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"Einrichtung zur Erzeugung von elektrischen Impulsen" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung von elektrischen Impulsen bei Erfassung
eines Bezugsraumkörper-Horizontes durch einen optischen Sensor eines Raumflugkörpers
zum Zwecke der Lageregelung.
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Solche elektrischen Impulse werden beispielsweise für die Lageregelung
von spinstabilisierten Raumflugkörpern benötigt.
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Spinstabilisierte Raumflugkörper führen zum Zwecke ihrer festen Ausrichtung
auf einen Raumpunkt eine dauernde Drehung um eine Körperachse (Spinachse) aus, während
sie sich auf ihrer Raumflugbahn bewegen. Um nun Signale u. a. für eine eventuell
notwendige Kurskorrektur und damit der Ausrichtung der Spinachse zu erhalten, sollen
von auf dem Raumflugkörper angeordneten Meßinstrumenten immer dann Impulse ausgegeben
werden, wenn sich der Raumflugkörper in bestimmten Positionen gegenüber dem Bezugs-Raumkörper
befindet. Diese Positionen
sind durch den Ein- bzw. den Austritt
des Bezugsraumkörper-Horizontes in das Gesichtsfeld des Meßinstrumentes gekennzeichnet.
Als Meßinstrumente werden dabei strahlungsempfindlichte Detektoren in Verbindung
mit einem optischen Abbildungssystem verwendet, die die Strahlung des Bezugsraumkörpers
erfassen und in elektrische Impulse umwandeln. Das gesamte Meßinstrument wird als
Sensor bezeichnet.
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Bei solchen Raumflugkörpern, denen die Erde als Bezugsraumkörper zugeordnet
ist, hat es sich nun als besonders günstig herausgestellt, die Eigenstrahlung des
in der Lufthülle der Erde enthaltenen C02 als Bezugsstrahlung heranzuziehen. Es
ist nämlich festgestellt worden, daß diese Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen
14 und 16 t m in einer Höhe von 60 km über der Erdoberfläche (Tangentenhöhe) beginnt
und in einer Tangentenhöhe von 20 km ein dann konstant bleibendes Maximum erreicht.
Wird also diese Strahlung als von dem Meßinstrument zu erfassende Bezugsstrahlung
herangezogen, so ist gewährleistet, daß ein derart abgegebenes Lagesignal von dem
meteorologischen Geschehen auf der Erde, insbesondere von der Wolkenbildung, unbeeinflusst
bleibt.
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Als Strahlungsdetektoren können an sich bekannte Infrarot-Detektoren
zur Anwendung kommen, von denen besonders zwei Typen, nämlich der pyroelektrische
Detektor und das Thermistor-Bolometer, zu nennen sind.
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Während der Drehung des Raumflugkörpers könnte nun auch ein anderer
als der Bezugsraumkörper, beispielsweise der Mond oder die Sonne, in das Gesichtsfeld
des Detektors gelangen.
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In diesem Fall würde deren Strahlungsenergie eine Feheranzeige in
dem Detektor verursachen.
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Solche durch andere Himmelskörper bewirkte Stsrsignale sind aber unbedingt
zu vermeiden, und die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin,
eine Einrichtung der oben bezeichneten Art zu schaffen, die solche Störsignale auf
beiden Fall unterdrückt und die ein definiertes lagebestimmendes Signal abzugeben
in der Lage ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
an dem Raumflugkörper zwei die Strahlung eines Bezugsraumkörpers erfassende Sensoren
angeordnet sind, die Detektoren kleinen Gesichtsfeldes mit im Winkel gegeneinander
verstellten optischen Achsen und eine gemeinsame Koinzidenzstufe aufweisen, an deren
Ausgang ein Impuls nur bei gleichzeitigem Vorliegen von Signalen aus beiden Detektoren
erscheint.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß Signale von anderen Störobjekten,
die im Verhältnis zu dem Bezugsraumkörper im allgemeinen sehr viel weiter entfernt
und daher unter einem verhältnismässig kleinen Winkel gesehen werden, nur jeweils
in einem Detektor erscheinen können und somit in der Eoinzídenzstufe unterdrückt-werden.
