DE1808070A1

DE1808070A1 - Nachfuehrvorrichtung fuer sich bewegende Quellen wellenartiger Energie

Info

Publication number: DE1808070A1
Application number: DE19681808070
Authority: DE
Inventors: Soberman Robert Kenneth
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-11-13
Filing date: 1968-11-09
Publication date: 1969-06-19
Also published as: US3536924A

Description

Nachführvorrichtung für sich bewegende Quellen wellenartiger Energie

Die Erfindung bezieht sich auf Nachführsysteme für wandernde Quellen wellenartiger Energie der sowohl reflektierenden als auch strahlenden Art. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die keine Signale abgibt und sich nicht einstellt, die also passiv ist, zur Nachführung wandernder Körper, die elektromagnetische Strahlung emittieren oder reflektieren. Im wesentlichen ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung von Körpern, wie z.B. Meteoriten, gelenkte Raumfahrzeuge etc. gerichtet.

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Bisher sind Vorrichtungen zur Sammlung von Ergebnissen über Gegenstände, die sich im Weltraum bewegen, auf zusammengedrängte Messvorrichtungen, erdgebundene Teleskope sowohl optischer als auch drahtlos-sendender Art und auf Systeme zur Sendung und zum Empfang von Signalen beschränkt gewesen. Die meisten dieser Vorrichtungen sind aber reichlich gross und komplex. Insbesondere bezüglich der Studien von Meteoriten und Mikrometeoriten ist nur die erst genannte Art einfach genug und für eine Verwendung im Weltenraum praktisch verwendbar. Sie ist jedoch auf die Momentmessung begrenzt. Sie ist ferner dadurch begrenzt, dass ein physikalischer Kontakt mit dem zu untersuchenden Gegenstand erforderlich ist und deshalb nur eine begrenzte Datenmenge erhalten werden kann. In dem Sinne, dass alle anderen bisher verfügbaren Nachführsysteme den Empfang ausgestrahlter Signale und/oder Mittel zur Nachführung des Gegenstandes mit einem Detektor erforderlich gewesen sind, indem z.B. der Detektor gezielt gerichtet oder ein abbildender Detektor zur Ortsbestimmung verwendet wurde, basierten alle diese Vorrichtungen auf Systemen, die als aktive Systeme bezeichnet werden können. Es ist nicht praktisch durchführbar gewesen, irgendeines dieser Systeme in einer genügend kleinen und einfachen Vorrichtung zu verwenden, damit es zur Sammlung von Daten über im Weltenraum wandernde Gegenstände benutzbar ist.

Die Erfindung beinhaltet deshalb eine neuartige Vorrichtung zur Bestimmung der Position, der Bahn und der Geschwindigkeit wandernder Gegenstände.

Es ist weiterhin Aufgabe dieser Erfindung, eine einfachere und praktischere Vorrichtung zur Nachführung sich bewegender Gegenstände zu schaffen. Schliesslich bezweckt diese Erfindung eine passive Vorrichtung, die die Entfernung und den Geschwindigkeit svektor sich bewegender Gegenstände bestimmen

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kann, die Wellenenergie aussenden oder reflektieren können. Dabei ist es ein weiteres Merkmal dieser Erfindung, eine praktische, leicht transportable Vorrichtung zu schaffen, die für vereinfachte Mittel zur Ortung und Nachführung von Gegenständen im Weltenraum sorgt.

Diese und andere Aufgaben werden gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein System gelöst, das zahlreiche nicht-abbildende Wellenenergxedetektoren umfasst, die genau begrenzte, sich überlappende Empfangsfelder sowie im allgemeinen parallele, aber nicht zusammenfallende Peldachsen besitzen. Weiterhin sind auch Mittel zur Auflösung der "unaufbereiteten Daten" von den Detektoren vorgesehen, um die Entfernung, die Geschwindigkeit und/oder die Bahn des Gegenstandes zu errechnen. "Unaufbereitete Daten" beziehen sich in diesem Fall auf die Stärke des Signals von dem Gegenstand und den Zeitraum, in dem sich der Gegenstand innerhalb des Empfangsfeldes eines jeden Detektors befindet. In der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind drei optische Detektoren an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, wobei ihre optischen Achsen im allgemeinen auf der von den Eckpunkten aufgespannten Ebene senkrecht stehen.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnungen eines Ausführungsbeispxels nach der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht von oben auf die Detektoren in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Detektoren in dem in Fig. 1 gezeigten passiven Nachführungssystem.

