DE102020131015A1

DE102020131015A1 - Verfahren zum identifizieren eines objekts, sende-empfangsstation, identifikationsmittel, system zum identifizieren eines objekts, computer-programm-produkt und ein datenverarbeitungssystem

Info

Publication number: DE102020131015A1
Application number: DE102020131015.3A
Authority: DE
Inventors: Nils Bartels; Daniel Hampf; Denise Keil
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Sende-Empfangsstation, ein Identifikationsmittel, ein System, ein Computer-Programm-Produkt sowie ein Datenverarbeitungssystem, zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem System (100), welches wenigstens eine Sende-Empfangsstation (30) mit wenigstens einer Sendequelle (32) von elektromagnetischer Strahlung sowie wenigstens ein an dem Objekt (10) angeordnetes Identifikationsmittel (12) umfasst, wobei die Sendequelle (32) ein Sendesignal (50) mit der elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Objekts (10) sendet, wobei von dem wenigstens einen Identifikationsmittel (12) des Objekts (10) ein elektromagnetisches Empfangssignal (52) in Reaktion auf das Sendesignal (50) gerichtet zur Sende-Empfangsstation (30) zurückgestrahlt wird, wobei das Sendesignal (50) in einer ersten Sendephase mit wenigstens einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in einer zweiten Sendephase mit wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) ausgesendet wird und die Intensität (I1, I2, I3, I4) des Empfangssignals (52) jeweils mit wenigstens einem ersten Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) und wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) erfasst wird, wenn das Sendesignal (50) in der ersten Sendephase mit dem wenigstens ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in der zweiten Sendephase mit dem wenigstens zweiten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) ausgesendet wird, wobei ein Ist-Identifikationsmuster des Objekts (10) durch Kombination der erfassten Intensitäten (I1, I2, I3, I4) des Empfangssignals (52) gebildet wird, und wobei das Identifizieren des Objekts (10) durch Vergleich des Ist-Identifikationsmusters mit einem Soll-Identifikationsmuster erfolgt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum. Die Erfindung betrifft ferner eine Sende-Empfangsstation, ein Identifikationsmittel, ein System zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum, sowie ein Computer-Programm-Produkt und ein Datenverarbeitungssystem, um ein solches Verfahren auszuführen.
Durch die zunehmende, auch kommerzielle Nutzung des Weltraums besteht großes Interesse an Verfahren zur bodengestützten Erkennung von Weltraumobjekten. Dies vereinfacht nicht nur den Betrieb von Satelliten, sondern auch die Weltraumlageerfassung, die sogenannte „Space Situational Awareness“, die Kollisionsvermeidung und das Wiederauffinden von Satelliten ohne präzise Bahndaten. Der größte Beitrag zur Weltraumlageerfassung stammt derzeit aus Radarmessungen. Radarmessungen können große Satelliten anhand der äußeren Abmessungen direkt bildgebend erkennen. Für Kleinstsatelliten, wie beispielsweise sogenannte CubeSats, ist dies jedoch im Allgemeinen nicht möglich, zumal teils zahlreiche Satelliten während eines einzelnen Raketenstarts im Weltraum ausgebracht werden.
Die Betreiber dieser Kleinsatelliten erhalten oft nur verzögert Bahndaten und diese sind nicht immer einem speziellen Satelliten zugeordnet.
Um Weltraumobjekte von der Erde aus leichter identifizieren zu können, gibt es derzeit keine Standardtechnologie. Eine existierende Möglichkeit besteht darin, Satelliten mit Radiosendern, in Kombination mit GPS Empfängern, auszustatten. Diese Radiosignale können mittels großer Radioteleskope empfangen werden. Eine Alternative ist der Einsatz gepulster, kodierter optischer Laserdioden am Satelliten und die Detektion mittels Teleskop und Einzelphotonendetektor an einer Bodenstation.
Die DE 102013101730 A1 beschreibt ein Verfahren zur eindeutigen Identifikation eines Objekts bei dem ein eindeutiges Identifikationsmittel an oder in einem als Weltraum-Flugkörper ausgebildeten Objekt angeordnet wird. Es wird ein elektromagnetische Wellen aufweisendes Sendesignal von einer Sendestation zu dem Identifikationsmittel des sich im Weltraum befindenden Weltraum-Flugkörpers gesendet. In einer Empfangsstation wird ein von dem Identifikationsmittel des Weltraum-Flugkörpers in Reaktion auf das Sendesignal zurückgesandtes elektromagnetische Wellen aufweisendes Identifikationssignal empfangen. Anhand des Identifikationssignals ist dann ein Identifizieren des Weltraum-Flugkörpers möglich.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein ressourcenschonendes Verfahren zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum anzugeben, welches es erlaubt, eine Vielzahl von Objekten eindeutig zu identifizieren.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Sende-Empfangsstation zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Identifikationsmittel zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Computer-Programm-Produkt zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Datenverarbeitungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird ein Verfahren zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem System vorgeschlagen, welches wenigstens eine Sende-Empfangsstation mit wenigstens einer Sendequelle von elektromagnetischer Strahlung sowie wenigstens ein an dem Objekt angeordnetes Identifikationsmittel umfasst, wobei die Sendequelle ein Sendesignal mit der elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Objekts sendet. Dabei wird von dem wenigstens einen Identifikationsmittel des Objekts ein elektromagnetisches Empfangssignal in Reaktion auf das Sendesignal gerichtet zur Sende-Empfangsstation zurückgestrahlt. Das Sendesignal wird in einer ersten Sendephase mit wenigstens einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand und in einer zweiten Sendephase mit wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand ausgesendet.
Die Intensität des Empfangssignals wird jeweils mit wenigstens einem ersten Empfangssignal-Polarisationszustand und wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Empfangssignal-Polarisationszustand erfasst, wenn das Sendesignal in der ersten Sendephase mit dem wenigstens ersten Sendesignal-Polarisationszustand und in der zweiten Sendephase mit dem wenigstens zweiten Sendesignal-Polarisationszustand ausgesendet wird. Ein Ist-Identifikationsmuster des Objekts wird durch Kombination der erfassten Intensitäten des Empfangssignals gebildet. Das Identifizieren des Objekts erfolgt durch Vergleich des Ist-Identifikationsmusters mit einem Soll-Identifikationsmuster.
Vorteilhaft wird eine Kennung mit einer Art Nummernschild von Weltraumobjekten/Satelliten dadurch ermöglicht, dass die Technologie der Satelliten-Laserentfernungsmessung (SLR) so erweitert wird, dass eine eindeutige Identifikation des Weltraumobjekts möglich wird.
Bei der Satelliten-Laserentfernungsmessung wird das Objekt mit einem Retroreflektor, typischerweise ein Tripelspiegel oder Tripelprisma, ausgestattet, welches einen von einer Sende-Empfangsstation ausgesandtes, typischerweise gepulstes Sendesignal, beispielsweise ein Laserstrahl, antiparallel wieder zu seiner Sendequelle zurückreflektiert. Das reflektierte Empfangssignal kann mit einem Teleskop und einem Detektor zeitaufgelöst detektiert und aus der Laufzeit des Signals der Abstand des Retroreflektors, und damit des Objekts, von der Sendequelle berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird das Objekt mit einer passiv optischen Baugruppe als Identifikationsmittel ausgerüstet, die mindestens einen Retroreflektor, sowie weitere passiv optische Komponenten, beispielsweise Polarisationsoptiken wie Polarisatoren, Wellenplatten oder wellenlängen-abhängige Transmissionsfilter, aufweist.
Durch diese Baugruppe werden Eigenschaften des als Empfangssignal reflektierten Sendesignals, nämlich einer Kombination aus wellenlängenabhängiger Transmission, Polarisation und zeitlichem Verlauf der zurückgestrahlten Intensität, einer ebenfalls in diesen Eigenschaften modulierten, einstrahlenden Sendequelle so verändert, dass eine eindeutige Erkennung des Objekts, insbesondere Satelliten, durch Messung dieser Eigenschaften im reflektierten Empfangssignal möglich ist. Das Sendesignal kann günstigerweise ein gepulster Laserstrahl sein.
