DE102022120279A1

DE102022120279A1 - Method, device and computer program for the inertial attitude determination of spin-stabilized satellites with a conventional star sensor

Info

Publication number: DE102022120279A1
Application number: DE102022120279.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schmidt
Original assignee: Jena Optronik Ges mbH; Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik Ges mbH; Jena Optronik GmbH
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Verfahren zur Lagebestimmung eines um eine Drehachse (3) drehenden Satelliten (100) zumindest mittels eines entlang einer optischen Achse (4) auf ein erfasstes Lichtobjektfeld ausgerichteten Sternsensors (1), wobei Drehachse (3) und optische Achse (4) in einem festen Winkel zueinander angeordnet sind und ein Lichtsensor (6) mit einer senkrecht zu der optischen Achse (4) angeordneten, ein Sensorkoordinatensystem mit einer zeilenweisen Anordnung von lichtempfindlichen Pixeln enthaltenden Sensorfläche vorgesehen ist. Um eine verbesserte Lageregelung des Satelliten (100) zu erzielen, werden in den einzelnen Zeilen des Lichtsensors (6) erfasste Bilddaten zeilenweise und sequentiell erfasst, die Bilddaten jeweils einer Zeile werden über ein vorgegebenes Zeitintervall mittels eines Boxcar-Operators mit einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln gefaltet, mittels des Boxcar-Operators wird ein Lichtmaximum ermittelt, das Lichtmaximum wird anhand einer Lage der Zeile und innerhalb der Zeile im Sensorkoordinatensystem einer Position eines Lichtobjekts zugeordnet und über ein über das gesamte Sensorkoordinatensystem aus einer Mehrzahl von Lichtobjekten wird eine Objektliste enthaltend Lichtobjektkoordinaten, Lichtmaximum und Messzeitpunkt ermittelt.Method for determining the position of a satellite (100) rotating about an axis of rotation (3), at least by means of a star sensor (1) aligned along an optical axis (4) to a detected light object field, the axis of rotation (3) and optical axis (4) being at a fixed angle are arranged relative to one another and a light sensor (6) with a sensor surface arranged perpendicularly to the optical axis (4) and containing a sensor coordinate system with a line-by-line arrangement of light-sensitive pixels is provided. In order to achieve improved position control of the satellite (100), image data recorded in the individual lines of the light sensor (6) are recorded line by line and sequentially, the image data of each line are processed over a specified time interval using a boxcar operator with a specified number of pixels folded, a light maximum is determined by means of the boxcar operator, the light maximum is assigned to a position of a light object based on a position of the line and within the line in the sensor coordinate system and an object list containing light object coordinates, light maximum is generated from a plurality of light objects over the entire sensor coordinate system and time of measurement determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm zur Lagebestimmung eines um eine Drehachse drehenden Satelliten zumindest mittels eines optischen Sternsensors mit einem zur Drehachse in einem vorgegebenen Winkel fest angeordneten optischen Achse auf ein erfasstes Lichtobjektfeld ausgerichteten Lichtsensor mit einer mit einem Sensorkoordinatensystem versehenen Sensorfläche mit einer zeilenweisen Anordnung von lichtempfindlichen Pixeln.The invention relates to a method, a device and a computer program for determining the position of a satellite rotating about an axis of rotation, at least by means of an optical star sensor with an optical axis fixed at a predetermined angle to the axis of rotation, aligned to a detected light object field with a sensor surface provided with a sensor coordinate system a line-by-line arrangement of light-sensitive pixels.

Die Erfindung baut auf dem Stand der Technik der Jena-Optronik ASTRO-Sternsensor Baureihe auf. Diese Sternsensoren wie ASTRO CL, ASTRO APS und dessen Weiterentwicklung ASTRO APS3 werden im klassischen Applikationsbereich wie beispielsweise LEO-, GEO- und wissenschaftlichen Satelliten eingesetzt. Aus der Druckschrift DE 10 2020 122 748 B3 ist ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zur Lagebestimmung eines Raumflugkörpers im Weltraum mittels eines Sternsensors bekannt.The invention builds on the state of the art of the Jena-Optronik ASTRO star sensor series. These star sensors such as ASTRO CL, ASTRO APS and its further development ASTRO APS3 are used in classic applications such as LEO, GEO and scientific satellites. From the pamphlet DE 10 2020 122 748 B3 discloses a method, a device and a computer program product for determining the position of a spacecraft in space using a star sensor.

Den oben genannten Sternsensoren liegt aufgrund ihrer Arbeitsweise eine natürliche Limitierung bezüglich der Drehratentoleranz zugrunde. Dies begründet sich in der realisierbaren Optiköffnung und damit der verfügbaren Lichtmenge und der entsprechend kleinen Belichtungszeit, um ein möglichst punktförmiges Sternabbild von einzelnen Lichtobjekten zu erhalten. Damit können bei hohen Drehraten nur noch sehr helle Sterne verarbeitet werden, was zu einer erheblichen Einschränkung des von dem Sternsensor erfassten Lichtobjektfeldes wie beispielsweise Sternfeldes führen kann.Due to the way they work, the star trackers mentioned above are based on a natural limitation with regard to the yaw rate tolerance. This is due to the achievable optics opening and thus the available amount of light and the correspondingly short exposure time in order to obtain a star image of individual light objects that is as punctiform as possible. This means that only very bright stars can be processed at high rates of rotation, which can lead to a significant limitation of the light object field, such as a star field, detected by the star sensor.