Fig. 3 zeigt das Koordinatensystem, das für mathematische Berechnungen zur Auflösung der Daten von dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten System verwendet wird.

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In Pig. 1 ist eine Ansicht von oben auf drei optische Detektoren 1, 2 und 3 gezeigt, die jeweils an einer Ecke eines gleichseitigen Dreieckes mit der Seitenlänge L angeordnet sind. Die optischen Detektoren können übliche Fotoverstärker oder Fotodioden mit optischen Mitteln enthalten, um jeden Detektor auf ein gut begrenztes Sichtfeld zu begrenzen. Derartige Detektoren sprechen elektronisch auf einfallende Strahlungsenergie an. Bezeichnenderweise enthalten die optischen Begrenzungsmittel ein Linsensystem mit einer gegenüberliegenden Maske oder Spiegel, der ein schar'fes kegelförmiges Sichtfeld begrenzt, wobei der optische Detektor an der Spitze des kegelförmigen Sichtfeldes liegt. Weiterhin sind in Fig. 1 in einem unbestimmten Abstand von den optischen Detektoren die Sichtfelder la, 2a und 3a der entsprechenden optischen Detektoren 1, 2 und 3 eingezeichnet. Fig. 1 zeigt ausserdem auch die Bahn 4 eines strahlenden oder die Strahlenenergie reflektierenden Gegenstandes, dessen Bahn, Geschwindigkeit (die im folgenden als Geschwindigkeits·* vektoren zusammengefasst werden) Und Entfernung zu bestimmen sind..

Eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten Systems ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Hier ist auch die Entfernung R von den optischen Detektoren bis zu dem nachgeführten Gegenstand und der Ab wei chungs winkel oi.. gezeigt, der zwischen den Rändern der Sichtfelder der Detektoren und den entsprechenden Feldachsen gebildet wird. Der Winkel oc , der auch der halbe Winkel der konischen bzw. kegelförmigen Sichtfelder laj 2a und 3a ist, braucht nicht für alle Detektoren in dem System gleich zu sein. Die Berechnungen werden jedoch vereinfacht, falls der Winkel cv für alle Detektoren in dem System gleich ist, wie^sin dem System nach den Figuren 1 und 2 gezeigt ist.

Für eine relativ vollständige Bestimmung der Geschwindigkeitsvektoren und der Entfernung sind mindestens drei Detektoren

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erforderlich, von denen die optischen Achsen von nicht mehr als zwei Detektoren zusammen auf einer Linie liegen, während einer bei dem System frontal davor liegt. Die bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung, die in Pig, 1 und 2 gezeigt ist, umfasst deshalb drei derartige Detektoren. Es können weitere Detektoren verwendet werden, um die Zuverlässigkeit durch Redundanz zu verbessern und bestimmte Störungsprobleme in einem System mit drei Detektoren zu vermindern.

Beispielsweise sind in einem System der in den Pig. I und 2 gezeigten Art drei RCA 7265 Fotoverstärker mit Teleskopen kombiniert und montiert, so dass jede Kombination aus einem Fotoverstärker und einem Teleskop zu den übrigen zwei Kombinationen im allgemeinen parallel liegt und zu diesen einen Abstand von etwa 10,8 cm (4 1/4 inch) aufweist. Teleskope mit Linsen einer Brennweite von 17,55 cm und Öffnungen mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch), die in einer Entfernung von 18,45 cm von den Linsen angeordnet sind, begrenzen kegelförmige Lichtfelder mit Halbwinkeln oC von 4°. Zwischen den Enden eines jeden Teleskopes und den entsprechenden Fotoverstärkern wird ein Zwischenraum von 1,27 cm (1/2 inch) aufrechterhalten, um einen übermässigen Kriechstrom zwischen den Fotoverstärkern und den Fernrohrbüohsen zu vermeiden.