Ein Unterschied zu bestehenden Technologien zur Identifikation von Weltraumobjekten besteht insbesondere darin, dass eine oder mehrere rein passiv optische Baugruppen, beispielsweise eine Kombination aus Retroreflektoren, optischen Filtern, Polarisationsoptiken, am zu detektierenden Objekt, beispielsweise einem Satelliten, montiert wird. Die passiv optische Bauweise erleichtert die Integration insbesondere in einen Satelliten und ermöglicht eine lange und ressourcenschonende Betriebsdauer.
Das Empfangssignal wird von dieser optischen Baugruppe gerichtet in Richtung der Sendequelle zurückgesendet, und zwar nur begrenzt durch die Beugung des Sendesignals. Dies erhöht Reichweite und Signalstärke des Sendesignals und damit auch des Empfangssignals.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein polarimetrisches SLR durchgeführt, das optional bei mehreren Wellenlängen des Sendesignals durchgeführt werden kann, bei dem systematisch und mit hoher Repetitionsrate die Intensität und Laufzeit des Signals bei verschiedenen ausgesandten und empfangenen Polarisationszuständen des Signals erfasst werden.
Das wenigstens eine Identifikationsmittel des Objekts kann vorteilhaft eine Retroreflektor-Baugruppe mit einem Retroreflektor und einem ersten optischen Element, insbesondere einer λ/4-Wellenplatte, sowie einem zweiten optischen Element, insbesondere einem Drahtgitter-Polarisator oder einer λ/4-Wellenplatte, umfassen, wobei eine optische Achse des zweiten optischen Elements um einen Winkel gegen eine optische Achse des ersten optischen Elements verdreht ist. Dadurch kann der Polarisationszustand des Empfangssignals auf geeignete Weise geändert werden, sodass das Identifikationsmittel und damit das Objekt anhand des Empfangssignals identifiziert werden können.
Aufgrund der großen Entfernung zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation als Sende-Empfangsstation ist es möglich, dass nicht die gesamte reflektierte Intensität des Sendesignals als Empfangssignal erfasst wird, sondern nur ein Ausschnitt des Beugungsbildes der vom Retroreflektor reflektierten Laserstrahlung. Auch damit lassen sich vorteilhaft Intensitäten des Empfangssignals in geeigneter Weise bestimmen, die zur Identifikation des Objekts herangezogen werden können. Statt einer stationären Sende-Empfangsstation kann eine transportable Sende-Empfangsstation auf einem Schiff, einem Flugzeug oder dergleichen vorgesehen sein.
Der Vorteil bei der Verwendung von Lichtstrahlung gegenüber der Strahlung von Radiosendern ist, dass Lichtstrahlung sehr viel besser gebündelt werden kann und so gerichtet in einen kleinen Raumwinkel fokussierbar ist. Bei großen Entfernungen zu Objekten, wie bei Satelliten im Weltraum, können so wesentlich größere Signalstärken und damit Reichweiten des Systems erreicht werden.
Vorteilhaft wird so ein rein passives optisches Verfahren vorgeschlagen, welches keine elektrische Versorgung aus dem Satelliten benötigt. Es wird auch keine komplexe Schaltungselektronik benötigt, die anfällig für Ausfälle ist, da die Elektronik auf dem Satelliten zwangsläufig ionisierender Weltraumstrahlung ausgesetzt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie beschrieben, vorteilhaft zum Identifizieren eines Satelliten im Weltraum angewendet werden, wobei die Identifikationsmittel am Satelliten angeordnet sind und die Sende-Empfangsstation sich auf der Erdoberfläche befindet. Ebenso ist es jedoch möglich, dass das Verfahren beispielsweise zum Identifizieren von Flugzeugen oder Bodenfahrzeugen oder Schiffen eingesetzt wird, wobei sich die Sende-Empfangsstation bei diesen Einsatzgebieten ebenfalls am Boden oder auch auf Flugzeugen oder Satelliten befinden kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Intensität des Empfangssignals abhängig von einer Laufzeit zwischen Aussenden des Sendesignals und Empfangen des Empfangssignals und/oder abhängig von einer Wellenlänge des Empfangssignals erfasst werden. Vorteilhaft können so mehrere Identifikationsmittel auf einem Objekt anhand der unterschiedlichen Laufzeiten der Signale unterschieden werden. Dadurch ist ein Zuordnen des Empfangssignals zu den einzelnen Identifikationsmitteln erleichtert, wodurch das Identifizieren eines Objekts mit größerer Wahrscheinlichkeit möglich ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Sendesignal in wenigstens zwei verschiedenen Sendephasen mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgesendet werden. Dabei kann als Sendequelle beispielsweise ein Laser mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden, der zur verschiedenen Sendephasen Sendesignale verschiedener Wellenlänge sendet.
Alternativ können auch zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, die jeweils zeitversetzt Pulse aussenden. Dadurch können die Empfangssignale den verschiedenen Sendephasen zugeordnet werden und die jeweiligen Laufzeiten bestimmt werden.
Das wenigstens eine Identifikationsmittel kann dazu wenigstens einen spektralen Filter aufweisen, mit welchem ein Sendestrahl mit wenigstens einer Wellenlänge herausgefiltert werden kann. So können Sendestrahlen mit mehreren Wellenlängen unterschiedlichen Identifikationsmitteln zugeordnet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Sendequelle einen Laser aufweisen. Insbesondere kann die Sendequelle einen Laser aufweisen, der Laserpulse mit einer Pulslänge von höchstens 100 Nanosekunden und einer Pulsrepetitionsrate von mindestens 100 Pulsen pro Sekunde emittiert.
Für die beschriebene Anwendung kann der Laser kurze Laserpulse, beispielsweise Pikosekunden-Pulse, aussenden, um das Signal von verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen, welche am Satelliten montiert sind, zeitlich auflösen zu können. Zusätzlich sind eine hohe Repetitionsrate und eine geringe Strahldivergenz des Lasers von Vorteil, um in kurzer Zeit viele vom Retroreflektor zurückreflektierte Photonen detektieren zu können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann einer der Sendesignal-Polarisationszustände des Sendesignals in einer der Sendephasen rechts zirkular polarisierte Strahlung aufweisen und der andere der Sendesignal-Polarisationszustände in der anderen der Sendephasen kann links zirkular polarisierte Strahlung aufweisen.
Dadurch lassen sich die einzelnen Pulse des Sendesignals mit geeigneten optischen Baugruppen wie λ/4-Wellenplatte oder Drahtgitter-Polarisatoren in ihrem Polarisationszustand verändern, um auf diese Weise das Identifikationsmittel, mit welchem die Signale in Wechselwirkung standen, identifizieren zu können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zur Bestimmung des Ist-Identifikationsmusters aus den gemessenen Intensitäten des Empfangssignals Symmetrieparameter bestimmt werden. Die Symmetrieparameter können dazu dienen, dimensionslose und normierte Größen für die Auswertung der Intensitäten des Empfangssignals zu schaffen. Damit lassen sich auf geeignete Weise Identifikationsmuster definieren, mittels welcher das Objekt identifiziert werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sende-Empfangsstation zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum vorgeschlagen, mit wenigstens einer Sendequelle von elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden eines Sendesignals zu dem Objekt und mit einem Teleskop zum Empfangen von einem von dem Objekt rückgestrahlten Empfangssignal. Dabei ist ein Polarisationszustandsgenerator vorgesehen, um das Sendesignal in einer ersten Sendephase mit einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand und in einer zweiten Sendephase mit einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand zu senden. Weiter ist ein Polarisationszustandsanalysator vorgesehen, um einen Empfangssignal-Polarisationszustand des vom Objekt rückgestrahlten Empfangssignals auszuwählen.
Die als Bodenstation eingerichtete Sende-Empfangsstation weist beispielsweise einen Laser als Sendequelle auf, der Laserlicht parallel zur optischen Achse eines Teleskops emittiert.
