Sterngruppen können Identifikationsvektoren und/oder Referenzdaten enthalten. Der Vektor-Indexbaum kann sich auf die Identifikationsvektoren der Sterngruppen beziehen. Es können weitere Stern-Katalogdaten mit zusätzlichen Sterndaten mitgeführt und verwendet werden. Die weiteren Stern-Katalogdaten können zur Erweiterung verwendet werden. Die Lageinformation können statistisch gefiltert werden. Die Lageinformation können durch Mittelwertbildung und/oder durch Kalman-Filterung gefiltert werden. Zum Aufnehmen der verzerrten Sternbilder kann wenigstens eine Sternenkamera, insbesondere eine Rollverschlusskamera, verwendet werden. Die verzerrten Sternbilder können mithilfe der wenigstens einen Sternenkamera zu den verzerrten Sterngruppendaten prozessiert werden. Die wenigstens eine Sternenkamera kann Bildelemente aufweisen. Mehrere einander benachbarte Bildelemente können zu einem Bildelementmodul zusammengefasst werden, um ein Drehratenlimit zu erhöhen. Zum Erfassen unterschiedlicher Bildfelder kann eine Sternenkamera oder können mehrere Sternenkameras zusammengefasst verwendet werden. Das Verfahren kann mithilfe wenigstens einer gesonderten Prozessorvorrichtung und/oder mithilfe einer Prozessorvorrichtung des Raumflugkörpers durchgeführt werden.
Die Verarbeitungsblöcke können logisch, funktionell und/oder strukturell abgegrenzt sein. Die Verarbeitungsblöcke können miteinander signalübertragend verbunden sein. Die Vorrichtung kann mehrere Sternenkameras und für jede Sternenkamera eine gesonderte Prozessorvorrichtung aufweisen. Die Vorrichtung kann mehrere Sternenkameras und für eine Gruppe von Sternenkameras eine gemeinsame Prozessorvorrichtung aufweisen. Die wenigstens eine Prozessorvorrichtung kann eine gesonderte Prozessorvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens oder eine Prozessorvorrichtung des Raumflugkörpers sein. Die Vorrichtung kann wenigstens einen Programmspeicher und/oder wenigstens einen Datenspeicher aufweisen.
Das Computerprogrammprodukt ist auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 ein Blockdiagramm eines kreisellosen Lagebestimmungssystems für hochdynamische Raumflugkörper,
2 ein Blockdiagramm eines kreisellosen Lagebestimmungssystems für hochdynamische Raumflugkörper mit ausschließlicher Drehratenmessung,
3 ein Blockdiagramm des Lagebestimmungssystems für wenig dynamische Raumflugkörper,
4 ein Blockdiagramm eines kreisellosen Lagebestimmungssystems für hochdynamische Raumflugkörper mit extra genauer Lagemessung,
5 Sterngruppen, die durch einen Rollverschluss verzerrt wurden,
6 Identifikationsparameter in Sterngruppendaten,
7 ein Flussdiagramm einer Verarbeitung bei „Lost in Space“-Bedingungen,
8 eine Applikation einer robusten Drehraten- und Lagebestimmung mit einem Sternsensor mittels ausgewählter Sterngruppenkatalogkodierung und
9 ein Flussdiagramm einer robusten Drehraten- und Lagebestimmung mit einem Sternsensor mittels ausgewählter Sterngruppenkatalogkodierung.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines kreisellosen Lagebestimmungssystems 1 für hochdynamische Raumflugkörper. Eine als Rollverschlusskamera ausgeführte Sternkamera 2 des kreisellosen Lagebestimmungssystems 1 nimmt im Takt des Sternsensorzyklus verzerrte Sternbilder 4 des Sternhimmels auf und übergibt sie einer Prozessorvorrichtung 3 zur Auswertung. Dort werden in einem Verarbeitungsblock 5 zur Sterngruppengenerierung aus den Sternbildern 4 Sternvektoren bestimmt, die die Position aller Sterne im Bild charakterisieren und die zu Sterngruppendaten 6 weiterverarbeitet werden. Sterngruppen bestehen, ähnlich wie die üblichen Sternbilder, aus drei, vier oder mehr Sternen und können nach verschiedenen Prinzipien abgeleitet werden. Entscheidend ist die Eigenschaft der Sterngruppen, dass sie im gesamten Sternhimmel mit Hilfe ihrer Sterngruppenparameter eindeutig gefunden werden können. Die Sterngruppendaten 6 sind wie das Bild rollverzerrt und können noch nicht sicher zur Suche in Sterngruppen-Katalogdaten 14 benutzt werden. Identifiziert werden können sie allerdings in der Menge der ebenfalls verzerrten Sterngruppendaten des vorherigen Zyklus. Deshalb werden die verzerrten Sterngruppendaten 6 des aktuellen Bildes