DE1959451A1

DE1959451A1 - Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Raumfahrzeuges mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators

Info

Publication number: DE1959451A1
Application number: DE19691959451
Authority: DE
Inventors: Francois Desvignes
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-11-27
Filing date: 1969-11-26
Publication date: 1970-07-30
Also published as: CH527410A; NL6917640A; SE348568B; FR1593680A; US3628018A; BE742195A; GB1294130A

Description

FPHN 3971 KTS/RJ

Dr..%. !Insa-Dietrich Zelhf I'aii'nlniiwaU

Anmelder: N. γ. Philips' CloeUuiv.^enfabrieken
Akte No. PHN- 3971

Anmeldung vomi 25. KOV» 1969

"Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Raumfahrzeuges mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Raumfahrzeuges, die ein optisches System, einen elektrooptischen Modulator und einen Infrarotstrahlungsdetektor enthält.

Das Raumfahrzeug, dessen Lage geregelt wird, befindet sich in einer Umlaufbahn um einen Himmelskörper oder einen Planeten und muss gegenüber diesem bzw. diese eine bestimmte Lage beibehalten»

Die von dem Satelliten (dem Raumfährζeug) beschriebene Umlaufbahn kann zwei Formen haben: elliptisch

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a.

oder kreisförmig.

Der Kompliziertheitsgrad des Starts hängt somit von der getroffenen Wahl ab, und im Fall von Nachrichtensatelliten, die eine nahezu ununterbrochene Übertragung elektromagnetischer Signale zwischen zwei bestimmten weit voneinander entfernten Zonen ermöglichen, werden fe synchrone Satelliten verwendet. Um die Signale mit der erforderlichen Genauigkeit weiterleiten zu können, müssen die Satelliten bekanntlich in Kreisbahnen gebracht werden.

Das in eine Kreisbahn Bringen eines Satelliten erfolgt in drei Stufen:

1 . der Satellit wird in eine niedrige elliptische Bahn, eine sogenannte Parkbahn, gebracht;

2. dann wird im richtigen Zeitpunkt dem Satelliten ein Impuls gegeben, der diese Bahn in eine langgestreck- * te Bahn umwandelt, dessen Apogäum in dem Abstand liegen muss, der der endgültigen Kreisbahn entspricht; dies ist die Übergangsstufe;

3· schliesslich wird dem Satelliten im Apogäum der Übergangsbahn ein neuer Impuls erteilt, der bewirkt, dass diese Bahn in eine weniger exzentrische oder sogar kreisförmige Bahn übergeht.

Während der beiden letzteren Stufen ist es sehr wichtig, das Raumfahrzeug mit der höchstmöglichen Genauigkeit steuern zu können, um es an einen genau bestimmten

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Ort zu bringen. Venn sich das Fahrzeug in der endgültigen Bahn befindet, erlaubt eine letzte Antriebsstufe die Lagebestimmung des Satelliten.

Wenn die Lage der Satelliten einmal bestimmt worden ist, muss sie erhalten bleiben', und zwar mit einer um so höheren Genauigkeit, wenn der Satellit für optische oder astronomische Beobachtungen oder zur Übertragung von Funkwellen bestimmt ist. Die veränderlichen Grossen, nämlich der Ort und die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, werden dauernd durch Detektoren gemessen, welche diese Daten in Form elektrischer Signale entweder an im Fahrzeug befindliche Rechen- und Steuergeräte oder an auf der Erde befindliche Stationen, welche die Steuergeräte des Satelliten betätigen können, weiterleiten. Der Satellit muss somit eine bestimmte Lage einnehmen und die zur Durchführung seiner Aufgabe erforderlichen Korrekturen vornehmen können.

Wenn eine passive Vorrichtung in eine Umlaufbahn gebracht wird, gehorcht sie den Gesetzen der klassischen Mechanik und hält eine gewisse Bewegung um ihren Schwerpunkt aufrecht; diese Bewegung muss somit geregelt oder zunichtegemacht werden können. Wenn man ein räumliches Koordinatensystem für den Satelliten und ein räumliches Koordinatensystem für feste astronomische Richtpunkt^ ein sogenanntes absolutes Koordinatensystem, bestimmt, führt der Satellit die folgenden Bewegungen

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durch: eine transversale Schwingungsbewegung (Rollen), eine longitudinale Schwingungsbewegung (Stampfen), und eine laterale Schwingungsbewegung (Schlingern)φ

Venn das Raumfahrzeug die Rolle eines Satelliten erfüllt, zum Beispiel eines Erdsatelliten, ist es zweckmässig, für die Bestimmung von zwei dieser Bewegungen (Rollen und Stampfen) die von der Erdoberfläche P herrührende Infrarotstrahlung zu benutzen. Die Schlingerbewegung kann nur in bezug auf einen astronomischen Richtpunkt, z.B,¹ die Sonne oder die Sterne, mit Hilfe eines für die Strahlung der Sonne oder der Sterne oder für Radio-elektrische Strahlung empfindlichen Gerätes korrigiert werden.