Für die beschriebene Anwendung sollte der Laser kurze Laserpulse (Pikosekunden-Pulse) aussenden, um das Signal von verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen am Satelliten zeitlich auflösen zu können. Zusätzlich sind eine hohe Repetitionsrate und eine geringe Strahldivergenz des Lasers von Vorteil, um in kurzer Zeit viele vom Retroreflektor zurückreflektierte Photonen detektieren zu können.
Am Ausgang des Lasers wird ein Polarisationszustandsgenerator (PSG) angeordnet, der innerhalb kurzer Zeit (beispielsweise 10-20 ms) den ursprünglich linear polarisierten Laser zwischen zwei Sendesignal-Polarisationszuständen, nämlich beispielsweise rechts zirkular (RC) und links zirkular (LC) hin- und herschaltet. Diese Polarisationsmodulation kann beispielsweise über einen Verzögerungsgenerator getriggert werden und kann beispielsweise über elektronisch schaltbare Flüssigkristall-Wellenplatten erfolgen. Eine Alternative besteht darin, herkömmliche Wellenplatten, beispielsweise aus doppelbrechendem Quarz-Kristall, mit verschiedenen Ausrichtungen mit einem Hochgeschwindigkeits-Filterrad in den Laserstrahl zu bewegen.
Der modulierte, zirkular polarisierte Laserstrahl trifft dann auf den Satelliten und wird von einer oder von mehreren Retroreflektor-Baugruppen als Empfangssignal zur Sende-Empfangsstation zurückreflektiert.
An der Sende-Empfangsstation wird das zurückreflektierte Licht mit einem Teleskop gesammelt, gebündelt und über einen Polarisationszustandsanalysator (PSA) zu einem Detektor, beispielsweise ein Einzelphotonen-Detektor, gesendet. Analog zum PSG transmittiert der PSA umschaltbar entweder rechts zirkular oder links zirkular polarisierte Anteile der Laserstrahlung zum Detektor.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann eine Zeitmesseinheit zur Erfassung einer Laufzeit zwischen Aussenden des Sendesignals und Empfangen des Empfangssignals vorgesehen sein. Dabei kann jedem detektierten Photon mittels der Zeitmesseinheit die Laufzeit des Photons, gemessen zwischen einer Fotodiode am Ausgang des Lasers und dem Detektor am Teleskop, zugeordnet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann die Sendequelle einen Laser aufweisen. Insbesondere kann die Sendequelle einen Laser aufweisen, der zum Aussenden von Laserpulsen mit einer Pulslänge von höchstens 100 Nanosekunden und einer Pulsrepetitionsrate von mindestens 100 Pulsen pro Sekunde ausgebildet ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann der Polarisationszustandsgenerator ausgebildet sein, als einen der Sendesignal-Polarisationszustände des Sendesignals rechts zirkular polarisiert und als den anderen der Sendesignal-Polarisationszustände in der anderen der Sendephasen links zirkular polarisiert einzustellen. Dadurch lassen sich die einzelnen Pulse des Sendesignals mit geeigneten optischen Baugruppen wie λ/4-Wellenplatte oder Drahtgitter-Polarisatoren in ihrem Polarisationszustand verändern, um auf diese Weise das Identifikationsmittel, mit welchem die Signale in Wechselwirkung standen, identifizieren zu können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann ein Detektor zum Empfangen des Empfangssignals vorgesehen sein. Insbesondere kann der Detektor als Einzelphotonen-Detektor ausgebildet sein. So kann jedes detektierte Photon einer Retroreflektor-Baugruppe als Identifikationsmittel zugeordnet werden. Der Detektor kann so das Empfangssignal mit hoher Empfindlichkeit registrieren.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann zum Triggern des Polarisationszustandsgenerators eine Verzögerungseinheit vorgesehen sein. Die Verzögerungseinheit kann vorteilhaft die Sendequelle, den Polarisationszustandsgenerator und den Polarisationszustandsanalysator synchronisieren, um so eine präzise Laufzeiterfassung der einzelnen detektierten Photonen vornehmen zu können. Dadurch lassen sich die Intensitäten des Empfangssignals den verschiedenen Identifikationsmitteln günstigerweise zuordnen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann der Polarisationszustandsgenerator eine elektronisch schaltbare Flüssigkristall-Wellenplatte aufweisen. Auf diese Weise lässt sich der Sende-Polarisationszustand des Sendesignals geeignet mit hoher Frequenz umschalten.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann der Polarisationszustandsgenerator alternativ eine Wellenplatte aufweisen, welche in das Sendesignal schwenkbar ist. Insbesondere kann der Polarisationszustandsgenerator eine Wellenplatte aufweisen, welche mit einem Filterrad in das Sendesignal schwenkbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Sende-Polarisationszustand des Sendesignals geeignet mit hoher Frequenz umschalten.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Sende-Empfangsstation kann die Sendequelle ausgebildet sein, ein Sendesignal mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen auszusenden. Insbesondere kann die Sendequelle wenigstens zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen. Dabei kann als Sendequelle beispielsweise ein Laser mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden, der zur verschiedenen Sendephasen Sendesignale verschiedener Wellenlänge sendet. Alternativ können auch zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, die jeweils zeitversetzt Pulse aussenden.
Dadurch können die Empfangssignale den verschiedenen Sendephasen zugeordnet werden und die jeweiligen Laufzeiten bestimmt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Identifikationsmittel zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum vorgeschlagen, wenigstens umfassend wenigstens eine Retroreflektor-Baugruppe, welche Retroreflektor-Baugruppe ausgebildet ist, einen Empfangssignal-Polarisationszustand und/oder eine Wellenlänge eines Empfangssignals in Reaktion auf ein empfangenes Sendesignal einzustellen und das Empfangssignal antiparallel zum Sendesignal zurückzusenden.
Erfindungsgemäß wird das zu identifizierende Objekt mit einer passiv optischen Baugruppe als Identifikationsmittel ausgerüstet, die mindestens einen Retroreflektor, sowie weitere passiv optische Komponenten, beispielsweise Polarisationsoptiken wie Polarisatoren, Wellenplatten oder wellenlängen-abhängige Transmissionsfilter, aufweist. Durch diese Baugruppe werden Eigenschaften des als Empfangssignal reflektierten Sendesignals, nämlich einer Kombination aus wellenlängenabhängiger Transmission, Polarisation und zeitlichem Verlauf der zurückgestrahlten Intensität, einer ebenfalls in diesen Eigenschaften modulierten, einstrahlenden Sendequelle so verändert, dass eine eindeutige Erkennung des Satelliten durch Messung dieser Eigenschaften im reflektierten Empfangssignal möglich ist. Das Sendesignal kann günstigerweise ein gepulster Laserstrahl sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Identifikationsmittels kann die Retroreflektor-Baugruppe einen Retroreflektor und ein, in einer Einfallsrichtung des Sendesignals zuerst angeordnetes erstes optisches Element, insbesondere eine λ/4-Wellenplatte, sowie ein in der Einfallsrichtung hinter dem ersten optischen Element angeordnetes zweites optisches Element, insbesondere einen Drahtgitter-Polarisator oder eine λ/4-Wellenplatte, umfassen. Dabei kann eine optische Achse des zweiten optischen Elements um einen Winkel gegen eine optische Achse des ersten optischen Elements verdreht sein, wodurch der Empfangssignal-Polarisationszustand des Empfangssignals einstellbar ist.