für den nächsten Zyklus als verzerrte Sterngruppendaten des vorherigen Zyklus zwischengespeichert. Wenn es sich um den allerersten Zyklus handelt, also „Lost in Space“-Bedingungen vorliegen, gibt es noch keine verzerrten Sterngruppendaten des vorherigen Zyklus. In diesem Falle kann im Verarbeitungsblock 7 eine aktuelle Drehrate 8 nicht gleich berechnet werden. Als fester Initialwert wird in diesem Fall eine Drehrate von Null Winkelgrad pro Sekunde benutzt. In Folgezyklen nach der Initialisierung kann im Verarbeitungsblock zur Generierung der aktuellen Drehrate 8 immer die aktuelle Drehrate geschätzt werden. Dazu wird mindestens eine Sterngruppe aus dem aktuellen Bild im vorherigen Bild wiedergefunden. Die Bestimmung der aktuellen Drehrate aus den zugeordneten verzerrten Sterngruppen ist mit verschiedenen Methoden möglich. Bei einigen Varianten von Sterngruppen ist eine direkte Berechnung der Drehrate aus den Sterngruppenparametern möglich. Immer möglich ist die Anwendung der Delta-Quaternionen-Schätzung durch statistische Optimierung der Rotationsmatrix, die die beiden Sätze von Sternvektoren der zugeordneten Sterngruppen möglichst gut zur Deckung bringt. Der bekannte QUEST Algorithmus kann für diese Optimierung verwendet werden.
Die so bestimmte aktuelle Drehrate 8 wird zum einen für die geometrische Korrektur der verzerrten Sterngruppendaten 6 im Verarbeitungsblock 10 zur Rollverschlusskorrektur benutzt und zum anderen direkt an das Lagekontrollsystem 9 des Raumflugkörpers ausgegeben. Die aktuelle Drehrate 8 kann ab dem zweiten Zyklus auch für sehr hohe Drehraten mit instabiler Drehachse sicher gemessen werden und steht dem Raumflugkörper für Anwendungen mit hohen Drehraten und geringen Anforderungen an die Genauigkeit zur Verfügung. Eine wichtige solche Anwendung ist der Notfall mit einem schnell taumelnden Raumflugkörper, der mit Hilfe der aktuellen Drehrate 8 wieder stabilisiert werden kann.
Der Verarbeitungsblock 10 zur Rollverschlusskorrektur rechnet die Sternposition der Sterne der Sterngruppendaten 6 in eine Koordinatensystem des Sternsensors so um, wie sie bei einer Momentaufnahme ohne Rollverschluss zustande kämen. Die Umrechnung erfolgt in Bezug zu einem wohldefinierten, im Sternsensorzyklus frei wählbaren Referenzzeitpunkt. Zum Beispiel kann die Mitte der Belichtungszeit der ersten Bildzeile als Referenzzeitpunkt gewählt werden. Mithilfe eines Modells des Rollverschlusses kann in Abhängigkeit von der Nummer der Bildzeile des Sterns der Zeitpunkt seiner Aufnahme in Bezug zum Referenzzeitpunkt als Zeitdifferenz bestimmt werden. Sterne in der ersten Bildzeile haben zu dem genannten Referenzzeitpunkt eine Differenz Null. Aus der aktuellen Drehrate 8 ergibt sich für jeden Stern der Gruppen eine Drehung seines Sternvektors, die den Sternvektor in die Lage versetzt, die er zum Referenzzeitpunkt hatte. Sterne aus der ersten Bildzeile werden gar nicht gedreht, die Sterne aus der letzten Bildzeile werden der maximalen Zeitdifferenz entsprechenden maximalen Drehung unterzogen. Die so entstandenen entzerrten Sterngruppendaten 11 können jetzt mit Erfolg in den Sterngruppen-Katalogdaten 14 gefunden werden. Diese zweite Zuordnung von Sterngruppen erfolgt im Verarbeitungsblock 12 zur Generierung der finalen Lageinformation. Im Ergebnis der Zuordnung liegen dann Sternvektoren sowohl im Koordinatensystem des Sternsensors zum Referenzzeitpunkt als auch im inertialen Koordinatensystem des Katalogs vor. Dies ermöglicht die Berechnung der aus Drehlage und feiner Drehrate bestehenden Lageinformation 13 nach bekannten Methoden. Möglich ist dabei eine Berechnung der Lageinformation 13 direkt aus den Sterngruppenparametern oder die Verwendung der zugeordneten Sternvektoren. In Abhängigkeit von der tatsächlichen aktuellen Drehrate kann unter „Lost in Space“-Bedingungen die Katalogidentifikation auch schon im allerersten Zyklus ohne gemessene aktuelle Drehrate funktionieren. Somit steht der Drehlageteil der Langeinformation ab dem ersten oder zweiten Zyklus zur Verfügung. Bei Drehungen unterhalb des bisherigen Drehratenlimit von konventionellen Sternsensoren liegt die Drehlage sofort vor, sodass bekannte Nachteile vermieden werden können.