Die Spin-Stabilisierung von um eine Drehachse bevorzugt um deren Längsachse drehenden Satelliten ist eine einfache und ressourcenschonende Methode der Lagestabilisierung eines Satelliten. Bei Bedarf einer dauernden Erdausrichtung ist diese Methode nicht in vorteilhafter Weise bei Erdbeobachtungsmissionen (LEO, MEO, GEO) einsetzbar, jedoch beispielsweise bei Tiefraummissionen, wie zum Beispiel einem Flug zum Mars. Auf dem Flug zum Mars werden die Raumflugkörper beispielsweise bei zwei bis vier Umdrehungen pro Sekunde stabilisiert. Dies entspricht einem Drehratenbereich von ca. 12 bis 24 deg/sec.The spin stabilization of satellites rotating around a rotation axis, preferably around its longitudinal axis, is a simple and resource-saving method of stabilizing a satellite. If permanent earth alignment is required, this method is not advantageously usable in earth observation missions (LEO, MEO, GEO), but can be used, for example, in deep space missions such as a flight to Mars. On the flight to Mars, for example, the spacecraft are stabilized at two to four revolutions per second. This corresponds to a rotation rate range of approx. 12 to 24 deg/sec.

Die zu lösende Aufgabe besteht darin, mit konventionellen Sternsensoren die inertiale Lagebestimmung bei spin-stabilisierten Satelliten zu verbessern.The task to be solved is to use conventional star sensors to improve the inertial orientation of spin-stabilized satellites.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Gegenstände der Ansprüche 1, 8, 9 gelöst. Die von den Gegenständen der Ansprüche 1, 8, 9 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände der Ansprüche 1, 8, 9 wieder.The object is solved by the features of the subject matter of claims 1, 8, 9. The claims dependent on the subject-matters of claims 1, 8, 9 present advantageous embodiments of the subject-matters of claims 1, 8, 9.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit Merkmalen der nachfolgenden Beschreibung zur Lagebestimmung eines um eine Drehachse drehenden Satelliten zumindest mittels eines optischen Sternsensors gelöst. Hierzu ist zumindest ein optischer Sternsensor bezüglich seiner optischen Achse gegenüber der Drehachse in einem vorgegebenen Winkel, bevorzugt einem rechten Winkel fest an dem Satelliten, beispielsweise einer gemeinsamen Träger- oder Rahmenstruktur befestigt. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Lage des Satelliten und dessen Lageregelung können bei tolerierbarer Masse weitere Sternsensoren und/oder andere, nicht optische, die Lage des Satelliten erfassende Sensoren, beispielsweise Gyrosensoren und/oder dergleichen vorgesehen sein und entsprechend ausgewertet werden.The object is achieved by a method with features of the following description for determining the position of a satellite rotating about an axis of rotation, at least by means of an optical star sensor. For this purpose, at least one optical star sensor is firmly attached to the satellite, for example a common carrier or frame structure, with respect to its optical axis relative to the axis of rotation at a predetermined angle, preferably a right angle. To increase the accuracy of measuring the position of the satellite and its position control, additional star sensors and/or other non-optical sensors that detect the position of the satellite, for example gyro sensors and/or the like, can be provided and evaluated accordingly if the mass is tolerable.

Der Sternsensor erfasst ein Lichtobjektfeld aus im Weltraum im Wesentlichen konstanten Lichtobjekten, bevorzugt ein Sternfeld mit Sternen. Hierzu enthält der Sensor einen bevorzugt planen Lichtsensor, der senkrecht zur optischen Achse angeordnet ist und auf der optischen Achse aufbauend eine Mehrzahl auf das Lichtobjektfeld gerichtete, entlang der optischen Achse ausgerichtete optische Elemente, beispielsweise optische Linsen, Blenden, Filter wie beispielsweise ein Streulichtfilter und/oder dergleichen angeordnet sind, so dass eine feste oder variable Brennweite mit einer vorgegebenen beziehungsweise vorgebbaren optischen Öffnung einstellbar ist. Der Lichtsensor bildet dabei ein Sensorkoordinatensystem mit erfassten, einzelnen Lichtobjekten wie beispielsweise Sternen ab, die mittels entsprechender mathematischer Berechnung und Zuordnung zu einem in dem Sternsensor oder in einer zentralen Steuerung des Satelliten hinterlegten Sternkatalogs die aktuelle Lage des Satelliten ergeben, wobei jeder Aufnahme des Lichtsensors in Echtzeit laufend eine entsprechende Zeitmarke zugeordnet wird, so dass über den Drehwinkel um die Drehachse echtzeitgenau die Lage des Satelliten um seine Drehachse sowie dessen weiteren Raumachsen ermittelt werden kann.The star sensor detects a light object field of light objects that are essentially constant in space, preferably a star field with stars. For this purpose, the sensor contains a preferably planar light sensor, which is arranged perpendicularly to the optical axis and, based on the optical axis, has a plurality of optical elements directed towards the light object field and aligned along the optical axis, for example optical lenses, diaphragms, filters such as a scattered light filter and/or or the like are arranged so that a fixed or variable focal length can be set with a predetermined or specifiable optical opening. The light sensor forms a sensor coordinate system with detected, individual light objects such as stars, which result in the current position of the satellite by means of appropriate mathematical calculation and assignment to a star catalog stored in the star sensor or in a central controller of the satellite, with each recording of the light sensor in A corresponding time mark is continuously assigned in real time, so that the position of the satellite about its axis of rotation and its other spatial axes can be determined with real-time accuracy via the angle of rotation about the axis of rotation.