Gemäß der Erfindung soll nun der Winkel zwischen den Gesichtsfeldbegrenzungen der
Detektoren größer/gleich dem Winkel gewählt sein, unter dem ein störender Raumkörper
den Detektoren erscheint. Einem Erdsatelliten erscheinen beispielsweise Sonne und
Mond, die beiden möglichen Störobjekte, unter einem Winkel von 0,5°. Der Winkel
zwischen den Begrenzungen der Gesichtsfelder der beiden Detektoren müßte also größer
oder zumindest gleich 0,5° sein, und wenn für(die Detektoren ein Gesichtsfeld von
10 angenommen wird, muß der Winkel zwischen den optischen Achsen der beiden Detektoren
größer/gleich 1,50 sein.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß ein aus
zwei mit Abstand voneinander angeordneten strahlungsempfindlichen
Elementen
bestehender Doppeldetektor in einem Gehäuse angeordnet ist, das ein beiden Elementen
gemeinsames Objektiv auf weist. So wird ein verhältnismässig einfacher und wenig
aufwendiger Aufbau des optischen Systems der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielt.
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Weiterhin soll zweckmässigerweise ein Interferenzfilter vorgesehen
sein, das die Strahlung des Bezugsraumkörpers im nicht interessierenden Wellenlängenbereich
ausblendet. Das Interferenzfilter kann dabei als besondere Baueinheit dem Objektiv
vor- oder nachgeschaltet sein, es ist aber auch möglich, die entsprechenden Filterschichten
auf die Linse direkt aufzudampfen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß den
Detektoren jeweils eine aus einem Vorverstärker und einem Hauptverstärker bestehende
Verstärkerstufe nachgeschaltet ist, an deren Ausgang eine elektronische Weiche vorgesehen
ist, von der aus die in der Verstärkerstufe erzeugten positiven und negativen Impuls
anteile auf getrennten Wegen Schwellwertschaltern zugeführt werden, die ein Signal
zur Triggerung von nachgeschalteten Monoflops bei jeweils halber Impulshöhe abgeben
und daß je eine Koinzidenzstufe für den positiven und den negativen Anteil der auf
den den beiden Detektoren zugeordneten Kanälen erscheinenden Impulse vorgesehen
ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung gibt also am Ausgang der Endstufe
ein klar definiertes Signal ab, und zwar z. B. ein positives, wenn eine bestimmte
Stelle des Horizontes des Bezugsraumkörpers in das Gesichtsfeld der Detektoren tritt,
und ein negatives, wenn sie auf der anderen Seite des Raumkörpers das Gesichtsfeld
der Detektoren wieder verlässt.
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Diese Stelle ist dadurch bestimmt, daß an ihr gerade die Hälfte des
Strahlungsmaximums erreicht wird; bei der Erde
würde dies etwa einer
Tangentenhöhe von 40 km entsprechen.
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Bei anderen Himmelskörpern ohne Gashülle kann der Horizont auch dem
geometrischen Horizont entsprechen.
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Darüber hinaus schlägt die Erfindung vor; daß die Monoflops eines
jeden Kanals mit einer einen Hilfsausgangsimpuls abgebenden Endstufe verbunden sind.
Die Hilfsausgänge, die im Falle des Versagens des Hauptausganges automatisch oder
ferngesteuert durch besonderen Befehl eingeschaltet werden können, erlauben auch
dann noch ein Arbeiten mit der Einrichtung, wenn einer der beiden Kanäle oder ein
Teil der Koinzidenzstufe ausfallen sollte. Allerdings können in diesem Fall Störungen
durch andere Raumkörper auftreten.
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Diese Einrichtung ergibt somit eine wesentliche Erhöhung der Redundanz.
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Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung soll dem Hauptverstärker ein
die Impulshöhe automatisch regelndes Regelglied zugeordnet sein. Diese Regelung
kann durch eine Rückführung des Ausgangssignals des Hauptverstärkers über einen
Gleichrichter und ein Zeitglied auf den Regel eingang des Hauptverstärkers erfolgen.