Das kreisellose Lagebestimmungssystem kann an spezielle Anforderungen einer Mission angepasst werden, wobei entsprechend der Anpassung die benötigten Ressourcen optimiert werden.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines kreisellosen Lagebestimmungssystems 1a für hochdynamische Raumflugkörper mit ausschließlicher Drehratenmessung. Hier können alle Bestandteile des Systems weggelassen werden, die nicht für die Messung der aktuellen Drehrate 8 benötigt werden. Die verbliebenen Bestandteile bedürfen keiner Modifikation, sodass ein hohes Maß an Modularität des Systems erreicht wird.
3 zeigt ein Blockdiagramm des Lagebestimmungssystems 1b für wenig dynamische Raumflugkörper. Hier entfallen die Systemkomponenten für die Bestimmung der aktuellen Drehrate 8 und für den Verarbeitungsblock 10 zur Rollverschlusskorrektur, ebenfalls in modularer Weise. Wenn das System für höhere Anforderungen aufgerüstet werden soll, sind entsprechende Erweiterungen möglich, wie in 4 für den Fall des kreisellosen Lagebestimmungssystems für hochdynamische Raumflugkörper mit extra genauer Lagemessung dargestellt.
Die Messgenauigkeit kann erhöht werden durch die Verwendung zusätzlicher Stern-Katalogdaten 15. Mit der Anzahl zugeordneter Sterne verbessert sich die Genauigkeit sowohl der Drehlagemessung als auch der Drehratenmessung. Die Anzahl der zugeordneten Sterne ist jetzt nicht mehr wie bei konventionellen Sternsensoren durch die Kapazität der Verfolgung von Sternen in Bildfenstern begrenzt. Sie kann potentiell auf alle im Bild befindlichen, detektierbaren Sterne erweitert werden. Die Anzahl der gemessenen Sterne erhöht sich dadurch beispielsweise auf circa 50 bis 100 gegenüber 16 in Fenstern verfolgten Sternen. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Messgenauigkeit.
5 zeigt zwei Beispiele von Sterngruppen, die durch den Rollverschluss verzerrt wurden. Zum Vergleich ist auch die nicht verzerrte Sterngruppe 17 dargestellt. Die nicht verzerrte Sterngruppe 17 besteht aus den drei Sternen 16. Die Sterngruppe 19 mit den Sternen 18 demonstriert die Verzerrung durch eine Drehung um die optische Achse der Sternkamera, während die Sterngruppe 21 mit den Sternen 20 die Verzerrung durch eine Drehung um die vertikale Bildachse der Sternkamera zeigt. Die Abbildungsverhältnisse entsprechen einem typischen Fall mit einem quadratischen Sternkamera-Bildfeld 22 von 25 Winkelgrad, einer Rollverschluss-Verzögerung von 100 Millisekunden zwischen der ersten und der letzten Bildzeile in einem 8Hz Sternsensorzyklus. Die erste Bildzeile befindet sich im Bild oben. Bei einer angenommenen Größe der Bildmatrix von 1000 Bildelementen mal 1000 Bildelementen ergibt sich in der letzten Bildzeile eine Verzerrung von circa 80 Bildelementen für eine Drehungen um die Bildachse und von circa 34 Bildelementen für eine Drehung um die optische Achse der Sternkamera jeweils mit einer Drehrate von 20 Winkelgrad pro Sekunde. 5 spiegelt die geometrischen Proportionen der Verzerrung für diese Fälle wider. In Abhängigkeit von Drehrate und Drehachse ergeben sich Korrekturen für die Sternpositionen, die nur mit der Drehung entsprechend aller drei Komponenten der aktuellen Drehrate 8 kompensiert werden können, wie sie in dem Verarbeitungsblock 10 zur ausgeführt werden. Reine Verschiebungen reichen nicht aus.