Zur Verbesserung der Auflösung wird die Sensorfläche des Lichtsensors in einzelnen Zeilen, beispielsweise eine Reihung jeweils eines Pixels in einer Zeile aufgeteilt. Diese Zeilen werden sequentiell, das heißt Zeile für Zeile erfasst und ausgewertet. Die Auswertung der linear erfassten Pixel einer Zeile erfolgt in der Weise, dass jeder Zeile das erfasste Zeitintervall zugeordnet wird und in Echtzeit eine Faltung in einem Boxcar-Operator erfolgt. Der Boxcar-Operator bearbeitet die verrauschten und gegebenenfalls aufgrund der Drehung des Satelliten auf mehrere Pixel einer Zeile verschmierten Signale. Hierzu summiert der Boxcar-Operator entlang eines ausgeschnittenen Intervalls (Box) von Pixeln die Pixelwerte der einzelnen Pixel und bildet beispielsweise in einer Dreiecksfunktion ein Lichtmaximum und ordnet dieses einer Position in dem Lichtsensor zu. Hierzu wird beispielsweise das Lichtmaximum anhand einer Lage der Zeile und innerhalb der Zeile im Sensorkoordinatensystem einer Position eines Lichtobjekts zugeordnet.To improve the resolution, the sensor surface of the light sensor is divided into individual lines, for example a row of one pixel in each line. These lines are recorded and evaluated sequentially, i.e. line by line. The linearly recorded pixels of a line are evaluated in such a way that each line is assigned the recorded time interval and a convolution in a boxcar operator takes place in real time. The boxcar operator processes the noisy signals, which may be smeared across several pixels in a line due to the rotation of the satellite. For this purpose, the boxcar operator sums the pixel values of the individual pixels along a cut-out interval (box) of pixels and forms a light maximum in a triangular function, for example, and assigns this to a position in the light sensor. For this purpose, for example, the light maximum is assigned to a position of a light object based on a position of the line and within the line in the sensor coordinate system.

Auf diese Weise wird für jede Zeile geprüft, ob sich ein Lichtmaximum und damit ein Lichtobjekt ergibt. Über das gesamte Sensorkoordinatensystem wird daraus ein Bild mit einer aus einer Mehrzahl von Lichtobjekten gebildeten Objektliste enthaltend Lichtobjektkoordinaten, Lichtmaximum und Messzeitpunkt ermittelt.In this way, it is checked for each line whether there is a light maximum and thus a light object. From this, an image with an object list formed from a plurality of light objects containing light object coordinates, light maximum and measurement time is determined over the entire sensor coordinate system.

Diese Objektliste kann mit einem hinterlegten Sternkatalog verglichen und daraus die Lage des Satelliten zum aktuellen Zeitpunkt ermittelt werden. Alternativ kann die Lage des Satelliten ermittelt werden indem aus der Objektliste eine Sternidentifikation und eine Lageberechnung der Lichtobjekte mittels eines sterngruppen-kodierten Sternkatalogs erfolgt, wie dies beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2020 122 748 B3 vorgeschlagen wird.This object list can be compared with a stored star catalog and the position of the satellite at the current point in time can be determined from this. Alternatively, the position of the satellite can be determined by identifying a star from the object list and calculating the position of the light objects using a star catalog coded as a group of stars, as is the case, for example, in the publication DE 10 2020 122 748 B3 is suggested.

Eine Auswertung der lichtempfindlichen Pixel kann anhand der Binning-Technik erfolgen, wobei zumindest zwei Zeilen, bevorzugt zwei, drei oder vier Zeilen zur Erfassung desselben Lichtmaximums (2x2, 3x3, oder 4x4 Binning) ausgewertet werden. Die Realisierung der Binning Technik kann bereits hardwareseitig auf dem Lichtsensor und/oder nachgeordnet in einer Software zur Auswertung der Zeilen erfolgen.The light-sensitive pixels can be evaluated using the binning technique, with at least two lines, preferably two, three or four lines being evaluated for detecting the same light maximum (2×2, 3×3, or 4×4 binning). The implementation of the binning technique can already take place on the hardware side of the light sensor and/or downstream in software for evaluating the lines.

Das von dem Sternsensor erfassbare physische Lichtobjektfeld kann bei bekannter Drehrate des Satelliten um die Drehachse virtuell erweitert werden. Hierzu wird eine Position eines oder mehrerer aus dem Lichtobjektfeld ausgedrehter Lichtobjekte anhand der Drehrate des Satelliten berechnet wie beispielsweise durch eine Extrapolation einer zuletzt bekannten Position und der aktuellen Drehrate des Satelliten. Auf diese Weise kann beispielsweise die Lage des Satelliten bei einem Bild mit einer begrenzten Anzahl von Lichtobjekten mit höherer Signifikanz anhand des Sternkatalogs zugeordnet werden.The physical light object field that can be detected by the star sensor can be expanded virtually when the rotation rate of the satellite about the axis of rotation is known. For this purpose, a position of one or more light objects rotated out of the light object field is calculated using the rate of rotation of the satellite, for example by extrapolating a last known position and the current rate of rotation of the satellite. In this way, for example, the position of the satellite in an image with a limited number of light objects can be assigned with greater significance using the star catalogue.

