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Anordnung für Sternsensoren bei spin-stabilisierten Satelliten Bekanntlich
wird wegen ihrer hohen Stabilität die Spin-Stabilisierung bei Satelliten häufig
angewendet Da Kreisel ihre Achse im Raum in gleichbleibender Richtung haten, wird
ein spin-stabilisierter Satellit nur dann die Lage seiner Achse in Bezug auf einen
Zentralkörper, der von ihm umkreist wird, beibehalten, wenn diese senkrecht auf
der Orbit-Ebene steht. Ist diese Ebene eine Erd-Äquatorbahn, so zeigt die Spin-Achse
des Satelliten zum Nord- bzw. Südpol. Liegen die Umlaufbahnen dagegen in der Ekliptik-Ebene,
so weist die Spin-Achse zu den Ekliptik polen.
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Um die relative Lage der Spin-Achse zu messen, peilt man bekanntlich
einen möglichst hellen Stern in der Nähe des Pole an (z.B. Polarstern oder Canopus)
Da ein Stern nullter Ordnung in unserem Sonnensystem nur 10 9 lumen pro cm2 erzeugt,
benötigt man zu solchen Messungen große Linsen für den Lichteinfang und/oder hochempfindliche
fotoelektrische Empfänger, um den störenden Einfluß des Rauschens so klein wie möglich
zu halten, Große Linsen haben aber ein erhebliches Gewicht, das Ja bei Bestückung
von Satelliten so gering wie möglich gehalten werden sollte, und entsprechend empfindliche
Fotomultiplier haben nicht die lange Lebensdauer, wie sie ftlr Satellitenbestückung
wünschenswert wäre Der Erfindung liegt die Rufgabe zugrunde, eine Anordnung für
kleine Sonoren zu ohaffon die trotz guter Moßloistungen mit einer Bestückung mit
kleinen Linsen und/odor Ralbleiter-Fotoempfängern auskommt.
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Bekanntlich läßt sich ein relativ hoher Rauschpegel durch eine Mittelwertbildung
über längere Zeit genügend eliminieren, wozu man bei den sehr langsamen Auswandorungen
der Drallachse genügend Zeit hat. Jedoch geht bei Anwendung der tiblichen Zeitmeßeinrichtungen
mit Trigger viel Information verloren. Es wurde daher bei der Erfindung angestrebt,
einen anderen Weg bei der Auswerteschaltung zu gehen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung für Sternsensoren bei-
spin-stabilisierten Satelliten für Messungen von Polarkoordinaten r und # eines
Stern nahe der Spin-Achse, bei denen die optische Achse auf der Spin-Ächse liegt
und bei denen während der Rotation des Satelliten das Bild des anvisierten Stern
auf einer Narkenpiatte einen Kreis beschreibt. Die Anordnung zeichnet sich dadurch
aus, daß die Markenplatte ein Codierungsmuster aufweist, welches aus zwei unterschiedlichen
Bildmustern zusammengesetzt ist, von denen das eine bei einer Spin-Drehung ein einperiodisches
Signal an geraden radialen Kanten zur Messung des Polarkoordinatenwinkels w erzeugt,
das andere ein geradzahlig-vielfaches periodisches Signal an archimedisch-spiralförmigen
Kanten zur Umwandlung der Polarkoordinate r in Phasenwerte, und daß zwei Korrelatoren
zur Auswertung der anfallenden, fotoelektrisch abgetasteten Signale vorgesehen sind.
Dabei kann das erste Muster ein ausgoblndotor, d.h. nicht mit abgetasteter Kreissektor
sein, dem auch ein zusätzlicher fotoelektrischer Empfänger zugeordnet sein kann.
Auch kann das erste Muster eine Trennlinie sein, derart, daß das zweite Muster in
zwei Hälften geteilt ist, wobei Jeder Hälfte des Codierungsmusters ein fotoelektrischer
Empfänger zugeordnet ist. Dabei können Mittel zum Verschieben der Phasenlage der
Referenzsignale unter Verwendung einer steuernden Gleichspannung sowie von den verschobenen
Referenzsignalen geschaltete phasenempfindliche Gleichrichter
für
die durch die Abtastung der Bildmuster gewonnenen Signalspannungen vorgesehen sein.