Unter Verwendung dieses Systems wurde die Ausführbarkeit dieser Erfindung mit einem simulierten wandernden und lichtreflektierenden Körper aufgezeigt, der durch die Projektion eines schnell wandernden Lichtpunktes auf einem Bildschirm 166,70 cm (65-5/8 inches) von den Detektoren entfernt gebildet wurde. Der Bildschirm war im Winkel zu der Ebene angeordnet, die auf den optischen Achsen des Systems senkrecht steht, um einen Geschwindigkeitsvektor parallel zu der optischen Achse zu simulieren. Der Lichtpunkt* der durch eine Lampe erzeugt und durch einen kleinen rotierenden Spiegel in einer Entfernung

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von 1,52 m (5 ft.) von dem Bildschirm reflektiert wurde, besass in der Ebene des Bildschirmes eine Geschwindigkeit von 635 in pro Sek. (25.000 inch per see«). In der Richtung parallel zur optischen Achse des Detektorsystems wies der simulierte Körper einen Geschwindigkeitsvektor V3 von 126,49 πι pro Sek. (4.980 inch per see.), auf. In einem speziellen Beispiel wurde die Eintritts- und Austrittszeit des Punktsignales in das Siohtfeld der entsprechenden.Detektoren wie folgt gemessen (die erste Ziffer des tiefgestellten Index bedeutet den Detektor 1,2 bzw. 3» und die zweite Ziffer des tiefgestellten Index gibt den Eintritt oder Austritt,

1 bzw. 2, an);

t_1± = O₄O Sekunden

t._o = 375 x 1O"⁶ Sekunden

t₂₁ = 115 x 10 Sekunden

t₀₀ = 425 x 1Q~⁶ Sekunden

t _% = 175 x 10 Sekunden

t ₂ = 547 x 'IQ"⁶ Sekunden

Diese Ergebnisse werden unter Verwendung eines Koordinaten-" systems aufgelöst₉ das in Fig. 3 für einen der Detektoren dargestellt ist. In Fig. 3 ist ein Sichtkegel 5 mit einem Halbwinkeloc gezeigt. Ein. Gegenstand 6 wird bezüglich eines Detektors, der an der Spitze des Sichtkegels 5 angeordnet ist, durch den Abstand R und den Drehwinkel Cpgeometrisch geortet. Seine Lage kann auch mit Hilfe eines Koordinatensystems jeweils senkrecht aufeinanderstellender Achsen X₁, X₂ und X, festgestellt werden. Bezüglich des Sichtkegels, des Detektors 1 ist Xp die Linie, die die Spitzen der Siehtkegel der Detektoren 1 und 2 verbindet. X, steht, senkrecht auf der Ebene, die durch die Spitzen der Siehtkes⁶! der Detektoren, 1, 2 und 3 gebildet wird, auf die im folgenden auch unter der Bezeichnung Kegel 1,.

2 und 3 Bezug genommen wird. Man kann sieh auch ähnliche KoordinateHBysteme für die Kegel 2 und 3 ißit Äehsen X₁, X₂

und X-, für diese Kegel vorstellen, die zu den bei Kegel 1 beschriebenen Achsen parallel verlaufen.

In der Mathematischen Analyse, die für die Auflösung der Messergebnisse in dieser Erfindung erforderlich ist, bedeuten die tiefgesetzten Indices i, j und k folgendes:

i = I₃ 2 oder 3 und entspricht den Koordinaten X₁, X₂ oder X₃

j = 1, 2 oder 3 und entspricht den Kegeln 1, 2 oder 3

k = 1 oder 2 und entspricht einem Eintrittspunkt 1 oder einem Austrittspunkt 2

Ein Satz geometrischer Konstanten C.· ist definiert durch

Es sei bemerkt, dass X.. den entsprechenden Koordinatenachsen

_ -kJ
des Kegels und X.. den Achsen eines beliebigen Koordinatensystems entspricht, deren Achsen parallel zu den Kegelachsen verlaufen. Für eine Anordnung der Detektoren in einem gleichseitigen Dreieck, in der die Achsen X.. so gewählt sind, dass

-'-J sie mit den Achsen des Kegels 1 zusammenfallen, ist

^Cll = ^C21 ^{= C}31 ^{= C}12 = ^C32 = ^C23 ⁼ °33 ⁼ °

C₂₂ = -L (3)

C₁₃ = -V3 L/2 (4) ' .