Die zum Detektieren der Strahlung benutzten Vorrichtungen und die zugehörigen elektronischen Schaltungsanordnungen sind mit Fehlern behaftet, wobei diese k Fehler auf mögliche Abweichungen sowohl des Detektors als auch der elektronischen Schaltung zurückzuführen sind. Diese Probleme lassen sich bei einem Satelliten, dessen Lage durch Rotation stabilisiert wird, leicht dadurch vermeiden, dass das Niveau des rechteckfönnigen Signals beobachtet wird, das durch den periodischen Durchgang der Erde im Feld der strahlungsempfindlichen Vorrichtung erzeugt wird: wenn die Lage des Satelliten bekannt ist, liefert das Zeitintervall zwischen den Vorder- und Hinterflanken des rechteckförmigen Signale eine

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Anzeige für die Lage der Achse des Kegels, den die Peilrichtung der strahlungsempfindlichen Vorrichtung während der Rotation beschreibt.

Im Falle von Satelliten, deren Lage um drei Achsen (Rollen, Stampfen, Schilfern) durch Kreisel oder Gasdüsen stabilisiert wird, enthält diese Drehbewegung. Die Bedeutung einer Lösung unter Verwendung einer derartigen Bewegung ist so gross, dass überall, wo dies mög» lieh ist, empfindliche Vorrichtungen benutzt werden, die diese Bewegung reproduzieren.

Bei einer bekannten Vorrichtung analysiert ein optisches System das mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit von einem Elektromotor angetrieben wird, die Strahlung, die aus einer in bezug auf den Satelliten festen Richtung aus dem Raum herrührt. Die Wahl dieser festen Richtung, des Richtwinkels und der Rotationsgeschwindigkeit sind Parameter, die bei den Eigenschaften der Vorrichtung (überstrichenes Feld, Richtgenauigkeit) auftreten und deren Wert von den Charakteristiken der Aufgabe des Satelliten abhängt.

Diese Lösung, die einen kontinuierlich bewegenden Mechanismus benutzt, kann jedoch für eine langer dauernde Aufgabe nicht als zuverlässig genug betrachtet werden, und man bevorzugt denn auch die Verwendung von Abweichungs- oder Modulationsvorrichtungen, di»keine bewegenden Glieder enthalten, und insbesondere elektrooptische Modulationsvorrichtungen. Solche Modulationsvor-

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richtungen nutzen das Phänomen aus, die auf der Eigenschaft beruht, welche die freien Elektronen in einem Festkörper haben, nämlich die Lichtabsorption. Tatsächlich lässt sich wenigstens örtlich die Konzentration freier Ladungsträger in einem Halbleitermaterial dadurch beeinflussen, dass ein pn-Ubergang angebracht und an ihn eine Potentialdifferenz angelegt wird; das auf das Material auffallende Licht lässt sich somit einfach modulieren.

Horizontsucher, sind mit derartigen Modulatoren versehen, aber dabei müssen mehrere optische Systeme vorgesehen werden, die derartige Modulatoren enthalten, um das zur Erzielung und Aufrechterhaltung der Lage des Satelliten erforderliche Abtastfeld überstreichen zu können.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Horizontsucher vom beschriebenen Typ, der jedoch gegenüber den bekannten Systemen wichtige Vorteile hat, insbesondere in bezug auf:

die Grosse des Abtastfeldes (die bis 30° betragen kann) während des Zeitraumes, in dem eine Grobeinstellung der Lage erfolgt,

die Verwendung der gleichen Anordnung für den linearen Bereich, wenn der Satellit seine geringen Abweichungen von der festen Lage korrigieren muss, die Zuverlässigkeit, die teilweise auf die