Die Korrelatoren weisen als Integrator wirkende Operationsverstärker auf, die von
den phasenempfindlichen Gleichrichtern gespeist werden und deren Ausgänge einmal
mit den die Phase schiebenden Mitteln verbunden sind, zum anderen die Meßwerte r
und # darstellen.
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Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweise anhand von Zeichnungen
beschritben.
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Bildet man den anvisierten Stern durch eine Optik parallel zur Spin-Achse
ab, so beschreibt der Hauptstrahl des Lichtbündels einen Kegel. Der halbe Öffnungewinkel
dieses Kegel ist mit dem Winkel r zwischen der Spin-Achse und der Riohtung des Stern
identisch. Dieser Winkel soll auf einem festen Sollwert gehalten werden, der dem
Polabstand des Sterns entspricht. Dieser Winkel beträgt beispielsweise beim Canopus
etwa 140. Außer diesem Winkel ist der Phasenwinkel wichtig zwischen dem Anschneiden
des angemessenen Sterns und einer festen Richtung im Raum, die beispielsweise durch
die Sonne gegeben ist, durch eine mitrotierende Spin-Meridianebene.
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Wegen der Rotationsbewegung des Satelliten beschreibt das Bild des
Stern in einer Bildebene des Sensors einen Kreis mit dem Radius , der proportion
ist dem Winkel r zwischen: Spin-Achse und anvisiertem Stern. Es stellt sich nun
die Frage, ob man aus dieser relativen Bewegung des Bildes Signale über den Polabstand
des Sternes und den Phasenwinkel zwischen dem Anachneiden zweier Lichteinfallsrichzungen
gewinnen kann. Diese Frage kann mit Ja beantwortet werden, wenn man das Bild des
Stern in der Bildebene ein
besonderes Codierungsmuster überstreichen
läßt, welches fotoelektrisch abgetastet wird Dieses Codierungsmuster 3 ist in Figur
1 dargestellt. Es ist aus zwei untereinander unterschiedlichen Bildmustern zusammengesetzt.
Das erste Bildmuster 1 besteht aus einem geschwärzten Kreissektor, der sich über
900 erstreckt. Die restlichen 2700 sind mit dem Bildmuster 2 bedeckt, dessen Markierungen
archimedisch-spiralförmige Kanten aufweisen, Das Bildmuster 1 erzeugt während der
Drehung des Satelliten Signale, deren Frequenz gleich der Umdrehungsfrequenz des
Satelliten ist. Das Bildmuster 2 dagegen erzeugt Signale, deren Frequenz ein gerades
Vielfache der Umdrehungfrequenz, im dargestellten Fall 8mal größer als diese ist.
Durch eine dreimalige Verdopplung der Frequenz der vom Bildmuster 1 abgeleiteten
Signale erhält man die gleiche Frequenz als Schalt spannung und Phasenreferenzq
Wie man sieht, ist nur der mittlere Bereich der Markierungen des Bildmuster 2, in
dem die Markierungen gegen die Radien stark geneigt sind, Meßbereich.
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Befindet sich das Bild des Stern beim Umlauf in der inneren, vom Meßbereich
umschlossenen Zone, so werden Signale extremer, vom Abstand r nicht mehr abhängiger
Phasenlage erzeugt als Zeichen dafür, daß die Spin-Achse außerhalb des Bereiches
der Sollrichtung liegt. Läuft dagegen das Bild zunehmend von innen nach außen, so
erricht es bald den Meßbereich. In ihn ändert sich die Phasenlage der Signale zunehmend,
Je weiter das Bild innerhalb des Meßbereiches vom Mittelpunkt des Codierungemusters
abrückt. Im den Meßbereich umgebenden Bereich werden schließlich Signale rzeugt,
die eine konstante Phasenverschiebung - zweckmäßigerweise zwischen 900 und 1800
- gegenüber dem innersten Bereich aufweisen. lin solche Anordnung der Markierungen
im inneren und äußeren Bereich ermöglicht auch außerhalb
des Meßbereiches
die Erzeugung von Signalen für die Entscheidung, in welcher Richtung die Spin-Achse
gesteuert werden muß.