Insbesondere bei einer Ausrichtung der linear verzogenen Lichtpunkte von nebeneinander liegenden Pixeln über mehrere Zeilen, die beispielsweise infolge einer Verdrehung des Satelliten außerhalb der Drehachse und bei nicht orthogonaler Anordnung der Drehachse und der optischen Achse auftreten kann, kann vorgesehen sein, dass vor Anwendung des Boxcar-Operators mittels digitaler Bildverarbeitung eine lineare Anordnung der Lichtsignale eines Lichtobjekts entlang einer linearen Arbeitsrichtung des Boxcar-Operators erfolgt.In particular, when the linearly distorted points of light of adjacent pixels are aligned over several lines, which can occur, for example, as a result of the satellite rotating outside the axis of rotation and with a non-orthogonal arrangement of the axis of rotation and the optical axis, it can be provided that before the boxcar Operators using digital image processing, a linear arrangement of the light signals of a light object along a linear working direction of the boxcar operator.

Das Verfahren kann als zu- und abschaltbare Routine zu einer konventionellen Lageerfassung des Satelliten mittels eines Sternsensors vorgesehen werden. Beispielsweise kann der Sternsensor ohne das vorgeschlagene Verfahren und in einer 3-Achsen Lagestabilisierung betrieben werden, wenn der Satellit eine Umlaufbahn eines Massekörpers wie beispielsweise eines Planeten, insbesondere des Mars erreicht.The method can be provided as a routine that can be switched on and off for conventional position detection of the satellite using a star sensor. For example, the star sensor can be operated without the proposed method and in a 3-axis position stabilization when the satellite reaches an orbit of a mass body such as a planet, in particular Mars.

Das Computerprogramm kann auf einer Vorrichtung mit zumindest einem Sternsensor installierbar und/oder ausführbar sein. Das Computerprogramm kann als Computerprogrammprodukt vorliegen. Das Computerprogramm kann auf einem Datenspeicher oder Datenträger als installierbare und/oder ausführbare Programmdatei vorliegen. Das Computerprogramm kann dazu dienen, in einen Arbeitsspeicher einer Vorrichtung mit zumindest einem Sternsensor geladen zu werden.The computer program can be installed and/or executable on a device with at least one star sensor. The computer program can exist as a computer program product. The computer program can be present on a data memory or data medium as an installable and/or executable program file. The computer program can be used to be loaded into a working memory of a device with at least one star sensor.

Mit anderen Worten ist beispielsweise anhand einer vorteilhaft ausgeführten Ausführungsform Kern der Erfindung die vorteilhafte Ausnutzung des zeilenweisen Auslesens und des zeilenweisen Prozessierens der Bildinformation von Matrix-Bildsensoren, beispielsweise eines Lichtsensors mit 1024x1024 Pixeln wie beispielsweise CMOS APS, CCD und/oder dergleichen. Im Gegensatz zu konventionellen Belichtungszeiten von Sternsensoren wird die Belichtungszeit beispielsweise bei einer Auslesefrequenz von ca. 4 Hz auf 40 bis 50 ms verlängert, so dass entlang der Zeilen des Lichtsensors die Lichtintensität eines Lichtobjekts in einer Spur über mehrere Pixel linear verteilt wird. Beispielsweise kann ein durch die Optik des Sternsensors vorgegebenes Gesichtsfeld wie Lichtobjektfeld 20 deg betragen, so dass sich bei einer Gesamtbelichtungszeit von 40 bis 50 ms eine Belichtungszeit (pixel dwell time) von ca. 1,6 ms beziehungsweise 0,02 deg pro Pixel ergibt. Bei dieser Belichtungszeit ergibt sich für ein Lichtobjekt eine Verteilung des Lichts über ca. 30 Pixel einer Zeile, so dass die Verarbeitung des Boxcar-Operators auf 30 Pixel begrenzt werden kann. Bei einer Helligkeit eines Lichtobjekts von beispielsweise 4,5 mag werden pro Pixel beispielsweise 7 Zähler an dem AD-Converters (ADC Counts) erzeugt.In other words, based on an advantageously implemented embodiment, the core of the invention is the advantageous utilization of line-by-line reading and line-by-line processing of the image information from matrix image sensors, for example a light sensor with 1024x1024 pixels such as CMOS APS, CCD and/or the like. In contrast to conventional exposure times of star sensors, the exposure time is extended to 40 to 50 ms at a readout frequency of approx. 4 Hz, for example, so that the light intensity of a light object is linearly distributed over several pixels in a track along the lines of the light sensor. For example, a field of view specified by the optics of the star sensor, such as the light object field, can be 20 deg, so that with a total exposure time of 40 to 50 ms, there is an exposure time (pixel dwell time) of approx. 1.6 ms or 0.02 deg per pixel. With this exposure time, a light object is distributed over approx. 30 pixels in a line, so that the processing of the boxcar operator can be limited to 30 pixels. With a brightness of a light object of, for example, 4.5 mag, for example 7 counters are generated at the AD converter (ADC counts) per pixel.