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technische Ausbildung des Modulators zurückzuführen ist* Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine ringförmige Öffnung aufweist, in der sich der elektrooptische Modulator befindet, der aus mindestens drei Sektoren besteht, wobei die Öffnung durch den Aussendurchmesser eines runden Schirmes und den Innendurchmesser einer runden Blende bestimmt wird, die konzentrisch ' in der Bildbrennebene des Gebildes angebracht sind, das aus einem Objektiv und einem Kollektor besteht, die aus einem im gewählten Strahlungsband durchlässigen Material hergestellt sind, wobei der Innendurchmesser und der Aussendurchmesser der Öffnung sowie der Ort und die Brennweite des Ovjektivs und des Kollektors derartig sind, dass das Bündel, das durch die Öffnung hindurchgehen kann, im Objektraum durch zwei Kegel mit gegebenem Scheitelwinkel begrenzt wird. *

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht des elektrooptischen Modulators,

Fig. 3 zeigt blockschematisch die zugehörige elektronische Schaltungsanordnung.

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Das in Fig. 1 dargestellte optische System

ist in einem Gehäuse 1 untergebracht, das auf einer Seite das Objektiv 2 und auf der entgegengesetzten Seite den Detektor 3 trägt. Dieser Detektor ist hier ein Bolometer in Form eines in eine halbkugelförmige Germaniumlinse gebetteten Thermistors. Zwischen den beiden Seiten befindet sich auf einem Träger ^₁ der auch als Blende wirksam ist, fe ein optisches System, das aus zwei plankonvexen Linsen 5 und 6 besteht', sowie der Modulator 7» der in der Mitte einen Schirm 8 trägt.

Der ringförmige Träger A ist in der Bildbrennebene des aus dem Objektiv 2 und dem Kollektor 5 aus Germanium bestehenden Ganzen angebracht und ist aus Blende wirksam. Ein Schirm 8 ist konzentrisch mit dieser

Blende angeordnet und bestimmt eine ringförmige Öffnung. Der Innendurchmesser dieser Öffnung, der dem Durchmesser des Schirmes 8 entspricht, und ihr

Aussendurchmesser, der dem Innendurchmesser der Blende ™ k entspricht, sowie der Ort und die Brennweiten der Linsen 5 und 2 sind derartig, dass das Bündel das durch die Öffnung hindurchgehen kann, im Objektraum durch zwei Kegel begrenzt wird, deren halber Scheitelwinkel in Abhängigkeit vom anvisierten Planeten bestimmt wird. Tatsächlich muss der Durchmesser des Schirmes 8 höchstens gleich dem "Durchmesser des Bildes sein, das er vom anvisierten Planeten empfängt, und für eine vorherbestimmte Höhe.

Aus Gründen der Bildgüte wird das Kollektor-

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system (vorgehend war von einer einzigen Linse 5 die Rede) vorzugsweise in zwei Elemente geteilt, die je auf einer Seite des Modulators 7 angebracht sind; die zweite Kollektorlinse 6 erzeugt zusammen mit der ersten ein Bild des Objektives 2 in der Ebene, in der die empfindliche Oberfläche des Bolometers 3 liegt.

Andererseits ist der Durchmesser des Objektives 2 so gross gewählt, dass trotz Aberrationen der Linsen 5 und 6 die Fassung k der Linse 5 nicht/als eine Blende für die empfindliche Oberfläche des Bolometers wirkt. Schliesslich ist ein Filter 9 unmittelbar vor dem Bolometer angeordnet-.

Der ringförmige elektrooptisch^ Modulator 7 · ist aus acht gleichen Sektoren zusammengesetzt (Fig. 2). Die vier Sektoren Mn, Ms, Mo und Me werden nachstehend als normale Sektoren und die vier übrigen, nämlich Mne, Mno, Mse und Mso, als Hilfssektoren bezeichnet.

Wenn der Satellit gut gerichtet ist, überstreicht das Bild der Erde genau den mittleren Teil, der aus dem Schirm 8 besteht: die acht optische Wege empfangen überhaupt keine Strahlung von diesem Planeten; eine geringe Abweichung in Form von Rollen bewirkt, dass das Bild der Erde einen Teil des Sektors Mn oder des Sektors Ms überlappt. Eine Abweichung in Form von Stampfen hat eine teilweise Überlappung des Sektors Mo oder Me zur Folge.