Das Ausgangssignal des Regelgliedes kann weiterhin den Schwellwertschaltern zur
Verstellung der Schwellenwerte zuführbar sein. Mit diesen Mitteln wird erreicht,
daß unabhängig von etwa auftretenden Änderungen der Strahlungsstärke des Bezugsrauskörpers
immer am selben Ort die Ausgangssignale erzeugt werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der
Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, beschrieben und näher
erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 den
Aufbau des optischen Systems der Einrichtung, Fig. 2 den Strahlengang der Detektoren,
Fig. 3 eine Prinzip-Darstellung der Schaltung der Detektoren, Fig. 4 ein Blockschaltbild
der Einrichtung.
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Nach Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 ein aus zwei strahlungsempfindlichen
Elementen 4 und 5 gebildeter Doppeldetektor 3 im Brennpunkt eines aus einer Germanium-Linse
2 bestehenden Objektivs angeordnet. Die beiden strahlungsempfindlichen Elemente
(Detektoren) 4 und 5 des Doppeldetektors 3 weisen dabei einen geringen Abstand voneinander
auf, so daß ihre optischen Achsen, die durch die Verbindung des Flächenmittelpunktes
des Elementes mit dem Mittelpunkt der Linse 2 gebildet werden, einen Winkel einschließen,
dessen Größe sich nach dem Abstand der beiden strahlungsempfindlichen Elemente 4
und 5 voneinander und der Brennweite der Linse 2 bemisst.
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Die Verbindungslinien zwischen dem Linsenmittelpunkt und den Rändern
der strahlungs empfindlichen Elemente 4 bzw. 5 begrenzen das Gesichtsfeld, das bei
den hier verwendeten Detektoren optimal bei einem Winkel von ca. 1 0liegt (boi der
Erde als Bezugsraumkörper).
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Die Gesichtsfelder der beiden Detektoren schließen nun, wie in Fig.
2 in stark übertriebener Darstellung zu erkennen ist, einen Winkel ein, der je nach
Einsatzort des Raumflugkörpers und der Größe der möglicherweise störenden Raumkörper
so bemessen sein muß, daß die störenden Raumkörper keinesfalls in das Gesichtsfeld
beider Detektoren gelangen können. So müssen beispielsweise für einen Erdsatelliten
die zueinander in Beziehung stehenden Abmessungen, nämlich Abstand der strahlungsempfindlichen
Elemente untereinander, Elementen fläche und Linsenbrennweite so gewählt sein, daß
die optischen Achsen der beiden Elemente einen Winkel von mindestens
1,50
bilden (bei je 10 Gesichtswinkel), also zwischen den Gesichtsfeldern, die in Fig.
2 durch die Linien 8 für das Element 5 und die Linien 9 für das Element 4 begrenzt
sind, ein Winkel von-mindestens0,50 verbleibt. Auf diese Weise können weder Sonne
noch Mond, die beide unter dem Winkel von 0,5° erscheinen, eine gleichzeitige Anzeige
in beiden Detektoren bewirken.
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Das Gehäuse 1 weist gemäß Fig. 1 weiterhin noch ringförmige, als Lichtfallen
wirkende Rippen 7 auf, die eine Beaufschlagung des Doppeldetektors 3 durch schräg
einfallende, von den Wänden reflektierende Strahlung verhindert. Der Linse 2 ist
darüber hinaus ein Interferenzfilter 6 vorgeschaltet, das die nicht interessierenden
Wellenlängen außerhalb des Bereiches zwischen 14 und 16 m ausblendet, so daß nur
die Eigenstrahlung des CO2 in den oberen Schichten der Atmosphäre bis zum Doppeldetektor
3 gelangt.
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Anstelle des Interferenzfilters 6 wäre es auch möglich, die Linsen
2 selbst mit einer entsprechenden Filterschicht zuverstehen, die durch Aufdampfen
auf eine der Linsenoberflächen aufgebracht wird.