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Da, wie oben erwähnt, die Signale von Rauschen überlagert sind, kann
als Phasenmesser eine Triggerstufe nicht benutzt werden. Statt dessen findet ein
Korrelator Anwendung, wie er beispielsweise in der Figur 2 gezeigt ist. Wie ersichtlich,
ist dem das Codierungsmuster abtastenden fotoelektrischen Empfänger 20 ein Verstärker
21 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignale zwei Resonantverstärkern 23,22 zugeführt
werden, von denen der eine auf die Umdrehungßfroquenz des Satelliten, der andere
auf das Achtfache der Umdrehungsfrequenz abgestimmt ist. Dem erstgenannten Resonanzverstärker
22 ist ein phasenempfindlicher Gleichrichter 24 und diesem ein Integrator 25 mit
großer Zeitkonstante nachgoschaltet. Zur Erzeugung eines Referenzsignals dienen
zwei um 180° gegeneinander versetzte Sonnenspaltsensoren bekannter Art mit Je einem
fotoelektrischen Empfänger 26, die Je halbe Umdrehung des Satelliten einen Impuls
abgeben Dies Signale werden einem Sägezahngenerator 27 zugeführt, welcher mit einer
Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 28 verbunden ist. Letzterem ist eine Differenzierstufe
29 nachgschaltet, die über einen Gleichrichter 30 mit einer Eippstufe 31 verbunden
ist. Die Ausgangesignale dieser Kippstufe steuern einmal den phasenempfindlichen
Gleichrichter 24, zum anderen einen Frequenzvervielfacher 33 zur Gewinnung der Schaltspannung
für die zweite Polarkoordinate.
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Die Funktion der Schaltung ist folgende: Die bei der Abtastung des
Codierungsmusters anfallenden Signale werden nach einer Vorverstärkung in die Frequenzanteile
f und 8f aufgeteilt, wobei f gleich der Undrehungsfrequenz des Satelliten ist. Die
Anteile der Frequenz f
speisen den phasenempfindlichen Gleichrichter
24, dessen Ausgangssignale integriert worden, wobei sich die Wechse-lspannungsanteile
gegeneinander aufheben, die Glcichspannungatnteile dagegen summieren. Diese Gl e£chspannungsanteile
sind abhängig von dem Phasenwinkel zwischen der Signal spannung der Frequenz f des
angemessenen Sterns und der Schalt spannung der Kippstufe 31. Zur Erzeugung der
Schalt spannung sind die Spalt-Sonnensensoren mit den fotoelektrischen Empfängern
26 vorhanden, deren Ansgangssignale dem Sägezahngenerator 27 zugeführt werden, der
Je halbe Satellitenumdrehung einen Dreiecksimpuls erzeugt. Diese Dreiecksimpulse
werden im Differenzverstärker 28 mit den Ausgangssignalen der Stufe 25 verglichen.
Dabei ergibt sich ein Ausgangssignal, bei dem die steile abfallende Flanke unabhängig
von der Größe der Ausgangsgleichspannung der Stufe 25 stets stehen bleibt, während
der Anfangspunkt der linken ansteigenden Flanke in Abhängigkeit von der Größe dieser
Gleichspannung wandert. Nur diese "Wanderflanke" wird der Kippstufe 31 zugeführt,
die eine Rechteckspannung der Frequenz f mit variabler Phasenlage erzeugt, welche
dann den phasenempfindlichen Gleichrichter 24 steuert. Sind beide Signalfolgen an
den Ausgängen der Stufen 22 und 31 in Phase oder bevorzugt in Phase, so entsteht
am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 24 eine z,B possitive Gleichspannung,
bei Gegenphase eine negative Ausgangsspannung.