Die Retroreflektor-Baugruppe besteht günstigerweise aus einem metallbeschichteten Retroreflektor, einer äußeren A/4-Wellenplatte und einem weiteren optischen Element, einem Drahtgitter-Polarisator oder einer weiteren λ/4-Wellenplatte, welches zwischen der äußeren Wellenplatte und dem Retroreflektor montiert wird. Die optische Achse des optischen Elements ist gegenüber der optischen Achse der äußeren λ/4-Wellenplatte um den Winkel verdreht. Durch die Auswahl der zentralen optischen Komponente, Drahtgitter-Polarisator oder A/4-Wellenplatte) sowie des Winkels lassen sich verschiedene Retroreflektor-Baugruppen herstellen, welche polarimetrisch mittels Ferndetektion identifizierbar sind.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann das Identifikationsmittel wenigstens einen spektralen Filter umfassen, mit welchem ein Sendestrahl mit wenigstens einer Wellenlänge herausfilterbar ist. So können Sendestrahlen mit mehreren Wellenlängen unterschiedlichen Identifikationsmitteln zugeordnet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem Verfahren, wie oben beschrieben, vorgeschlagen, umfassend wenigstens eine solche Sende-Empfangsstation und wenigstens ein solches Identifikationsmittel, welches an dem Objekt angeordnet ist.
Vorteilhaft wird so ein rein passives optisches Verfahren vorgeschlagen, welches keine elektrische Versorgung aus dem Satelliten benötigt. Es wird auch keine komplexe Schaltungselektronik benötigt, die anfällig für Ausfälle ist, da die Elektronik auf dem Satelliten zwangsläufig ionisierender Weltraumstrahlung ausgesetzt ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computer-Programm-Produkt zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem System vorgeschlagen, welches wenigstens eine Sende-Empfangsstation mit wenigstens einer Sendequelle von elektromagnetischer Strahlung sowie wenigstens ein an dem Objekt angeordnetes Identifikationsmittel umfasst, wobei die Sendequelle ein Sendesignal mit der elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Objekts sendet. Dabei umfasst das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium, welches Programmbefehle umfasst, die auf einem Computersystem ausführbar sind und das Computersystem dazu veranlassen, ein Verfahren, wie oben beschrieben, auszuführen. Dabei wird von dem wenigstens einen Identifikationsmittel des Objekts ein elektromagnetisches Empfangssignal in Reaktion auf das Sendesignal gerichtet zur Sende-Empfangsstation zurückgestrahlt. Das Sendesignal wird in einer ersten Sendephase mit wenigstens einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand und in einer zweiten Sendephase mit wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand ausgesendet.
Die Intensität des Empfangssignals wird jeweils mit wenigstens einem ersten Empfangssignal-Polarisationszustand und wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Empfangssignal-Polarisationszustand erfasst, wenn das Sendesignal in der ersten Sendephase mit dem wenigstens ersten Sendesignal-Polarisationszustand und in der zweiten Sendephase mit dem wenigstens zweiten Sendesignal-Polarisationszustand ausgesendet wird. Dabei wird ein Ist-Identifikationsmuster des Objekts durch Kombination der erfassten Intensitäten des Empfangssignals gebildet. Das Identifizieren des Objekts erfolgt durch Vergleich des Ist-Identifikationsmusters mit einem Soll-Identifikationsmuster.
Das Computerprogrammprodukt umfasst direkt in den Speicher eines digitalen Computers ladbare Softwarecodeabschnitte, mit denen das Verfahren ausgeführt wird, wenn die Softwarecodeabschnitte von dem Computer ausgeführt werden.
Das Computerprogrammprodukt kann durch ein Computerprogramm gebildet sein oder neben dem Computerprogramm mindestens einen zusätzlichen Bestandteil umfassen. Der mindestens eine zusätzliche Bestandteil kann als Hardware und/oder als Software ausgebildet sein. Ein Beispiel für den mindestens einen zusätzlichen Bestandteil, der als Hardware ausgebildet ist, ist ein Speichermedium, das von dem digitalen Computer lesbar ist und/oder auf dem die Softwarecodeabschnitte gespeichert sind.
Ein Beispiel für den mindestens einen zusätzlichen Bestandteil, der als Software ausgebildet ist, ist ein Cloud-Anwendungs-Programm, welches zum Verteilen der Softwarecodeabschnitte auf verschiedene Verarbeitungseinheiten, insbesondere verschiedene Computer, eines Cloud-Computing-Systems ausgebildet ist, wobei jede der Verarbeitungseinheiten zum Ausführen eines oder mehrerer Softwarecodeabschnitte ausgebildet ist.
Insbesondere kann mit den Softwarecodeabschnitten das Verfahren wie oben beschrieben ausgeführt werden, wenn die Softwarecodeabschnitte von den Verarbeitungseinheiten des Cloud-Computing-Systems ausgeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms vorgeschlagen, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere wie oben beschrieben, auszuführen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine schematische Übersicht eines Systems zum Identifizieren eines Objekts, insbesondere eines Satelliten im Weltraum, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Sende-Empfangsstation des Systems nach 1;
3 eine schematische Darstellung einer Retroreflektor-Baugruppe eines Identifikationsmittels des Systems nach 1;
4 gemessene Intensitäten eines Empfangssignals von zwei verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen für verschiedene Empfangssignal-Polarisationszustände;
5 berechnete Symmetrieparameter für zwölf verschiedene Retroreflektor-Baugruppen bei senkrechtem Einfall des Sendesignals;
6 gemessene Symmetrieparameter für zwölf verschiedene Retroreflektor-Baugruppen bei senkrechtem Einfall des Sendesignals;
7 gemessene Symmetrieparameter einer Retroreflektor-Baugruppe als Funktion eines Einfallswinkels des Sendesignals; und
8 gemessene Symmetrieparameter einer weiteren Retroreflektor-Baugruppe als Funktion eines Rotationswinkels auf die Retroreflektor-Baugruppe.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt eine schematische Übersicht eines Systems 100 zum Identifizieren eines Objekts 10, insbesondere eines Satelliten 10 im Weltraum, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das System 100 umfasst in diesem Beispiel eine auf der Erdoberfläche 200 angeordnete Sende-Empfangsstation 30, von welcher ein Sendesignal 50, beispielsweise ein Laserstrahl, zu einem Satelliten 10 gesendet wird, an welchem zwei Identifikationsmittel 12 angeordnet sind. Von diesen Identifikationsmitteln 12 wird ein Empfangssignal 52 zurückgesendet und von der Sende-Empfangsstation 30 empfangen und ausgewertet. Die Identifikationsmittel 12 sind vorzugsweise passive optische Baugruppen mit Retroreflektoren.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sende-Empfangsstation 30 des Systems 100 nach 1.
Die Sende-Empfangsstation 30 weist eine Sendequelle 32 von elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden eines Sendesignals 50 zu dem Objekt 10 und ein Teleskop 34 zum Empfangen von einem von dem Objekt 10 rückgestrahlten Empfangssignal 52 auf. Die Sendequelle 32, sendet ein linear polarisiertes Sendesignal 50 aus, mit der Bezeichnung Lin gekennzeichnet.
Die Sendequelle 32 kann einen Laser aufweisen, welcher insbesondere zum Aussenden von Laserpulsen mit einer Pulslänge von höchstens 100 Nanosekunden und einer Pulsrepetitionsrate von mindestens 100 Pulsen pro Sekunde ausgebildet ist.
Das die Sendequelle 32 verlassende Sendesignal 50 durchläuft einen Polarisationszustandsgenerator 36, welcher vorgesehen ist, um das Sendesignal 50 in einer ersten Sendephase mit einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand RC und in einer zweiten Sendephase mit einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand LC zu transmittieren.
Der Polarisationszustandsgenerator 36 ist ausgebildet, beispielsweise als ersten Sendesignal-Polarisationszustand RC des Sendesignals 50 rechts zirkular polarisiert und als zweiten Sendesignal-Polarisationszustand LC links zirkular polarisiert einzustellen und dann folgend den Sende-Polarisationszustand RC, LC fortwährend wechselweise zu schalten.
Der Polarisationszustandsgenerator 36 kann dazu eine elektronisch schaltbare Flüssigkristall-Wellenplatte aufweisen, um die Sendesignal-Polarisationszustände RC, LC umzuschalten. Alternativ ist auch möglich, dass der Polarisationszustandsgenerator 36 eine herkömmliche Wellenplatte, beispielsweise aus doppelbrechendem Quarz-Kristall mit verschiedenen Ausrichtungen aufweist, welche beispielsweise mit einem Hochgeschwindigkeits-Filterrad in den Laserstrahl des Sendesignals 50 bewegt wird.