In bevorzugter Weise und ohne Abweichungen der Spur eines Lichtobjekts aus einer Zeile zu riskieren wird der Sternsensor entsprechend zur Drehachse wie Spin-Achse des Satelliten orthogonal ausgerichtet. Die Zeilen des Lichtsensors im Sternsensor stehen dabei ebenfalls orthogonal zur Drehachse.In a preferred manner and without risking deviations in the track of a light object from a line, the star sensor is aligned orthogonally to the axis of rotation and the spin axis of the satellite. The lines of the light sensor in the star sensor are also orthogonal to the axis of rotation.

Das entlang einer Zeile linear verteilte Licht eines Lichtobjekts wird mit einem angepassten Boxcar-Operator in Echtzeit des Pixeldatenstroms im mathematischen Sinne gefaltet. Der Boxcar-Operator entspricht im Wesentlichen der Länge der Spur eines Lichtobjekts in Pixeleinheiten. Diese Länge ist durch die bekannte Drehrate und die angewandte Belichtungszeit bekannt. Die Auswertung der Faltungsoperation im Boxcar-Operator ergibt beispielsweise eine Dreiecksfunktion mit über die Zeile ansteigender und absteigender Lichtintensität und einem Lichtmaximum, welches den Schwerpunkt des Lichtobjekts repräsentiert.The light of a light object distributed linearly along a line is convoluted in the mathematical sense with an adapted boxcar operator in real time of the pixel data stream. The boxcar operator is essentially the length, in pixel units, of a light object's trail. This length is known from the known rotation rate and the exposure time used. The evaluation of the convolution operation in the boxcar operator yields, for example, a triangular function with light intensity that increases and decreases across the line and a light maximum that represents the center of gravity of the light object.

Das Ergebnis, nämlich Schwerpunkt, Maxsignal und Systemzeitpunkt, wird in einer Recheneinheit des Sternsensors gespeichert und über alle weiteren auf diese Weise prozessierten Lichtobjekte zur Lageberechnung verwendet. Die Lageberechnung erfolgt über eine Sternidentifikation und die Quaternion-Methode beispielsweise entsprechend der Druckschrift 10 2020 122 748 B3. Beispielsweise wird eine systemangepasste Sterngruppenkatalogkodierung eingesetzt.The result, namely center of gravity, maximum signal and system time, is stored in a computing unit of the star sensor and used for all other light objects processed in this way to calculate the position. The position is calculated using star identification and the quaternion method, for example in accordance with publication 10 2020 122 748 B3. For example, a native asterisk catalog encoding is used.

Zur Unterdrückung von störenden Strahlungsereignissen kann beispielsweise ein Sternsensor entsprechend einem „Stellar Gyro“, das ein optisches Sensorsystem für Ausrichtung und Drehraten von Raumflugkörpern darstellt, angewendet werden. Das als „Stellar Gyro“ bezeichnete optische Sensorsystem weist beispielsweise folgende Eigenschaften auf: Es sind eine oder mehrere Bildverarbeitungseinheiten (Electronic Unit mit Prozessor) und mehrere auf unterschiedlichen optischen Achsen angeordnete Sternsensoren mit unterschiedlicher Ausrichtung auf dem Satelliten mit einem Ausrichtungswinkel der optischen Achsen zueinander beispielsweise >60 deg, bevorzugt mit orthogonaler Anordnung vorgesehen. Dadurch wird das Blendungsproblem einzelner Sternsensoren und die geringere Genauigkeit entlang der jeweiligen optischen Achse (Line of Sight) verringert. Weiterhin kann ein Datenverarbeitungsprogramm zum Erkennen und Herausrechnen von Störungen in den Bilddaten der Sternsensoren (wie z.B. verursacht durch Solar Flares), welches auf einem oder mehreren Prozessoren läuft, eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Datenverarbeitungsprogramm zur Quasi-Echtzeit- Berechnung der Lage (Ausrichtung) und Drehraten der Sternsensoren aus den vorverarbeiteten Bilddaten, welches ebenfalls auf einer oder mehreren Bildverarbeitungseinheiten nachgeschaltet zum vorgenannten Datenverarbeitungsprogramm läuft, vorgesehen sein. Auf Drehratensensoren kann bei dieser Lösung verzichtet werden. Die Kombination dieser Merkmale führt zu einem optischen Sensorsystem mit sehr hoher Verfügbarkeit auch im Falle von Blendungen eines oder einer Teilmenge der vorhandenen beispielsweise fünf Sternsensoren und auch bei hohen Drehraten, bei denen die Sternobjekte zumindest in einigen Bildabschnitten strichförmig verschmieren. Dabei sind unterschiedlich komplexe Systemarchitekturen wählbar, die je nach Orbit und Dynamikanforderungen sowie Redundanzanforderungen zur Erreichung von Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsvorgaben eingesetzt werden.For example, a star sensor corresponding to a "stellar gyro", which represents an optical sensor system for the alignment and rotation rates of spacecraft, can be used to suppress disruptive radiation events. The optical sensor system referred to as "Stellar Gyro" has the following properties, for example: There are one or more image processing units (electronic unit with processor) and several star sensors arranged on different optical axes with different alignments on the satellite with an alignment angle of the optical axes to one another, for example > 60 deg, preferably provided with an orthogonal arrangement. This reduces the glare problem of individual star sensors and the lower accuracy along the respective optical axis (line of sight). Furthermore, a data processing program for recognizing and eliminating disturbances in the image data of the star sensors (e.g. caused by solar flares), which runs on one or more processors, can be used. Alternatively or additionally, a data processing program for quasi-real-time calculation of the position (orientation) and rotation rates of the star sensors from the preprocessed image data can be provided, which also runs on one or more image processing units downstream of the aforementioned data processing program. With this solution, yaw rate sensors can be dispensed with. The combination of these features leads to an optical sensor system with very high availability even in the event of glare on one or a subset of the existing five star sensors, for example, and also at high rotation rates at which the star objects smear in lines at least in some image sections. Differently complex system architectures can be selected, which are used depending on the orbit and dynamic requirements as well as redundancy requirements to achieve reliability and availability specifications.