C₂₃ = -L/2 (5)

worin L die Entfernung zwischen den Kegelachsen ist. Es werden jetzt mehrere Konstanten definiert:

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(6)

h... = CT-. + T^J/tanoC . (7)

J-J J It AX

a = Ch₂₁ + H₂₂ - h₁₂)/h₁₂ (8)

₁₂)/h₁₂

b = Ch₃₁ + H₃₂ - h₁₂)^/hi2 (9)

f = 4 h₂₁ h₂₂/h₁₂ ² (10) g = H H₃₁ h₃₂/h₁₂ ² ' ' ■■ (11)

d = L/taniX (12)

P₁= (2b-a)g + (2a-b)f (13)

P₂=a+b+3 · ■ (14)

P₃ = 4/3 (a² - ab + b²) . (15)

. , P₄ = f² - fg + g² (16)

Pc = f + g (17)

Die Entfernung, die Geschwindigkeit und der Winkel bezüglich des Kegels können in Form von N ausgedrückt werden« N ist die reale positive Wurzel der Gleichung dritten Grades

A₃ N³ + A₂ N² + A₁N + A₀ = 0 .. . ■.-. (18)

= Ρ_χ ²/3 - P₃P₄ (19)

^A2 ^{= p}l² " ^2/3 PiP2^p3"^2p3P4⁺P3²P5 (20) A₁ = P₁ ² - 4/3 P₁P₂P₃+l/3 P₂ ²P₃ ² - ·

P3P4 + P₃ ²P₅-P₃ ³ (21)

A₀ = 1/3 (P₁ - P₂ P₃)² (22)

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;::.ι.¹;¹!:'■■■"' ■■■!%■;"»ι™''"!'¹ :ΐι »τ¹ ■■ ■■■ . .. ,» ., .., . ...

■ ■' ■' ■■ '■ . ■ ■■ ··'■■"'■■ ■■■'■■ TI¹.¹· ' - ■ ■■■ --"■ ,!".-Il ■· !ψΐψρ(ΐ!!;ιιιιι jij.ii -ι

Naehdem der Wert von N bestimmt ist, sind die Geechwindig-

(2 b-a) (1+N) (23)

keitsvektoren λ	ν/Τ	ι.	^i
^γι -	r C	2 d
^Υ2 -	Ρ-,Ι	P₃ ^hi
^V3 ⁼	2	I ά a
	¹I₂
d

tanoc^(l+N)/p" (25) ³

Das Vorzeichen von V-, ist das gleiche wie das Vorzeichen der

Grosse fj?₂ p^ - ₁

Wenn diese Grosse null ist, dann ist auch V-, = O.

Immer wenn V, ungleich null ist, kann der Winkel ^P₁₁ durch folgende Gleichungen bestimmt werden:

yip, h₁₉ V, (2g-f(l+N) -ρJ ■> = ^2—h£—2___ 2— (₂6)

4 tanoc(l+N) Lp₁(ItN)-P₂P₃I

3 P₃^₁₂V₃ {f(l+N) - P₃J ¹¹ 4 tantAd+N)

Palls V₃ = 0 ist, kann der Wert von tan ^₁₁ verwendet werden

. rf N + f - ρ,

tan ^₁₁ =Y3 ^- (28)

¹¹ (2g-f) N+(2g - f - ρ )

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- ίο -

Für tan CP₁₁ t O hat cos Cf das gleiche Vorzeichen wie

- (2 g - f) (1 + N)

(29)

Falls jedoch tan CJ^₁ = OO ist, dann besitzt sin Of? das ent gegengesetzte Vorzeichen von Vp.

Der Eintrittsabstand in dem ersten Kegel ist

! h₁

- Cv₁ ² + V₉ ² 1?

12

₍₃₀₎

Alle anderen Abstände werden aus der Gleichung

V " ^Rll ^{+ V}3 ^(Tjk - ¹Il' * °3j

erhalten. Der zu jedem dieser Punkte gehörige Winkel C('., wird aus

., = arc tan

errechnet. Wenn man

tannin ^₁₁ + V₂(T.,

tanoc

X₁₁₁ = R₁₁ tan lXcos = R₁₁ tan <Λ sin

(33) (34)

311

* ^C

31

⁽³⁵⁾

setzt, sowwerden die karthesichen Koordinaten gefunden, indem die Gleichung

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- ii -

verwendet wird.