Zum Triggern der Umschaltfunktion des Polarisationszustandes RC, LC des Polarisationszustandsgenerators 36 ist eine Verzögerungseinheit 42 vorgesehen. Die Verzögerungseinheit 42 ist zur Steuerung dieser Funktion mit der Sendequelle 32 verbunden, damit die Umschaltfunktion mit der Aussendung eines Sendesignalpulses synchronisiert abläuft.
Am Ausgang des Teleskops 34 ist ein Polarisationszustandsanalysator 38 vorgesehen, um einen Empfangssignal-Polarisationszustand RC, LC des vom Objekt 10 rückgestrahlten Empfangssignals 52 auszuwählen und an einen Detektor 40 weiterzuleiten. Die Verzögerungseinheit 42 ist ebenfalls mit dem Polarisationszustandsanalysator 38 verbunden, um das Auswählen des Empfangssignal-Polarisationszustandes RC, LC des Empfangssignals 52 mit dem Sendesignal-Polarisationszustand RC, LC des ausgehenden Sendesignals 50 zu synchronisieren. Die Zeitinformation wird über eine Zeitmesseinheit 44 an den auswertenden Computer 46 übertragen.
Der Detektor 40 ist zum Empfangen des Empfangssignals 52 vorgesehen, und kann insbesondere als Einzelphotonen-Detektor ausgebildet sein.
Die Zeitmesseinheit 44 ist mit dem Detektor 40 elektrisch verbunden und zur Erfassung einer Laufzeit t des Sendesignals 50 zwischen Aussenden des Sendesignals 50 und Empfangen des Empfangssignals 52 vorgesehen. Die Laufzeit t eines eingehenden Empfangssignals 52 wird ebenfalls an den Computer 46 übertragen.
Die Sendequelle 32 kann weiter ausgebildet sein, ein Sendesignal 50 mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen auszusenden, um weitere Kombinationsmöglichkeiten zum Identifizieren des Objekts 10 zu haben, welche mit den Identifikationsmitteln 12 des Objekts 10 in geeigneter Weise wechselwirken können. Insbesondere kann dazu die Sendequelle 32 wenigstens zwei Laser 32 mit unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen.
Die Identifikation des Objekts bei wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen kann weiterhin über mehrere Sende-Empfangsstationen 30 erfolgen, deren Sendesignal 50 mit Lasern 32 unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt wird.
Der Computer 46 kann Teil eines Datenverarbeitungssystems zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms sein, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zum Identifizieren des Objekts 10 durchzuführen. Dazu kann ein Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium umfassen, welches Programmbefehle umfasst, die auf dem Computer 46 ausführbar sind und den Computer 46 dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Retroreflektor-Baugruppe 13 eines Identifikationsmittels 12 des Systems 100 nach 1.
Das Identifikationsmittel 12 umfasst eine Retroreflektor-Baugruppe 13, welche ausgebildet ist, einen Empfangssignal-Polarisationszustand RC, LC eines Empfangssignals 52 in Reaktion auf ein empfangenes Sendesignal 50 einzustellen und das Empfangssignal 52 antiparallel zum Sendesignal 50 zurückzusenden.
Die Retroreflektor-Baugruppe 13 umfasst einen Retroreflektor 14, welcher als metallbeschichtetes Tripelprisma ausgebildet ist. Weiter umfasst die Retroreflektor-Baugruppe 13 ein, in einer Einfallsrichtung 24 des Sendesignals 50 zuerst angeordnetes erstes optisches Element 16 in Form einer λ/4-Wellenplatte, sowie ein in der Einfallsrichtung 24 hinter dem ersten optischen Element 16 angeordnetes zweites optisches Element 18, in Form eines Drahtgitter-Polarisators oder einer weiteren λ/4-Wellenplatte. Für die λ/4-Wellenplatten kann vorteilhaft eine Wellenplatte Echt Nullter Ordnung verwendet werden, die eine geringe Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Temperatur und dem Einfallswinkel aufweist.
Die optische Achse 22 des zweiten optischen Elements 18 ist um einen Winkel α gegen die optische Achse 20 des ersten optischen Elements 16 verdreht, wodurch der Empfangssignal-Polarisationszustand RC, LC des Empfangssignals 52 einstellbar ist.
Das Sendesignal 50 fällt unter einem Einfallswinkel Φ und einem Rotationswinkel θ des ersten optischen Elements 16 gegen die Einfallsrichtung 24 der Retroreflektor-Baugruppe 13 ein.
Durch die Auswahl des zentralen optischen Elements 18 sowie des Winkels α des zweiten optischen Elements 18 lassen sich verschiedene Retroreflektor-Baugruppen 13 realisieren, welche durch polarimetrische Analyse des Empfangssignals 52 identifiziert werden können.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Identifikationsmittel wenigstens einen spektralen Filter umfassen, mit welchem ein Sendestrahl 50 mit wenigstens einer Wellenlänge herausgefiltert werden kann. So kann die Retroreflektor-Baugruppe 13 eine Wellenlänge eines Empfangssignals 52 in Reaktion auf ein empfangenes Sendesignal 50 einstellen und das Empfangssignal 52 antiparallel zum Sendesignal 50 zurücksenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Identifizieren des Objekts 10, insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit dem System 100, welches die Sende-Empfangsstation 30 mit der Sendequelle 32 von elektromagnetischer Strahlung sowie wenigstens ein an dem Objekt 10 angeordnetes Identifikationsmittel 12 umfasst, weist die im Folgenden beschriebenen Schritte auf.
Die Sendequelle 32 sendet ein Sendesignal 50 mit der elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Objekts 10. Von dem wenigstens einen Identifikationsmittel 12 des Objekts 10 wird ein elektromagnetisches Empfangssignal 52 in Reaktion auf das Sendesignal 50 gerichtet zur Sende-Empfangsstation 30 zurückgestrahlt.
Das Sendesignal 50 wird in einer ersten Sendephase mit wenigstens einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand RC, LC und in einer zweiten Sendephase mit wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand RC, LC ausgesendet. Dabei wird die Intensität I₁, I₂, I₃, I₄ des Empfangssignals 52 jeweils mit wenigstens einem ersten Empfangssignal-Polarisationszustand RC, LC und wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Empfangssignal-Polarisationszustand RC, LC erfasst, wenn das Sendesignal 50 in der ersten Sendephase mit dem wenigstens ersten Sendesignal-Polarisationszustand RC, LC und in der zweiten Sendephase mit dem wenigstens zweiten Sendesignal-Polarisationszustand RC, LC ausgesendet wird.
Ein Ist-Identifikationsmuster des Objekts 10 wird durch Kombination der erfassten Intensitäten I₁, I₂, I₃, I₄ des Empfangssignals 52 gebildet. Das Identifizieren des Objekts 10 erfolgt dann durch Vergleich des Ist-Identifikationsmusters mit einem Soll-Identifikationsmuster. Zur Bestimmung des Ist-Identifikationsmusters können aus den gemessenen Intensitäten I₁, I₂, I₃, I₄ des Empfangssignals 52 Symmetrieparameter bestimmt werden, wie anhand der 4 bis 8 dargestellt ist.
Die Intensität I₁, I₂, I₃, I₄ des Empfangssignals 52 wird abhängig von einer Laufzeit t zwischen Aussenden des Sendesignals 50 und Empfangen des Empfangssignals 52 und/oder abhängig von einer Wellenlänge des Empfangssignals 52 erfasst. Dadurch können verschiedene Identifikationsmittel 12 an einem Objekt 10 unterschieden werden. Dazu kann das Sendesignal 50 in wenigstens zwei verschiedenen Sendephasen mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgesendet werden.