Für die Sterngruppen werden vorzugsweise vier Sterne benutzt. Bei der Verwendung von drei Sternen pro Gruppe gibt es zwar theoretisch schon eine eindeutige Identifikation der Gruppe, allerdings sind dafür sehr geringe Fehler der Bestimmung der Sternposition erforderlich, die in der Praxis nicht immer sichergestellt werden können. Die Sterngruppendaten enthalten die Identifikationsparameter, zusammengefasst in einem Identifikationsvektor. Darüber hinaus können sie Referenzdaten enthalten, die nach erfolgreicher Identifikation für die Drehlage- und Drehratenberechnung benutzt werden. Für große Sätze von Sterngruppendaten, wie Sterngruppen-Katalogdaten 14, können zusätzlich Indexbäume zur Beschleunigung der Suche enthalten sein.
6 zeigt Identifikationsparameter in Sterngruppendaten. Für Sternberechnungen werden vorzugsweise Daten bezüglich der Einheitskugel mit Einheitsvektoren und Raumwinkeln benutzt. Die betrachtete Sterngruppe besteht aus vier Sternen 23, deren Position als Richtung durch den entsprechenden Sternvektor auf der Einheitskugel repräsentiert ist. Die Sternenvektoren der Sterne im Bild der Sternkamera werden durch die Position des Sterns im Bild und die optischen Abbildungsparameter, vor allem die Brennweite und eventuell weitere Kalibrierparameter, bestimmt. In dem in 6 dargestellten Beispiel werden die Identifikationsparameter wie folgt berechnet: Zuerst werden die beiden Sterne mit der größten Winkelseparation ausgewählt, sie werden Primärsterne genannt. Die sphärische Hauptachse 24 der Sterngruppe ist der Kreisabschnitt auf der Einheitskugel, der die beiden Sterne mit dem größten Separationswinkel verbindet. Die Länge der Hauptachse entspricht dem maximalen Separationswinkel. Der Einheitsvektor zur Mitte der Hauptachse wird als Positionsvektor 25 der Gruppe verwendet. Die sphärische Nebenachse steht senkrecht zur Hauptachse und hat ihren Ursprung im Positionsvektor der Gruppe. Mit diesen beiden Achsen sind dann die Winkelkoordinaten der beiden verbliebenen Sterne der Gruppe, Sekundärsterne genannt, in einem lokalen Gruppenkoordinatensystem definiert. Das Gruppenkoordinatensystem ist zweidimensional mit den Winkel-Koordinaten senkrecht zur Hauptachse 26 und den Winkel-Koordinaten parallel zur Hauptachse 27. Um die Gruppenidentifikation unabhängig vom Abbildungsmaßstab der Sternkamera zu machen, beziehungsweise um eine Nach-Kalibrierung der Brennweite im Orbit vorzunehmen, können die Winkelkoordinaten der Sekundärsterne zusätzlich auf die Winkelgröße der Hauptachse normiert werden. Maßstabsänderungen, zum Beispiel durch Thermaleffekte im Objektiv, können dann nach erfolgter Identifikation durch Auswertung der nicht normierten Winkel ausgeglichen werden. Dabei ist die in vom Abbildungsmaßstab unabhängige Variante der Identifikation mit den auf die Hauptachse normierten Winkeln zu verwenden.