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Diese Ausgangsspannung wird dann zu Null, wenn die beiden Signalfolgen
um genau 90 gegeneinander verschoben sind.
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Die Phasenlage zwischen den aus der Sternabtastung gewonneuen Signalen
und den Ausgangsignalen des Generator 27 ist zu Beginn der Messung unbekannt. Si-
soll Ja genessen werden.
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Eine kleine Gleichepannung am Angang des phasenempfindlichen Gleichrichter
wird in dem Integrator 25 aufsummiert.
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und dann dem Differenzverstärker 28 als Regel spannung zugeführt.
Demzufolge ändert sich die Phasenlage der Schaltspannung am Angang der Kippstufe
31 so lange, als sich die Gleichspannung ändert. Erst wenn die nicht mehr der Fall
ist, ist die Schaltung abgeglichen und die Ausgangoglelchspannung des phasenempfindlichen
Gleichrichters 24 exakt Null als Zeichen dafür, daß Signal- und Schaltepannung gegeneinander
genau um 900 verschoben sind. Damit ist gleichzeitig die Ausgangspannung des Integrator
25 ein Maß für die Phasenlage. Wegen der verwendeten zwei Sonnenspaltsensoren ist
dieses Signal noch zweideutig. Es sind aber hier nicht mehr mit dargestellte logische
Schaltkreise bekannt, die diese Eindeutigkeit herstellen.
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Der Ausgang des Verstärkers 23 ist mit dem Eingang eine phasenempfindlichen
Gleichrichtere 34 verbunden, der von der Kippstufe 31 über einen Frequenzvervielfacher
33 mit Signalen der Frequenz 8f gesteuert wird, welche einen Phasenschieber 36 passieren.
Dem phasenempfindlichen Gleichrichter 34 ist ein Integrator 35 nachgeschaltet, dessen
Anegangseignale in gleicher Weise wie oben beschrieben einmal den Phasenschieber
36 steuern, zum anderen den zweiten Meßwert, d.h.' den Winkel r zwischen Stern und
Spin-Achrepräsentieren.
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Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß die mit ihr gewonnenen
Meßergebnisse von den Amplituden der Eingangssignale unabhängig sind, weil hier
eine Phasenmessung angewendet wird. Im Gegensatz zu einer Messung unter Verwendung
von Triggern kann hier über beliebig lange Zeiten gemittelt werden, so daß auch
stark verrauschte Signale einwandfrei ausgewertet werden können.
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Abwandlungen des Beschriebenen sind möglich. So kann der schwarke
90°-Sektor mit einem anderen Muster versehen sein, dem ein gesondert er fotoelektrischer
Empfänger zugeordnet ist, welcher in der Acquisitionsphase mit lichtschwächeren
Sternen.ein "atar mapping" durchführt.
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Auch kann das Codierungsmuster so ausgeführt sein, daß die gesamte
Fläche vom zwein Bildmuster bedeckt ist und das erste Muster eine Trennlinie ist
derart, daß das zweite Bildmuster in zwei Hälften geteilt ist. Jeder dieser Hälften
ist ein eigener fotoelektrischer Empfänger zugeordnet.
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Deren Ausgangssignale werden dem einen Korrelator im Gegentakt und
gleichzeitig dem anderen Korrelator im Gleichtakt zugeführt, wobei der Gleichtakt
zur Messung des Winkels r zwischen Stern-Spin-Achse dient, der Gegentakt dagegen
zur Messung des Umlauf-Phasenwinkels 7 Schließlich können die den Meßbereich einschließenden
Bereiche des Codierungsmusters auch geschwärzt sein, um die störende Wirkung des
Lichts vor Nachbarsternen fernzuhalten. Dann kann die Phasenverschiebung im Meßbereich
über 1800 gehen.