Die Sendequelle 32 kann vorteilhaft einen Laser aufweisen, welcher insbesondere zur Messung der Laufzeit t sowie zur Realisierung unterschiedlicher Polarisationszustände Laserpulse mit einer Pulslänge von höchstens 100 Nanosekunden und einer Pulsrepetitionsrate von mindestens 100 Pulsen pro Sekunde emittiert.
Dabei kann vorteilhaft der erste Sendesignal-Polarisationszustand RC des Sendesignals 50 rechts zirkular polarisierte Strahlung aufweisen und der zweite Sendesignal-Polarisationszustand LC kann links zirkular polarisierte Strahlung aufweisen.
In 4 sind gemessene Intensitäten I₁, I₂, I₃, I₄ eines Empfangssignals 52 von zwei verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen 13 mit den Bezeichnungen CCR1, CCR2 (CCR = corner cube reflector) für verschiedene Empfangssignal-Polarisationszustände RC, LC dargestellt. Die Intensitäten I₁, I₂, I₃, I₄ ergeben sich aus der Anzahl an detektierten Photonen im Intervall T₁, T₂, T₃, T₄ für jeden Retroreflektor CCR1, CCR2.
Es werden Photonen und deren Laufzeit t bei verschiedenen, periodisch, in den Zeitintervallen T₁ bis T₄, geschalteten Einstellungen an dem Polarisationszustandsgenerator 36 und an dem Polarisationszustandsanalysator 38 detektiert. Die beiden Retroreflektoren CCR1, CCR2 lassen sich aufgrund des unterschiedlichen Abstands zur Sende-Empfangsstation 30 über die Abweichung Δt vom Laufzeit-Mittelwert t unterscheiden. Deshalb kann jedes detektierte Photon (in 4 als x-Symbole in Zeitintervallen T₁ bis T₄ und Abweichungen Δt von der mittleren Laufzeit t) einem der beiden Retroreflektor-Baugruppen CCR1, CCR2 zugeordnet werden. Es werden vier verschiedene Polarisationseinstellungen gemessen, da der Polarisationszustandsanalysator 38 (mit Tx gekennzeichnet) und der Polarisationszustandsanalysator 38 (mit Rx gekennzeichnet) jeweils zwischen der Transmission von rechts-zirkular (RC) und links-zirkular (LC) polarisiertem Licht umgeschaltet werden.
Für jeden Retroreflektor CCR1, CCR2 werden somit 4 Intensitäten I₁, I₂, I₃, I₄ gemessen: $I_{1} = I (Tx = RC, Rx = RC)$
$I_{2} = I (Tx = RC, Rx = LC)$
$I_{3} = I (Tx = LC, Rx = RC)$
$I_{4} = I (Tx = LC, Rx = LC)$
Wie in 4 erkennbar, wurden als erste Intensität I₁ für die Kombination Tx=RC, Rx=RC nur Signale für die zweite Retroreflektor-Baugruppe CCR2 gemessen, während als zweite Intensität I₂ für die Kombination Tx=RC, Rx=LC nur Signale für die erste Retroreflektor-Baugruppe CCR1 gemessen wurden. Als dritte Intensität I₃ für die Kombination Tx=LC, Rx=RC wurden wenige Signale für die erste Retroreflektor-Baugruppe CCR1 gemessen, während als vierte Intensität I₄ für die Kombination Tx=LC, Rx=LC nur Signale für die zweite Retroreflektor-Baugruppe CCR2 gemessen wurden.
Mit den Definitionen I_a = I₁ + I₂ und I_b = I₃ + I₄ lassen sich aus diesen Intensitäten I₁, I₂, I₃, I₄ folgende Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ ableiten: $P_{1} = \frac{I_{a} - I_{b}}{I_{a} + I_{b}}, P_{2} = \frac{I_{1} - I_{2}}{I_{1} + I_{2}}, P_{3} = \frac{I_{3} - I_{4}}{I_{3} + I_{4}},$
die jeweils einen Wertebereich von 1 bis -1 haben.
Die Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ der in 3 beschriebenen Retroreflektor-Baugruppe 13 lassen sich für verschiedene Winkel α und, je nachdem, ob ein Drahtgitter-Polarisator oder eine λ/4 Wellenplatte in der Baugruppe montiert wird, berechnen. Dies kann beispielsweise mittels der Müller-Matrix Arithmetik nach Russell A. Chipman, „Handbook of Optics, Chapter 22: Polarimetry, Optical Society of America, McGraw-Hill, New-York, 1995, vorgenommen werden und wird im Folgenden exemplarisch beschrieben.
Die Müller-Matrix einer Wellenplatte („Linear Retarder“) M_LR(θ , δ) mit einer schnellen Achse („fast axis“) entlang θ und der Phasenverschiebung δ (z.B. 90° für eine λ/4 Wellenplatte) ist gegeben durch: $\begin{array}{l} M_{L R} (θ, δ) \\ = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & {cos}^{2} (2 θ) + {sin}^{2} (2 θ) cos δ & sin (2 θ) cos (2 θ) (1 - cos δ) & - sin (2 θ) sin δ \\ 0 & sin (2 θ) cos (2 θ) (1 - cos δ) & {sin}^{2} (2 θ) + {cos}^{2} (2 θ) cos δ & cos (2 θ) sin δ \\ 0 & - sin (2 θ) sin δ & - cos (2 θ) sin δ & cos δ \end{matrix}] \end{array}$
Die Müller-Matrix eines Polarisators M_P(θ) mit der Polarisationsachse entlang θ ist: $M_{P} (θ) = 0.5 [\begin{matrix} 1 & cos (2 θ) & sin (2 θ) & 0 \\ cos (2 θ) & {cos}^{2} (2 θ) & sin (2 θ) cos (2 θ) & 0 \\ sin (2 θ) & sin (2 θ) cos (2 θ) & {sin}^{2} (2 θ) & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}]$
Für rückseitig metallbeschichtete Retroreflektoren und kleine Einfallswinkel ϕ ist die Müller-Matrix näherungsweise die eines idealen Spiegels: $M_{C C R} = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & - 1 \end{matrix}]$
Die Müllermatrizen der Retroreflektor-Baugruppen M_WP (mit zweiter Wellenplatte) und M_P (mit Polarisator) ergeben sich damit zu: $\begin{array}{l} M_{C C R, W P} (θ, α) = M_{L R} (- θ,90 °) M_{L R} (- (θ + α),90 °) M_{C C R} M_{L R} ((θ \\ + α),90 °) M_{L R} (θ,90 °) \end{array}$
$M_{C C R, P} (θ, α) = M_{L R} (- θ,90 °) M_{P} (- (θ + α)) M_{C C R} M_{P} (θ + α) M_{L R} (θ,90 °)$
Dabei ist berücksichtigt, dass der Polarisator und die direkt am Retroreflektor montierte Wellenplatte um den Winkel α der ersten Wellenplatte verdreht sind. Außerdem entspricht ein Winkel von θ auf dem Weg des Lichtes zum Retroreflektor einem Winkel von -0 auf dem Rückweg, da das optische Bauelement in entgegengesetzter Richtung transmittiert wird.
Für die Intensitäten I₁ und I₂ wird rechts zirkular polarisiertes Licht mit dem Stokes Vektor (1,0,0,1)^τ von der Sende-Empfangsstation ausgesandt, wobei das Symbol τ für die Transponierte des Vektors steht. Für die Intensitäten I₃ und I₄ wird links zirkular polarisiertes Licht mit dem Stokes Vektor (1,0,0, -1)^τ ausgesandt. Nach der Reflektion durch die Retroreflektor-Baugruppe passiert das Licht im Polarisationszustandsanalysator 38 noch eine λ/4 Platte und einen Polarisator. Die gemessenen Intensitäten sind dann jeweils das erste Element n̂₁ des Stokes Vektors für das Gesamtsystem. $I_{1} = M_{P} (0 °) M_{L R} (+ 45 °,90 °) M_{C C R, W P / P} (θ, α) {(1,0,0,1)}^{τ} {\hat{n}}_{1}$
$I_{2} = M_{P} (0 °) M_{L R} (- 45 °,90 °) M_{C C R, W P / P} (θ, α) {(1,0,0,1)}^{τ} {\hat{n}}_{1}$
$I_{3} = M_{P} (0 °) M_{L R} (+ 45 °,90 °) M_{C C R, W P / P} (θ, α) {(1,0,0, - 1)}^{τ} {\hat{n}}_{1}$
$I_{4} = M_{P} (0 °) M_{L R} (- 45 °,90 °) M_{C C R, W P / P} (θ, α) {(1,0,0, - 1)}^{τ} {\hat{n}}_{1}$
Dadurch ergibt sich für die Symmetrieparameter:

Baugruppen mit zweiter Wellenplatte: P₁ = 0, P₂ = - P₃ = cos(4α)
Baugruppen mit Polarisator: P₁ = sin(2α), P₂ = P₃ = - sin(2α).