Die vier Werte der Winkelkoordinaten (Hauptachsen 26, 27) der beiden Sekundärsterne bilden den vierdimensionalen Identifikationsvektor der Sterngruppe. Die Indizes der vier Gruppensterne in der Indexliste der im Bild detektierten Sterne sind die Referenzdaten. Am Boden wird mit dem gleichen Verfahren der globale Sterngruppenkatalog mit den Sterngruppen-Katalogdaten 14 berechnet und im Flug mitgeführt. In den Sterngruppen-Katalogdaten 14 entsprechen die Indizes der vier Sterne einer durchgängigen Nummerierung aller Gruppensterne. Der ebenfalls am Boden berechnete Indexbaum wird für die angegebenen Identifikationsvektor vorzugsweise als Vektor-Indexbaum ausgeführt. Für die Variante des kreisellosen Lagebestimmungssystems 1c für hochdynamische Raumflugkörper mit extra genauer Lagemessung werden neben den Sterngruppen-Katalogdaten 14 zusätzliche Stern-Katalogdaten 15 mitgeführt.
Der typische Sternsensor ist bei Sterndetektion mit Fenstern aus geometrischen Gründen nicht für sehr hohe Drehraten geeignet und mögliche Modifikationen der Sensorkonfiguration müssen betrachtet werden. Eine einfach zu implementierende Verbesserung ergibt sich mit der Vergrößerung des Bildfeldes. Bei einer Sternkamera mit 40 Winkelgrad quadratischem Bildfeld werden nur noch circa 1000 Sterne im Katalog für die Sterngruppen benötigt. Draus ergibt sich ein Drehratenlimit von 14 Winkelgrad pro Sekunden bei 100 Millisekunden Bildbelichtung. Noch größere Bildfelder haben eine weitere Erhöhung des theoretischen Drehratenlimits zur Folge. Die hier angenommene ungefähre Gleichverteilung der Sterne liegt praktisch nicht vor. Deshalb ist beim Design des Sternkatalogs und des Sterngruppenkatalogs für hohe Drehraten dem Sternabstand besondere Beachtung zu schenken. Sterne mit nahen Nachbarn dürfen für den Katalog nicht verwendet werden. Da im Bild der Sternkamera alle Sterne detektiert werden, auch die ungeeigneten, ergibt sich zusätzlich eine moderat erhöhte Verarbeitungsleistung im Verarbeitungsblock 7 der Sterngruppengenerierung. Insgesamt ist mithilfe einer Bildfeldvergrößerung, eines angepassten Katalogdesigns und erhöhter Rechenleistung das angestrebte Drehratenlimit von 20 Winkelgrad pro Sekunde für das Notfallregime bei einem einfachen typischen Sternsensor mit Fensterdetektion erreichbar.
Neuere Sternsensoren arbeiten nicht mehr mit Sternfenstern, sondern mit Sternclustern. Cluster sind Gruppen zusammenhängender heller Bildelemente, die als Objekte aus dem Bild extrahiert werden.
Bei der Fortführung der Messung von Drehlage und Drehrate mit dem Verfahren der Erfindung in einer kontinuierlichen Sequenz ist in jedem Sternsensorzyklus eine Messung möglich, egal wie sich die Drehrate unterhalb des Limits ändert. Bei der ersten Messung unter „Lost in Space“-Bedingungen kann es passieren, dass bei hohen Drehraten erst im zweiten Zyklus ein Messergebnis vorliegt. Die Ursache für den möglichen Ausfall des allerersten Zyklus ist das fehlende Sternbild aus dem vorherigen Zyklus.
7 zeigt ein Flussdiagramm einer Verarbeitung bei „Lost in Space“-Bedingungen im allerersten Sternsensorzyklus. Im allerersten Zyklus wird die aktuelle Drehrate zur Rollkorrektur auf Null gesetzt. Dies kann durch direkte Zuweisung des Nullwertes erfolgen, oder dadurch, dass anstelle der Sterngruppen des vorherigen Zyklus die Daten des aktuellen Zyklus verwendet werden. Mit einer Null-Drehrate verändert die Rollverschluss-Korrektur die Daten nicht. Ein Messergebnis im ersten Zyklus wird also nur vorliegen, wenn die Drehrate zu tolerierbaren Verzerrungen führt. Bei einer Drehrate von 1 Winkelgrad pro Sekunde und einer Ausdehnung der Sterngruppe über das halbe Bildfeld kommt es beim typischen Sternsensor zu einer Verzerrung von circa 2 Bildelementen. 2 Bildelemente geometrischer Fehler führen in der Regel zum Fehlschlagen der Identifikation. Trotzdem können in der Praxis Drehraten von 1 bis 4 Winkelgrad pro Sekunde für die Sternidentifikation bei einem typischen Sternsensor toleriert werden. Das liegt daran, dass die Rollverzerrung teilweise als Drehung und Vergrößerung wirken kann. Diese Komponenten der Verzerrungen werden durch die Identifikationsalgorithmen kompensiert.