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Die Prinzipdarstellung nach Fig. 3 zeigt, daß den beiden strahlungsempfindlichen
Elementen 4 und 5 je ein eigener Meßwertverarbeitungskanal 12 bzw. 13 nachgeschaltet
ist und daß die Ausgänge der beiden Kanäle über eine Koinzidenzstufe 10 zu einem
Haupt-Impulsausgang 11 führen. Am Raupt-Impulsausgang 11 erscheint jedoch nur dann
ein Impuls, wenn am Eingang der Koinzidenzstufe 10 gleichzeitig von beiden Kanälen
12 und 13 ein Impuls ansteht (Und-Bedingung).
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Zusätzlich sind noch zwei Hilfsausgänge 14 und 15 vorgesehen, die
bei Ausfall eines der beiden Kanäle 12 bzw. 13 oder der
Koinzidenzstufe
10 eingeschaltet werden können und über die dann immer noch ein Impuls abgegeben
werden kann.
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Wie der Aufbau dieser Schaltung im einzelnen aussieht, ist in der
Fig. 4 näher dargestellt. Die beiden, den strahlungsempfindlichen Elementen 4 und
5 nachgeschalteten MeBwertverarbeitungskanäle 12 und 13 sind völlig identisch und
weisen einen Vorverstärker 16, einen Entzerrer 17 (bei Verwendung von Thermistor-Bolometern
als Detektoren können diese Entzerrer wegfallen), einen mit einem Hochpaß- und einem
Tiefpaßglied ausgerüsteten Hauptverstärker 18, eine elektronische Weiche 20, Schwellwertschalter
21 und Monoflops 22 auf. Ein Regelglied 23, das einen Gleichrichter und ein Zeitglied
umfasst und mit dem Ausgang des Hauptverstärkers 18 verbunden ist, ist an den Regeleingang
des Verstärkers 18 angeschlossen und ist weiterhin mit den Schwellwertschaltern
21 zu deren BeaufschLagung mit Regelsignalen verbunden.
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Die Koinzidenzstufe 10 weist zwei goinzidenzglieder 24 und 25 auf,
von denen das eine 24 für die positiven Impulse der Kanäle 12 und 13 vorgesehen
ist, während das andere 25 mit den die negativen Impulse führenden Zweigen der Kanäle
12 und 13 verbunden ist. Beide Koinzidenzglieder 24 und 25 steuern eine Endstufe
26 an, an deren Ausgang 11 der Hauptausgangsimpuls erscheint. Daneben sind noch
die Hilfsausgänge 14 und 15 vorgesehen, wobei der Ausgang 14 über eine Endstufe
27 vom Kanal 12 und der Ausgang 15 über eine Endstufe 28 vom Kanal 13 angesteuert
wird.
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Im folgenden soll nun die Wirkungsweise und die Signalverarbeitung
für eine in einem Erdsatelliten eingebaute erfindungsgemäße Einrichtung näher erläutert
werden.
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Das am Detektorausgang erscheinende Signal ändert sich innerhalb der
Zeit, während der das Detektorgesichtsfeld aus dem Weltraum kommend sich dem Erdhorizont
nähert, von Null (entsprechend Weltraum) auf sein Maximum (entsprechend 20 km Tangentenhöhe)
und fällt dann, nachdem es bei Uberstreichung der Erdoberfläche etwa konstant geblieben
ist, wieder auf Null ab. Dieses Detektorsignal wird in dem rauscharmen Vorverstärker
16 verstärkt und gegebenenfalls (bei Verwendung eines pyroelektrischen Detektors)
in dem Entzerrer 17 entzerrt, dem Hauptverstärker 18 zugeführt. Die weniger wichtigen
hohen und tiefen Frequenzanteile werden in den im Hauptverstärker 18 enthaltenen
Xief- bzw. Hochpaßgliedern unterdrückt, so daß schließlich am Ausgang des Hauptverstärkers
18 ein Signal erscheint, das je Umlauf aus zwei Spitzen-Impulsen unterschiedlicher
Polarität besteht, wobei der positive Impuls dem Anstieg des Detektorausgangssignals
von Null auf das Maximum und der negative Impuls dem Abfall von Maximum auf Null
entspricht. Die Polarität dieser Impulse gibt also eine Information über die Reihenfolge
des Durchgangs von Erdhorizont und Weltraum durch das Detektorgesichtsfeld. Und
zwar gibt der positive Impuls an, daß erst der Weltraum und danach der Erdhorizont
in das Detektorgesichtsfeld gelangten, während beim negativen Impuls die Reihenfolge
umgekehrt ist.