In der nachfolgenden Tabelle sind berechnete Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ von 12 verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen Nr.1 bis Nr. 12 bei senkrechtem Einfall ϕ = 0° der Laserstrahlung aufgelistet. Die Winkel α wurden dabei so gewählt, dass die Werte der Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ möglichst weit auseinander liegen, um die Baugruppen (auch unter Berücksichtigung von Messfehlern) möglichst leicht unterscheiden zu können.

Baugruppe Nr.	α	Optisches Element vor dem Retroreflektor	P₁	P₂	P₃
1	0°	λ/4-Wellenplatte	0	1	-1
2	12°	λ/4-Wellenplatte	0	0.67	-0.67
3	18°	λ/4-Wellenplatte	0	0.31	-0.31
4	26.5°	λ/4-Wellenplatte	0	-0.28	0.28
5	33°	λ/4-Wellenplatte	0	-0.67	0.67
6	45°	λ/4-Wellenplatte	0	-1	1
7	-45°	Drahtgitter-Polarisator	-1	1	1
8	-20°	Drahtgitter-Polarisator	-0.64	0.64	0.64
9	-10°	Drahtgitter-Polarisator	-0.34	0.34	0.34
10	10°	Drahtgitter-Polarisator	0.34	-0.34	-0.34
11	20°	Drahtgitter-Polarisator	0.64	-0.64	-0.64
12	45°	Drahtgitter-Polarisator	1	-1	-1

In 5 sind die berechneten Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ (mit den Bezugszeichen 60 für den Symmetrieparameter P₁, 62 für den Symmetrieparameter P₂, 64 für den Symmetrieparameter P₃) aus der Tabelle für die zwölf verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen (n = 1 bis 12) bei senkrechtem Einfall ϕ = 0° des Sendesignals 50 gegeneinander aufgetragen. Erkennbar lassen sich die 12 verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen anhand der Werte für die Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ eindeutig identifizieren.
In 6 sind mit einer Testanordnung gemessene Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ (mit den Bezugszeichen 60 für den Symmetrieparameter P₁, 62 für den Symmetrieparameter P₂, 64 für den Symmetrieparameter P₃) für zwölf verschiedene Retroreflektor-Baugruppen mit den in der Tabelle angegebenen Parametern für den Winkel α und das optische Element vor dem Retroreflektor, ebenfalls bei senkrechtem Einfall ϕ = 0° des Sendesignals 50, gegeneinander aufgetragen. Die gemessenen Werte der Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ stimmen mit den berechneten Werten offensichtlich gut überein. Damit ist die Identifizierbarkeit der 12 verschiedenen Retroreflektor-Baugruppen n = 1 bis 12 anhand der Werte für die Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ mit hinreichender Genauigkeit möglich.
Zusätzlich wurde die Winkel-Abhängigkeit der Symmetrieparameter, sowohl in Bezug auf den Einfallswinkel ϕ, als auch auf die Rotation θ für ausgewählte Retroreflektor-Baugruppen vermessen. Dies ist von Bedeutung, da die Ausrichtung des Objekts, insbesondere des Satelliten, bei der Identifikation im Allgemeinen nicht bekannt ist.
In 7 sind gemessene Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ (mit den Bezugszeichen 60 für den Symmetrieparameter P₁, 62 für den Symmetrieparameter P₂, 64 für den Symmetrieparameter P₃) der einzelnen Retroreflektor-Baugruppe n = 6 als Funktion des Einfallswinkels ϕ des Sendesignals 50 aufgetragen. Es ergibt sich ein weitgehend vom Einfallswinkel ϕ unabhängiger Verlauf der Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃.
In 8 sind gemessene Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ der weiteren einzelnen Retroreflektor-Baugruppe n = 1 als Funktion des Rotationswinkels θ auf die Retroreflektor-Baugruppe aufgetragen. Auch hier ergibt sich ein weitgehend vom Rotationswinkel θ unabhängiger Verlauf der Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃.
Die winkelunabhängigen Verläufe der Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ zeigen, dass die Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ robuste Parameter für eine Identifizierung von Objekten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellen.
Mittels der aus den Intensitätsmessungen bestimmten Symmetrieparameter P₁, P₂, P₃ lassen sich demnach Ist-Identifikationsmuster erstellen, welche durch Vergleich mit gespeicherten Soll-Identifikationsmustern, die durch Berechnung vorab bestimmt werden können, eine Identifizierung unbekannter Objekte, insbesondere Satelliten im Weltraum ermöglichen.
Die Anzahl unterscheidbarer Objekte hängt von der Anzahl n unterscheidbarer Retroreflektor-Baugruppen (z.B. n=12 für 12 verschiedene Baugruppen) und der Anzahl k an Baugruppen, die an dem Objekt montiert und über die Laufzeit unterscheidbar sind, ab. Die Anzahl an Kombinationen kann über den Binomialkoeffizienten $(\begin{matrix} n + k - 1 \\ k \end{matrix})$
berechnet werden. Für zwei am Objekt montierte Baugruppen ergeben sich 78 Kombinationen. Werden ein oder zwei Baugruppen montiert, ergeben sich 78+12 = 90 Kombinationen. Für bis zu drei Baugruppen ergeben sich 364+78+12 = 454 Kombinationen. Um die Anzahl an Kombinationen weiter zu erhöhen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf mehrere Wellenlängen erweitert werden. Durch spektrale Filter kann dann die Anzahl an Retroreflektor-Baugruppen erhöht werden. Bei zwei Wellenlängen würden bis zu vier Retroreflektor-Baugruppen ausreichen, um 20474 Satelliten identifizierbar zu machen.