Im Flussdiagramm nach 7 gibt es eine Erfolgsprüfung der Zuordnung der entzerrten Sterngruppen zum Katalog. Sie wird insbesondere für den allerersten Verarbeitungszyklus benötigt. Eine Erfolgsprüfung der Zuordnung der Sterngruppen aus dem aktuellen und dem letzten Bild wird nicht benötigt. Die Zuordnung der verzerrten Sterngruppen zweier aufeinander folgender Bilder funktioniert für alle relevanten Einsatzszenarien des Sternsensors. Bei einer Rotation um die Bildachsen ändern sich die Zeitdifferenzen der Sternerfassung nicht. In diesem günstigsten Fall gibt es keine Änderung der Rollverzerrung von Bild zu Bild. Die größte Änderung der Rollverzerrung gibt es bei der Drehung um die optische Achse der Sternkamera. Sie beträgt bei einer Drehrate von 20 Winkelgrad pro Sekunde weniger als ein Drittel des Bildelements und ist damit unkritisch.
8 zeigt eine Applikation einer robusten Drehraten- und Lagebestimmung mit einem Sternsensor mittels ausgewählter Sterngruppenkatalogkodierung. 9 zeigt ein Flussdiagramm robusten Drehraten- und Lagebestimmung mit einem Sternsensor mittels ausgewählter Sterngruppenkatalogkodierung.
Abgeleitet aus dem Verfahren gemäß 8 und 9 werden die bekannten Eigenschaften eines kalibrierten Sternsensors wie Optikbrennweite, Detektorpixelgröße und -anzahl in die Sterngruppenkodierung einbezogen. Durch die Anordnung der Sterngruppenkodes in vorzugsweise binären Suchbäumen sind sehr schnelle Sterngruppenidentifikationen möglich. Das Verfahren wurde auf reale Messdaten angewandt optimiert und verifiziert. Mit diesem Vorschlag sind Echtzeit-Sternidentifikationen in jedem einzelnen und voneinander unabhängigen Messzyklus möglich (<100ms). D.h., sobald eine Sterngruppe (3...4 Sterne) detektiert wird, kann eine Identifikation und Lagerechnung erfolgen. Erfolgt dies in direkt aufeinanderfolgenden Zyklen oder mit bekannten Zeitabständen, kann Drehrate, - richtung und -beschleunigung bzw. eine Ratenschätzung selbst für sehr hohe Drehraten durchgeführt werden. Das konventionelle Lagetracking kann mit diesem Verfahren insbesondere bei hohen Raten- und Beschleunigungen gestützt werden, was zu einer Erhöhung der Robustheit der Lagemessung führt. Diese Eigenschaften sind eine wertvolle Erweiterung der Funktionalität eines Sternsensors.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Lagebestimmungssystem
1a: Lagebestimmungssystem
1b: Lagebestimmungssystem
1c: Lagebestimmungssystem
2: Sternkamera
3: Prozessorvorrichtung
4: Sternbild
5: Verarbeitungsblock
6: Sterngruppendaten
7: Verarbeitungsblock
8: Drehrate
9: Lagekontrollsystem
10: Verarbeitungsblock
11: Sterngruppendaten
12: Verarbeitungsblock
13: Lageinformation
14: Sterngruppen-Katalogdaten
15: Stern-Katalogdaten
16: Stern
17: Sterngruppe
18: Stern
19: Sterngruppe
20: Stern
21: Sterngruppe
22: Bildfeld
23: Stern
24: Hauptachse
25: Positionsvektor
26: Hauptachse
27: Hauptachse

Claims

Verfahren zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte - zyklisch wiederholt Aufnehmen von verzerrten Sternbildern (4), Prozessieren der verzerrten Sternbilder (4) zu verzerrten Sterngruppendaten (6), Speichern der verzerrten Sterngruppendaten (6), - Bestimmen einer aktuellen Drehrate (8) durch Vergleichen der verzerrten Sterngruppendaten (6) zweier aufeinanderfolgender Zyklen, - Übertragen der aktuellen Drehrate (8) an ein Lagekontrollsystem (9) und/oder die Schritte - Prozessieren der verzerrten Sternbilder (4) eines aktuellen Zyklus zu entzerrten Sterngruppendaten (11), - Bestimmen einer Lageinformation (13) durch Zuordnen der entzerrten Sterngruppendaten (11) zu mitgeführten Sterngruppen-Katalogdaten (14), - Übertragen der Lageinformation (13) an das Lagekontrollsystem (9) ausgeführt werden.