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Die vier Hilfssektoren Mno, Mne, Mso und Mse werden in den folgenden Fällen benutzt:

bei der Grobeinstellung kann der Fall eintreten, dass die Erde, wenn sie sich in fast 30° von der Achse der Vorrichtung befindet, in keinen der vier normalen Sektoren Mn, Ms, Mo und Me fällt;

wenn sich die Sonne im Feld eines der vier Sek-

P toren Mn, Ms, Mo und Me befindet,: ein Sonnensucher Sc (Fig. 3) schreibt dann den Übergang von der normalen Reihe zur Hilfsreihe vor;

wenn die vier normalen Sektoren ganz oder teilweise versagen, ·

Wenn am Verbrauch und an der Kompliziertheit der elektronischen Schaltung gespart werden soll, wobei im Kauf genommen wird, dass die Abtastvorrichtung nicht gerichtet werden kann, wenn sich die Sonne in ihrem Feld ^ befindet, genügt ein Modulator mit vier Quadranten.

Die zugehörige elektronische Schaltungsanordnung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.

Weil das Bolometer Bo für zwei Paare von Wegen, nämlich Nord-Süd und Ost-West, dient, werden, um einen Unterschied zwischen den Signalen zu ermöglichen, entweder wechselweise das Modulatorenpaar Nord—Süd und Ost-West gespeist oder es werden die beiden Paare gleichzeitig mit verschiedenen Frequenzen gespeist, wonach die Signale durch Synchrondemodulation getrennt werden.

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Zur Erläuterung der Funktion der verschiedenen elektronischen Schaltungen wird nur ein einziges Wegepaai näher betrachtet, z.B. das den Sektoren Mn und Ms und dem Bolometer Bo entsprechende Paar. I)ie;Sektoren werden gegenphasig von einem Oszillator Os₁ gespeist. Das Bolometer wird über eine Vorspannungsschaltung Po gespeist, und das Signal wird dem Vorverstärker Pa zugeführt; eine Gegenkopplungsschaltung Cr stabilisiert den Arbeitspunkt des Bolometers rait Hinsicht auf eine Erweiterung des Temperaturbereiches, in dem es arbeiten kann. Das Ausgangswechsel Spannungssignal des Vorverstärkers Pa wird vom Verstärker Am auf ein derartiges Niveau verstärkt, dass es vom Synchrondemodulator Dm₁, der durch ein dem Oszillator Os₁ entnommenes Bezugssignal gesteuert wird, in ein Gleichspannungssignal umgewandelt werden karm,> Dieses Bezugssignal wird erforderlichenfalls durch die Schaltung Rp₁ verzögert, um die reaktiven Elemente der Verstärkungsschaltungen und insbesondere des photoelektrischen Signalgenerators des Bolometers zu berücksichtigen. Der Ausgangastrom von Dm- durchfliesst einen Tiefpass Fi₁, dessen Charakteristik die Bandbreite des Systems bestimmt.

Wie ersichtlich beträgt, wenn die beiden Flüsse F und F , welche die Modulatorsektoren Mn und Me passieren und das Bolometer erreichen, gleich sind, die Grundfrequenz des vom Bolometer gelieferten Signals Null, ebenso wie die von Dm₁ herrührende Gleichstromkomponente; die

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Stärke und das Vorzeichen der Komponente, die bei Ungleichheit von Fn und Fs entstellt, !längen von dor DiITorenz der beiden erwähnten Flüsse und vom Vorzeichen dieser Differenz ab.

Der Ausgangsstrom der Demodulatoren wird nach seinem Durchgang durch die Filter den Steuergliedern der Vorrichtungen zugeführt, welche die Lage des Satelfe Uten wiederherstellen sollen.

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Claims

J. 1/1 - '

Patentansprüche;
Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Raum-'Beuges, die ein optisches System, einen elektrooptischen Modulator und einen Infrarotstrahlungsdetektor enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine ringförmige Öffnung aufweist, in der sich der elektrooptische Modulator befindet, der aus mindestens drei Sektoren besteht, wobei die Öffnung durch den Aussendurchmesser eines runden Schirmes und den Innendurchmesser einer runden Blende bestimmt wird, die konzentrisch in der Bildbrennebene des Gebildes angebracht sind, das aus einem Objektiv und einem Kollektor besteht, die aus einem im gewählten Strahlungsband durchlässigen Material hergestellt sind, wobei der Innendurchmesser und der Aussendurchmesser der Öffnung sowie der Ort und die Brennweite des Objektivs und des Kollektors derartig sind, dass das Bündel, das durch die öffnung hindurchgehen kann, im Objektraum durch zwei Kegel mit gegebenem Scheitelwinkel begrenzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Schirmes höchstens gleich dem Durchmesser des vom Schirm empfangenen Bildes des Planeten ist, der als Richtpunkt für die Lagesteuerung dient.

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