Die Aufgabe wird zudem von einer Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens gelöst. Hierzu ist zumindest ein auf einem Satelliten in einem bezüglich seiner optischen Achse vorgegebenen Winkel zu dessen Drehachse fest angeordneter Sternsensor mit einem Lichtsensor wie beispielsweise einem Matrixsensor mit einem in Zeilen untereinander angeordneten lichtsensitiven Lichtpunkten wie Pixeln vorgesehen. Dem Lichtsensor ist in Richtung eines Lichtobjektfelds wie Sternfeld eine Optik zur Einstellung einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennweite vorgeschaltet. Der Sternsensor enthält eine Auswerteeinheit, die Lichtsignale der Pixel als Bilddaten erfasst und auswertet. In einer Speichereinheit der Auswerteeinheit ist ein Computerprogramm mit zumindest einer Softwareroutine zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens abgespeichert, das stetig oder bei Bedarf aufgerufen und abgearbeitet wird. Insoweit dient das Computerprogramm an sich der Lösung der gestellten Aufgabe.The object is also achieved by a device for carrying out the proposed method. For this purpose, at least one star sensor fixed on a satellite at a predetermined angle to its axis of rotation with respect to its optical axis is provided with a light sensor such as a matrix sensor with light-sensitive light points such as pixels arranged in rows one below the other. In the direction of a light object field such as a star field, the light sensor is preceded by optics for setting a predetermined or predeterminable focal length. The star sensor contains an evaluation unit that records and evaluates light signals from the pixels as image data. A computer program with at least one software routine for carrying out the proposed method is stored in a memory unit of the evaluation unit, which is called up and processed continuously or as required. In this respect, the computer program itself serves to solve the task at hand.

Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 einen Satelliten mit einem Sternsensor in schematischer Darstellung,
2 die Sensoroberfläche eines Lichtsensors des Sternsensors der 1 in schematischer Darstellung,
3 ein Diagramm mit der schematischen Darstellung von Lichtsignalen des Lichtsensors der 1 mittels eines Boxcar-Operators,
4 ein Blockschaltbild eines Sternsensors und
5 ein Ablaufdiagramm zur Lageberechnung des Satelliten der 1 mittels des Sternsensors der 1.

The invention is based on the 1 until 5 illustrated embodiments explained in more detail. Here show:

1 a satellite with a star sensor in a schematic representation,
2 the sensor surface of a light sensor of the star sensor of 1 in schematic representation,
3 a diagram with the schematic representation of light signals of the light sensor 1 by means of a boxcar operator,
4 a block diagram of a star tracker and
5 a flowchart for calculating the position of the satellite 1 using the star tracker 1 .

Die 1 zeigt den Satelliten 100 mit seiner Außenstruktur 2. Der Satellit 100 ist um die Drehachse 3 spin-stabilisiert und dreht um die Drehachse 3 mit einer vorgegebenen Drehrate. Auf dem Satelliten 100 ist der Sternsensor 1 mit seiner optischen Achse 4 orthogonal befestigt und erfasst Bilddaten eines durch dessen Optik vorgegebenen Lichtobjektivfelds wie Sternfelds. Der Lichtsensor 6 weist eine zeilenförmige Anordnung von Pixeln auf, wobei die Zeilen jeweils in x-Richtung des Lichtsensors 6 und damit tangential entlang der Drehachse 3 ausgerichtet sind. Die Zeilen sind in y-Richtung angeordnet.The 1 shows the satellite 100 with its outer structure 2. The satellite 100 is spin-stabilized about the axis of rotation 3 and rotates about the axis of rotation 3 at a predetermined rotation rate. The star sensor 1 is fastened orthogonally on the satellite 100 with its optical axis 4 and acquires image data of a light objective field, such as a star field, predetermined by its optics. The light sensor 6 has a linear arrangement of pixels, the lines each in the x-direction of the light sensor 6 and are thus aligned tangentially along the axis of rotation 3 . The rows are arranged in the y-direction.

Die 2 zeigt den Lichtsensor 6 in schematischer Ansicht mit einer Vielzahl von in x-Richtung angeordneten Zeilen 11, in denen jeweils eine Vielzahl von lichtsensitiven Pixeln angeordnet ist. Die Zeilen 11 sind parallel in y-Richtung angeordnet. Aufgrund des Verhältnisses zwischen Drehrate des Satelliten 100 und der Belichtungszeit des Lichtsensors 6 verwischen die Lichtintensitäten eines Lichtobjekts wie beispielsweise eines Sterns zu den Spuren 7, wobei die exakte Position des Lichtobjekts durch das Lichtmaximum 17 festgelegt ist.The 2 shows the light sensor 6 in a schematic view with a large number of rows 11 arranged in the x-direction, in each of which a large number of light-sensitive pixels are arranged. The rows 11 are arranged in parallel in the y-direction. Due to the relationship between the rate of rotation of the satellite 100 and the exposure time of the light sensor 6, the light intensities of a light object such as a star blur to the tracks 7, the exact position of the light object being defined by the light maximum 17.