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Die positiven und negativen Impulse werden dann von der elektronischen
Weiche 20, die aus zwei Gleichrichtern bestehen kann, voneinander getrennt und den
Schwellwertschaltern 21 zugeführt, die bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes
des Eingangssignals ein Ausgangssignal abgeben. Dieser Schwellenwert liegt hier
bei halber maximaler Impulshöhe (entsprechend 40 km Tangentenhöhe). Mit
den
Ausgangssignalen der Schwellwertschalter 21 werden Monoflops 22 (monostabile Multivibratoren)
getriggert, die zur Erzeugung exakter Rechteckimpulse dienen. Die Schwellwertschalter
21 und die Monoflops 22 müssen für den positiven und den negativen Impuls getrennt
vorgesehen sein.
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Die von den Monoflops 22 erzeugten Impulse beider Kanäle 12 und 13
gehen dann der Koinzidenzstufe 10 mit den beiden Koineidenzgliedern 24 und 25 zu,
die jeweils nur bei gleichzeitigem Vorliegen von Impulsen aus beiden Kanälen diese
auf die Endstufe 26 mit dem Ausgang 11 durchschalten.
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Die positiven und negativen Impulse jedes Kanals 12 bzw. 13 können
aber auch auf die Endstufen 27 bzw. 28 mit den Hilfsausgängen 14 bzw. 15 durchgeschaltet
werden, so daß auch bei Versagen eines Kanals oder der Koinzidenzstufe 10 immer
noch Ausgangsimpulse, die allerdings nun durch Störobjekte verfälscht werden können,
abgegeben werden.
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Da nun die von dem Detektor erfasste Strahlungsstärke vom geographischen
Ort und von der Jahreszeit abhängig ist und daher die Impulshöhe nicht von sich
aus exakt konstant bleibt, wird der Ausgang des Hauptverstärkers 18 über das einen
Gleichrichter und ein Zeitglied enthaltende Regelglied 23 auf den Regeleingang des
Hauptverstärkers 18 zurückgeführt.
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Diese Regelung ist der Schwundreglung eines Hochfrequenzempfängers
vergleichbar. Durch diese Rückführung wird die Impulshöhe des Ausgangssignals des
Hauptverstärkers nahezu konstant gehalten. Dieses im Regelglied 23 erzeugte Signal
kann zusätzlich noch den Schwellwertschaltern 21 zur Verstellung der Schwellenwerte
zugeführt werden, um auch auf diese Weise zu erreichen, daß der Triggerimpuls immer
bei Erreichen der halben Impulshöhe ausgelöst wird, also immer
zu
einem Zeitpunkt, der einer Tangentenhöhe von 40 km entspricht.
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Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen also darin1
daß infolge der Triggerung bei einer Tangentenhöhe von 40 kr der Triggerzeitpunkt
vom meteorplogischen Geschehen unbeeinflusst bleibt, da ein Meßfehler durch Wolkenbildung
nicht auftreten kann. Meßfehler durch Sonne und Mond oder andere Störobjekte sind
durch die Winkelstellung der beiden Meßdetektoren und die nachfolgende Und-Schaltung
der Ausgangsimpulse vollkoen ausgeschaltet. Ein weiterer, gerade in der Raumfahrt
nicht zu übersehender Vorteil ist darin zu sehen, daß alle wichtigen Komponenten
doppelt vorhanden sind, so daß dieses System gegenüber solchen mit Einfachdetektoren
eine wesentlich erhöhte Redundanz bietet.
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11 Seiten Beschreibung 9 Patentansprüche 2 Bl. Zeichnung mit 4 Figuren