Verfahren zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung bekannter Systemparameter eines optischen Systems die Schritte - Kodieren von Sterngruppen-Katalogdaten mit n = 3 ...4 Sternen [x_n, y_n, z_n], welche in einem Bildfeld sichtbar sind, in repräsentative Fokalebenen- Koordinaten [x_pix, y_pix]_n, - Bilden eines skalierungs-, translations- und rotationsinvarianten Sternengruppenkodes basierend auf [x_pix, y_pix]_n oder der Schritt - Kodieren von Sterngruppen-Katalogdaten mit n = 3 ... 4 Sternen [x_n, y_n, z_n], welche in einem Bildfeld sichtbar sind, in repräsentative Tangens- und/oder Winkelkoordinaten [tan(α), tan(β)]_n ausgeführt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sterngruppen-Katalogdaten (14) Daten zu Gruppensternen, zu Sterngruppen (17, 19, 21) und zu einem Vektor-Indexbaum enthalten, wobei die Daten zu den Sterngruppen (17, 19, 21) Identifikationsvektoren und Referenzdaten enthalten und sich der Vektor-Indexbaum auf die Identifikationsvektoren der Sterngruppen (17, 19, 21) bezieht.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stern-Katalogdaten (15) mit zusätzlichen Sterndaten mitgeführt und verwendet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageinformation (13) statistisch gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageinformation (13) über mehrere Zyklen und/oder über mehrere Sternenkameras gefiltert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen der verzerrten Sternbilder (4) wenigstens eine Sternenkamera (2), insbesondere eine Rollverschlusskamera, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verzerrten Sternbilder (4) mithilfe der wenigstens einen Sternenkamera (2) zu den verzerrten Sterngruppendaten (6) prozessiert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sternenkamera (2) Bildelemente aufweist und mehrere einander benachbarte Bildelemente zu einem Bildelementmodul zusammengefasst werden, um ein Drehratenlimit zu erhöhen.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen unterschiedlicher Bildfelder (22) eine Sternenkamera (2) oder mehrere Sternenkameras (2) zusammengefasst verwendet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mithilfe wenigstens einer gesonderten Prozessorvorrichtung (3) und/oder mithilfe einer Prozessorvorrichtung (3) des Raumflugkörpers durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Sternenkamera (2), insbesondere eine Rollverschlusskamera, und wenigstens eine Prozessorvorrichtung (3) aufweist, wobei die wenigstens eine Prozessorvorrichtung (3) - einen ersten Verarbeitungsblock (5) zum zyklisch wiederholten Aufnehmen von verzerrten Sternbildern (4), zum Prozessieren der verzerrten Sternbilder (4) zu verzerrten Sterngruppendaten (6) und zum Speichern der verzerrten Sterngruppendaten (6) und - einen zweiten Verarbeitungsblock (7) zum Bestimmen einer aktuellen Drehrate (8) durch Vergleichen der verzerrten Sterngruppendaten (6) zweier aufeinanderfolgender Zyklen, und/oder - einen dritten Verarbeitungsblock (10) zum Prozessieren der verzerrten Sternbilder (4) eines aktuellen Zyklus zu entzerrten Sterngruppendaten (11) und - einen vierten Verarbeitungsblock (12) zum Bestimmen einer Lageinformation (13) durch Zuordnen der entzerrten Sterngruppendaten (11) zu mitgeführten Sterngruppen-Katalogdaten (14); umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Sternenkameras (2) und für jede Sternenkamera (2) eine gesonderte Prozessorvorrichtung (3) oder für eine Gruppe von Sternenkameras (2) eine gemeinsame Prozessorvorrichtung (3) aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Prozessorvorrichtung (3) eine gesonderte Prozessorvorrichtung (3) zum Ausführen des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 11 oder eine Prozessorvorrichtung (3) des Raumflugkörpers ist.
Computerprogrammprodukt, gespeichert auf einem computerlesbaren Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms mithilfe wenigstens einer Prozessorvorrichtung (3) diese veranlassen, das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11