Die 3 zeigt unter Bezug auf die 2 das Diagramm 200 mit der Auswertung eines Lichtsignals 8 einer Zeile 11 der 2 als Zeile n. Von der hier gezeigten Zeile n werden über die Zeitpunkte t₀, t_n, t₂ die Bilddaten 13, 14, 15 gefaltet und der Boxcar-Operator 10 angewendet. Der Boxcar-Operator 10 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Breite von 30 Pixeln auf, was dem Verhältnis der Drehrate des Satelliten 100 (1) zu der Belichtungszeit des Lichtsensors 6 (1) entspricht. Die Behandlung der jeweils gefalteten Zeilen 11 des Lichtsensors 6 erfolgt in dem Prozessor 16 das Lichtmaximum der Spuren 7, die der exakten Position des in dieser Zeile erfassten Lichtobjekts zu der ebenfalls erfassten Zeit entsprechen. Auf diese Weise wird über alle Zeilen 11 eine Objektliste mit Zuordnung der Belichtungszeit, des Lichtmaximums und der zugehörigen Position erstellt, die der Lageregelung des Satelliten zugeführt werden kann. Die Behandlung der Bilddaten 13, 14, 15 mittels des Boxcar-Operators führt zu einer signifikanten Verringerung des Rauschens.The 3 shows with reference to the 2 the diagram 200 with the evaluation of a light signal 8 of a line 11 of 2 as line n. From the line n shown here, the image data 13, 14, 15 are convolved over the times t ₀ , t _n , t ₂ and the boxcar operator 10 is applied. In the exemplary embodiment shown, the boxcar operator 10 has a width of 30 pixels, which corresponds to the ratio of the rate of rotation of the satellite 100 ( 1 ) to the exposure time of the light sensor 6 ( 1 ) is equivalent to. The processing of each folded row 11 of the light sensor 6 takes place in the processor 16 the light maximum of the tracks 7, which correspond to the exact position of the light object detected in this row at the time also detected. In this way, an object list is created across all lines 11 with assignment of the exposure time, the light maximum and the associated position, which can be fed to the position control of the satellite. The treatment of the image data 13, 14, 15 using the boxcar operator leads to a significant reduction in noise.

Die 4 zeigt das Blockschaltbild 300 des Sternsensors 1. Die Lichteinstrahlung 24 beispielsweise von Sternlicht wird über die Optik 21 auf den Detektor 22 mit dem Lichtsensor 6 (1) eingestrahlt. Der Prozessor 16 erfasst die eingestrahlten Bilddaten und steuert den Detektor 22. In der im Prozessor implementierten Recheneinheit 23 wie Auswerteeinheit sind die Routinen zur Berechnung und Auswertung, unter anderem das Computerprogramm zur Durchführung des Boxcar-Operators, gespeichert. Die von dem Prozessor ermittelte Lage des Satelliten wird der Lageregelung des Satelliten 100 (1) zugeführt.The 4 shows the block diagram 300 of the star sensor 1. The incident light 24, for example from starlight, is transmitted via the optics 21 to the detector 22 with the light sensor 6 ( 1 ) irradiated. The processor 16 captures the irradiated image data and controls the detector 22. The routines for calculation and evaluation, including the computer program for carrying out the boxcar operator, are stored in the processing unit 23 implemented in the processor, such as the evaluation unit. The attitude of the satellite determined by the processor is used in the attitude control of the satellite 100 ( 1 ) supplied.

Die 5 zeigt das Ablaufdiagramm 400 zur Ermittlung der Lage des Satelliten 100 der 1. Die Datenerfassung 9 des Sternsensors 1 (4) erfasst sequentiell die einzelnen Zeilen #N, #N-1, #1, #0 des Lichtsensors 6 (1) und führt diese der Echtzeit-Bildbearbeitung 12 zu. In dieser werden die Zeilen jeweils in einer Faltung über die Zeit dem Boxcar-Operator 10 zugeführt. Die Auswertung der der erfassten Zeilen erfolgt in dem Boxcar-Operator beispielsweise entsprechend einer Funktion f(c.o, ti), Dabei ergibt sich die Breite des Boxcar-Operators 10 beispielsweise in Form von 30 Pixeln aus der Drehrate ω des Satelliten um die Drehachse d und die Integrationszeit ti des Lichtsensors. Die Funktionalität des Boxcar-Operators 10 kann sowohl in Hardware als auch in Software umgesetzt werden. In der Hardware des Lichtsensors kann dieser infolge der zeilenweisen Bearbeitung der Lichtsignale vorteilhaft umgesetzt werden. In einer Umsetzung des Boxcar-Operators 10 in einer entsprechenden Software erfolgt dies abhängig von einer möglichen Datendurchsatzes des Prozessors.The 5 shows the flowchart 400 for determining the position of the satellite 100 of FIG 1 . The data acquisition 9 of the star tracker 1 ( 4 ) sequentially detects the individual lines #N, #N-1, #1, #0 of the light sensor 6 ( 1 ) and feeds them to real-time image processing 12. In this, the lines are each fed to the boxcar operator 10 in a convolution over time. The evaluation of the detected lines takes place in the boxcar operator, for example, according to a function f(co, ti). The width of the boxcar operator 10 results, for example, in the form of 30 pixels from the yaw rate ω of the satellite about the axis of rotation d and the integration time ti of the light sensor. The functionality of the boxcar operator 10 can be implemented both in hardware and in software. This can be advantageously implemented in the hardware of the light sensor as a result of the line-by-line processing of the light signals. In an implementation of the boxcar operator 10 in appropriate software, this takes place depending on a possible data throughput of the processor.