Bei Verwendung der somit abgeleiteten mathematischen Gleichung und der aus dem oben beschriebenen Demonstrationsbeispiel erhaltenen Ergebnissen wurden die folgenden Ergebnisse errechnet. Zu Vergleichszwecken sind die tatsächlichen Werte der errechneten Grossen zusammen mit dem prozentualen Fehler angegeben.

Tab eile I

Tatsächlich Errechnet Prozentualer Fehler

R₁₁ 179 cm 173 cm 3

R,p 168 cm 166,5 cm 1

ν_χ ²+ν₂ ² 6,4x10 cm/sec. 6,35x10 cm/sec. 0,8 V, 1,51x10 cm/sec. 1,265x10 cm/sec. 17

Zusätzlich zu den aus dem obigen System erhaltenen Ergebnissen kann der Abstand und die Helligkeit des Signals zueinander in Beziehung gesetzt werden, um eine quantitative Grössenmessung des Gegenstandes zu erzielen.

Es stehen zahlreiche Vorteile dieser erfindungsgemässen Nachführungsvorrichtung, insbesondere für eine Verwendung im entfernteren Weltenraum. Hierzu gehört unter anderem, dass die Vorrichtung sehr klein sein kann. Noch wichtiger ist für eine Nachführung von Meteoriten und Mikrometeoriten, dass das System vollständig passiv sein kann und keine Fokussierung, Ausrichtung oder Signalaussendung erfordert. Andererseits kann zur Nachführung gesteuerter Satelliten oder Astronauten

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ein sehr einfacher Signalsender in Verbindung mit dieser Erfindung verwendet werden. In jedem Falle ist die für die Vorrichtung erforderliche Leistung sehr klein und ihr erstes Ansprechen kann leicht übertragen werden, da es nur einfache Ein-Aus-Signale enthält, die nur auf die Zeit bezogen sind. Deshalb können zwar Mittel zur Aufnahme der Messergebnisse und zur Durchführung der erforderlichen Rechnungen als Teil des Systems, wo es sich auch gerade befinden mag, vorgesehen sein; für eine extreme Vereinfachung können aber die unaufbereiteten Daten zur Aufbereitung an irgendeinen entfernten Ort übertragen werden, der z.B. eine erdgebundene Empfangsstation sein kann.

Um das Verständnis dieser Erfindung zu erleichtern, ist sie in der Art beschrieben und schematisch dargestellt worden, dass die Achsen der optischen Detektoren genau parallel zueinander sind. Ähnliche mathematischen Analysen erbringen aber auch die gleichen Informationen, selbst wenn die Achsen der Detektoren nicht genau parallel sind, falls der Abwejchungsgrad von einer parallelen Anordnung bekannt ist. Dies ist wichtig, da es die Kalibrierung der Vorrichtung an Ort und Stelle an entfernten Stellen wie z.B. im tiefen Weltenraum erlaubt. Dies,geschieht dadurch, dass das Ansprechen der entsprechenden Detektoren der Erfindung auf einen strahlenden oder reflektierenden Körper angezeigt wird, der eine bekannte Position und Bahn besitzt. Typischerweise kann zu diesem Zweck ein heller Stern verwendet werden, der nahezu unendlich weit von den Detektoren entfernt ist.

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Claims

- 13 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes und des Geschwindigkeitsvektors einer wandernden Strahlungsenergiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zahlreiche Strahlungsenergiedetektoren (1,2,3) mit bekanntem gegenseitigem Abstand aufweist, die sich überlappenden Sichtfelder (la, 2a, 3a) eines jeden Detektors genau begrenzt ist und die Achsen dieser Felder im allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass sie ein kompaktes Paket ist und für eine Verwendung in Raumfahrzeugen geeignet ist»

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , dass sie Mittel zur Bestimmung des Zeitraumes enthält, während der sich die wandernde Strahlungsenergiequelle innerhalb des Sichtfeldes eines jeden Detektors befindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , dass sie Mittel aufweist, mit denen die Zeitraumbestimmungen zueinander in Beziehung zu setzen sind, und die Entfernung und die Geschwindigkeitsvektoren des Körpers analysierbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch ge k e η η zeichnet , dass sie drei optische Detektoren aufweist> die etwa mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind und die Detektoren kegelförmige Sichtfeider aufweisen.

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BAD ORlQINAt.

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