Bezugszeichenliste

10: Objekt
12: Identifikationsmittel
13: Retroreflektor-Baugruppe
14: Retroreflektor
16: Erstes optisches Element
18: Zweites optisches Element
20: Optische Achse
22: Optische Achse
24: Einfallsrichtung
30: Sende-Empfangsstation
32: Sendequelle
34: Teleskop
36: Polarisationszustandsgenerator
38: Polarisationszustandsanalysator
40: Detektor
42: Verzögerungseinheit
44: Zeitmesseinheit
46: Computer
48: Montierung
50: Sendesignal
52: Empfangssignal
60: Symmetrieparameter P₁
62: Symmetrieparameter P₂
64: Symmetrieparameter P₃
100: System
200: Erdoberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013101730 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem System (100), welches wenigstens eine Sende-Empfangsstation (30) mit wenigstens einer Sendequelle (32) von elektromagnetischer Strahlung sowie wenigstens ein an dem Objekt (10) angeordnetes Identifikationsmittel (12) umfasst, wobei die Sendequelle (32) ein Sendesignal (50) mit der elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Objekts (10) sendet, wobei von dem wenigstens einen Identifikationsmittel (12) des Objekts (10) ein elektromagnetisches Empfangssignal (52) in Reaktion auf das Sendesignal (50) gerichtet zur Sende-Empfangsstation (30) zurückgestrahlt wird, wobei das Sendesignal (50) in einer ersten Sendephase mit wenigstens einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in einer zweiten Sendephase mit wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) ausgesendet wird und die Intensität (I₁, I₂, I₃, I₄) des Empfangssignals (52) jeweils mit wenigstens einem ersten Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) und wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) erfasst wird, wenn das Sendesignal (50) in der ersten Sendephase mit dem wenigstens ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in der zweiten Sendephase mit dem wenigstens zweiten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) ausgesendet wird, wobei ein Ist-Identifikationsmuster des Objekts (10) durch Kombination der erfassten Intensitäten (I₁, I₂, I₃, I₄) des Empfangssignals (52) gebildet wird, und wobei das Identifizieren des Objekts (10) durch Vergleich des Ist-Identifikationsmusters mit einem Soll-Identifikationsmuster erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Intensität (I₁, I₂, I₃, I₄) des Empfangssignals (52) abhängig von einer Laufzeit (t) zwischen Aussenden des Sendesignals (50) und Empfangen des Empfangssignals (52) und/oder abhängig von einer Wellenlänge des Empfangssignals (52) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Sendesignal (50) in wenigstens zwei verschiedenen Sendephasen mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgesendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendequelle (32) einen Laser aufweist, insbesondere einen Laser, der Laserpulse mit einer Pulslänge von höchstens 100 Nanosekunden und einer Pulsrepetitionsrate von mindestens 100 Pulsen pro Sekunde emittiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer der Sendesignal-Polarisationszustände (RC, LC) des Sendesignals (50) in einer der Sendephasen rechts zirkulär polarisierte Strahlung aufweist und der andere der Sendesignal-Polarisationszustände (RC, LC) in der anderen der Sendephasen links zirkulär polarisierte Strahlung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung des Ist-Identifikationsmusters aus den gemessenen Intensitäten (I₁, I₂, I₃, I₄) des Empfangssignals (52) Symmetrieparameter bestimmt werden.
Sende-Empfangsstation (30) zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit wenigstens einer Sendequelle (32) von elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden eines Sendesignals (50) zu dem Objekt (10) und mit einem Teleskop (34) zum Empfangen von einem von dem Objekt (10) rückgestrahlten Empfangssignal (52), wobei ein Polarisationszustandsgenerator (36) vorgesehen ist, um das Sendesignal (50) in einer ersten Sendephase mit einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in einer zweiten Sendephase mit einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) zu senden, wobei ein Polarisationszustandsanalysator (38) vorgesehen ist, um einen Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) des vom Objekt (10) rückgestrahlten Empfangssignals (52) auszuwählen.
Sende-Empfangsstation nach Anspruch 7, wobei eine Zeitmesseinheit (44) zur Erfassung einer Laufzeit (t) zwischen Aussenden des Sendesignals (50) und Empfangen des Empfangssignals (52) vorgesehen ist.
Sende-Empfangsstation nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Sendequelle (32) einen Laser aufweist, insbesondere einen Laser, der zum Aussenden von Laserpulsen mit einer Pulslänge von höchstens 100 Nanosekunden und einer Pulsrepetitionsrate von mindestens 100 Pulsen pro Sekunde ausgebildet ist.
Sende-Empfangsstation nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Polarisationszustandsgenerator (36) ausgebildet ist, als einen der Sendesignal-Polarisationszustände (RC) des Sendesignals (50) in einer der Sendephasen rechts zirkulär polarisiert und als den anderen der Sendesignal-Polarisationszustände (LC) in der anderen der Sendephasen links zirkulär polarisiert einzustellen.
Sende-Empfangsstation nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein Detektor (40) zum Empfangen des Empfangssignals (52) vorgesehen ist, insbesondere wobei der Detektor (40) als Einzelphotonen-Detektor ausgebildet ist.
Sende-Empfangsstation nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei zum Triggern des Polarisationszustandsgenerators (36) eine Verzögerungseinheit (42) vorgesehen ist.
Sende-Empfangsstation nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Polarisationszustandsgenerator (36) eine elektronisch schaltbare Flüssigkristall-Wellenplatte aufweist.
Sende-Empfangsstation nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Polarisationszustandsgenerator (36) eine Wellenplatte aufweist, welche in das Sendesignal (50) schwenkbar ist, insbesondere welche mit einem Filterrad in das Sendesignal (50) schwenkbar ist.
Sende-Empfangsstation nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die Sendequelle (32) ausgebildet ist, ein Sendesignal (50) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen auszusenden, insbesondere wobei die Sendequelle (32) wenigstens zwei Laser (32) mit unterschiedlichen Wellenlängen aufweist.
Identifikationsmittel (12) zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere eines Satelliten im Weltraum, wenigstens umfassend wenigstens eine Retroreflektor-Baugruppe (13), welche Retroreflektor-Baugruppe (13) ausgebildet ist, einen Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) und/oder eine Wellenlänge eines Empfangssignals (52) in Reaktion auf ein empfangenes Sendesignal (50) einzustellen und das Empfangssignal (52) antiparallel zum Sendesignal (50) zurückzusenden.
Identifikationsmittel nach Anspruch 16, wobei die Retroreflektor-Baugruppe (13) einen Retroreflektor (14) und ein, in einer Einfallsrichtung (24) des Sendesignals (50) zuerst angeordnetes erstes optisches Element (16), insbesondere eine λ/4-Wellenplatte, sowie ein in der Einfallsrichtung (24) hinter dem ersten optischen Element (16) angeordnetes zweites optisches Element (18), insbesondere einen Drahtgitter-Polarisator oder eine λ/4-Wellenplatte, umfasst, wobei eine optische Achse (22) des zweiten optischen Elements (18) um einen Winkel (α) gegen eine optische Achse (20) des ersten optischen Elements (16) verdreht ist, wodurch der Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) des Empfangssignals (52) einstellbar ist.
Identifikationsmittel nach Anspruch 16 oder 17, weiter umfassend wenigstens einen spektralen Filter, mit welchem ein Sendestrahl (50) mit wenigstens einer Wellenlänge herausfilterbar ist.
System (100) zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend wenigstens eine Sende-Empfangsstation (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 15 und wenigstens ein Identifikationsmittel (12) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, welches an dem Objekt (10) angeordnet ist.
Computer-Programm-Produkt zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere eines Satelliten im Weltraum, mit einem System (100), welches wenigstens eine Sende-Empfangsstation (30) mit wenigstens einer Sendequelle (32) von elektromagnetischer Strahlung sowie wenigstens ein an dem Objekt (10) angeordnetes Identifikationsmittel (12) umfasst, wobei die Sendequelle (32) ein Sendesignal (50) mit der elektromagnetischen Strahlung in Richtung des Objekts (10) sendet, wobei das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium umfasst, welches Programmbefehle umfasst, die auf einem Computersystem ausführbar sind und das Computersystem dazu veranlassen, ein Verfahren auszuführen, insbesondere nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei von dem wenigstens einen Identifikationsmittel (12) des Objekts (10) ein elektromagnetisches Empfangssignal (52) in Reaktion auf das Sendesignal (50) gerichtet zur Sende-Empfangsstation (30) zurückgestrahlt wird, wobei das Sendesignal (50) in einer ersten Sendephase mit wenigstens einem ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in einer zweiten Sendephase mit wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) ausgesendet wird und die Intensität (I₁, I₂, I₃, I₄) des Empfangssignals (52) jeweils mit wenigstens einem ersten Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) und wenigstens einem zweiten, davon verschiedenen Empfangssignal-Polarisationszustand (RC, LC) erfasst wird, wenn das Sendesignal (50) in der ersten Sendephase mit dem wenigstens ersten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) und in der zweiten Sendephase mit dem wenigstens zweiten Sendesignal-Polarisationszustand (RC, LC) ausgesendet wird, wobei ein Ist-Identifikationsmuster des Objekts (10) durch Kombination der erfassten Intensitäten (I₁, I₂, I₃, I₄) des Empfangssignals (52) gebildet wird, und wobei das Identifizieren des Objekts (10) durch Vergleich des Ist-Identifikationsmusters mit einem Soll-Identifikationsmuster erfolgt.
Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zum Identifizieren eines Objekts (10), insbesondere nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, auszuführen.