In dem Boxcar-Operator 10 wird das zeitabhängige Lichtmaximum jeweils einer Zeile gebildet und in die Sammeleinrichtung 18 übertragen. Dort wird aus der Information des Zeitpunkts, der Signalintensität und der Position des berechneten Lichtmaximums jeder einzelnen Zeile eine Objektliste aller erfasster Lichtobjekte erstellt. In der Sternidentifikation 19 werden beispielsweise mittels eines Sternkatalogs einzelne Sterne oder angepasste Sterngruppen identifiziert und der Lageberechnung 20 zugeführt. in der Lageberechnung 20 erfolgt aus den identifizierten Sternen oder Sterngruppen die Lageberechnung beispielsweise anhand der Quaternion-Methode und der Drehrate des Satelliten.The time-dependent light maximum of one line is formed in the boxcar operator 10 and transmitted to the collecting device 18 . There, an object list of all detected light objects is created from the information on the time, the signal intensity and the position of the calculated light maximum of each individual line. In the star identification 19 , for example, individual stars or adapted star groups are identified by means of a star catalog and fed to the position calculation 20 . In the position calculation 20, the position is calculated from the identified stars or star groups, for example using the quaternion method and the rate of rotation of the satellite.

BezugszeichenlisteReference List

11: SternsensorStar Sensor
22: Außenstrukturexterior structure
33: Drehachseaxis of rotation
44: optische Achseoptical axis
66: Lichtsensorlight sensor
77: Spurtrack
88th: Lichtsignallight signal
99: Datenerfassungdata collection
1010: Boxcar-OperatorBoxcar operator
1111: ZeileLine
1212: Echtzeit-BildbearbeitungReal-time image editing
1313: Bilddatenimage data
1414: Bilddatenimage data
1515: Bilddatenimage data
1616: Prozessorprocessor
1717: Lichtmaximumlight maximum
1818: Sammeleinrichtungcollection facility
1919: Sternidentifikationstar identification
2020: Lageberechnunglocation calculation
2121: Optikoptics
2222: Detektordetector
2323: Recheneinheitunit of account
2424: Lichteinstrahlunglight exposure
100100: Satellitsatellite
200200: Diagrammdiagram
300300: Blockschaltbildblock diagram
400400: Ablaufdiagrammflowchart

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102020122748 B3 [0002, 0011]

Claims

Method for determining the position of a satellite (100) rotating about an axis of rotation (3), at least by means of a star sensor (1) aligned along an optical axis (4) to a detected light object field, the axis of rotation (3) and optical axis (4) being at a fixed angle are arranged relative to one another and a light sensor (6) is provided with a sensor surface which is arranged perpendicularly to the optical axis (4) and contains a sensor coordinate system with a line-by-line arrangement of light-sensitive pixels, characterized in that - in the individual lines (11) of the light sensor ( 6) captured image data (13, 14, 15) are captured line by line and sequentially, - the image data (13, 14, 15) of each line (11) over a specified time interval using a boxcar operator (10) with a specified number of pixels are folded, - a light maximum is determined by means of the boxcar operator (10), - the light maximum is assigned to a position of a light object based on a position of the line (11) and within the line in the sensor coordinate system, - via a detected over the entire sensor coordinate system Image from a plurality of light objects, an object list containing light object coordinates, light maximum and measurement time is determined.

procedure after claim 1 , characterized in that a star identification and a position calculation of the light objects is carried out from the object list by means of a star catalog coded by star groups.

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the light-sensitive pixels are evaluated using the binning technique, with at least two lines being evaluated for detecting the same light maximum.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that when the rate of rotation of the satellite (100) is known about its axis of rotation (3), the physical light object field is expanded virtually by calculating a position of a light object rotated out of the light object field using the rate of rotation.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that light points extending linearly outside of a line (11) are brought into a linear working direction of the boxcar operator (10) by means of digital image processing before the boxcar operator (10) is used.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the star sensor (1) until it reaches an orbit of a mass body, in particular Mars, according to the method according to at least one of Claims 1 until 6 and after reaching an orbit of a mass body, in particular Mars, is operated in a 3-axis position stabilization.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the star sensor (1) without the method according to at least one of Claims 1 until 6 and is operated in a 3-axis position stabilization when the satellite (100) reaches an orbit of a mass body, in particular Mars.

Device with at least one star sensor (1), which is fixedly arranged at a predetermined, preferably orthogonal angle relative to a rotation axis (3) of a satellite (100) in relation to an optical axis (4) aligned with a light object field, with a light sensor (6) , whose pixels are arranged in parallel lines arranged one below the other and an evaluation unit for evaluating the recorded image data (13, 14, 15) of the light sensor (6) for carrying out the method according to at least one of Claims 1 until 7 .

Computer program, characterized in that the computer program comprises program code sections with which a method according to at least one of Claims 1 until 7 is executable when the computer program on a device claim 8 is performed.