DE2404021A1

DE2404021A1 - Vorrichtung zum bestimmen der lage eines ersten koerpers in bezug auf die eines zweiten koerpers

Info

Publication number: DE2404021A1
Application number: DE2404021A
Authority: DE
Inventors: Francois Devignes; Marcel Georges Hebert
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1974-01-29
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE2404021B2; JPS6025320B2; GB1453785A; JPS49107612A; IT1007167B; FR2216561A1; US3952208A; DE2404021C3; FR2216561B1

Description

FPHN.

cobb/vg/jv

Dr. Π_Β-!.,·ΓΙ Selftlt '· ' 22-1

lCa.: N.V. Philips'^!oV'.ciT-periiribnsken

Aide No., PHN- 6934
Anroaldunavora; 28. Jail. 1974

"Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines ersten Körpers in bezug auf die eines zweiten Körpers".

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines ersten Körpers in bezug auf die eines zweiten Körpers, welche Vorrichtung einen Teil des ersten Körpers bildet und einen sich periodisch bewegenden Spiegel und ein Objektivsystem zur Erzeugung eines sich periodisch bewegenden Bildes des zweiten Körpers auf einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem sowie eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung des Detektorsignals zu einer Lagenanzeige enthält.

Die Erfindung wird insbesondere, aber nicht aus-

schliesslich zujr Regelung der Lage eines künstlichen Satelliten in bezug auf die Erde Verwendet.

Bei den meisten Satellitenanwendungen muss die. Erde beobachtet werden und ist eine grosse Kommunikationsdichte mit auf der Erde angeordneten Sender/Empfängern erforderlich;

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es 1st an Fernmeldesatelliten zu denken. Es ist dabei wichtig, dass die Sender/Empfänger eine möglichst grosse Uberstragungskapazität bei einer möglichst kleinen Leitung sauf nähme aufweisen, d.h. dass sie Sende- und Empfangsantennen mit Keulen mit kleinem Öffnungswinkel benutzen. Diese Bedingung macht die Anwendung sogenannter geostationärer Satelliten notwendig; dies sind Satelliten, die in einer Periode von 24 Stunden eine kreisförmige Bahn über den Äquator in einem Abstand von 42,200 km von der Mitte der Erde beschreiben. Um die sich immer verbessernden Fernmeldemittel völlig ausnutzen zu können, müssen die Antennen mit immer grösserer Genauigkeit gerichtet werden können. Es sind denn auch immer genauere Instrumente zur Einstellung der Lage des Satelliten erforderlich. Es sind drei verschiedene Bewegungen des Satelliten in bezug auf die Erde möglich, und zwar das sogenannte Rollen, das- Stampfen und das Schaukeln.

Die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung variiert von Stunde zu Stunde. Um die Effekte dieser Änderungen zu vermeiden und die Lage tagsüber sowie nachts regeln zu können, ist es notwendig, Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 6 yum zu verwenden. Die von der Erde selber emittierte Strahlung ändert sich tagsüber sehr wenig. Damit die ¥olken keine Schwierigkeiten bereiten, wird vorzugsweise nur die Strahlung mit einer Fellenlänge zwischen 14 und 16 /um verwendet, die von Kohlensäuregas auf einer Höhe über etwa 20 km emittiert wird.

Bisher sind zwei verschiedene Vorrichtungen zur· Regelung der Lage eines Satelliten bekannt. In einer ersten Vorrichtung wird von einem Objektiv ein Bild der Erde auf einer

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Anzahl thermischer Detektoren erzeugt. Diese Detektoren sind paarweise einander gegenüber und auf verschiedenen Seiten der Mitte des Bildes der Erde angeordnet. Die Ausgangssignale der einander gegenüber angeordneten Detektoren weisen entgegengesetzte Polaritäten auf. Der Unterschied .· zwischen den AusgangsSignalen der beiden Detektoren ist eine analoge Funktion der Winkelabweichung um die Symmetrieachse, die die beiden thermischen Detektoren miteinander verbindet. In einer zweiten Vorrichtung schwingt ein flacher Spiegel um eine Achse, die senkrecht auf der Linie zu dem Mittelpunkt der Erde steht. Dieser Spiegel reflektiert die von der Erde herrührende Strahlung zu einem Germaniumobjektiv. In dem Brennpunkt dieses Objektivs ist ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Detektor, z.B. ein Bolometer oder ein pyroelektrischer Detektor, angebracht. Indem z.B. mit Hilfe einer kodierten Scheibe die Lagen des Spiegels, die den Zeitpunkten entsprechen, zu denen das Bolometer angibt, dass der Erdhorizont sich über ihn bewegt, bestimmt werden, kann die Lage der Vorrichtung in bezug auf die Achse parallel zu der Drehachse bestimmt werden.

Jede der beiden Vorrichtungen weist einen Vorteil und einen Nachteil auf. Die erste Vorrichtung ist rein statisch und enthält kein einziges bewegbares Glied, was vom Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit günstig ist. In dieser Vorrichtung müssen Gleichspannungsmessungen durchgeführt werden. Der Einfluss der grossen thermischen Spannungen, denen Raumfahrzeuge ausgesetzt sind, auf die Messungen ist dann aber beträchtlich. In der zweiten Vorrichtung wird auf dynamischem Wege gemessen, wodurch

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der Einfluss der thermischen Spannungen viel geringer ist. Die Zuverlässigkeit scheint weniger gross wegen der verhältnismässig hohen Frequenz und der grossen Amplitude, mit der der Spiegel während der ganzen Lebensdauer der Vorrichtung bewegt werden muss.

Eine wichtigere Schwierigkeit, die nur bei einer gründlichen Untersuchung zutage tritt, ist die, dass keine der beiden Vorrichtungen derart aufgebaut werden kann, dass sie sowohl ein grosses Gesichtsfeld als auch eine grosse Genauigkeit aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die von der Erde herrührende Infrarotstrahlung sogar im Vellenlängeiibereich'? von 14 bis 16 /um nicht gleichmässig ist. So hat es sich als besonders schwierig erwiesen, eine Vorrichtung zu entwerfen, die eine grössere Genauigkeit als 0,05 und dabei, ein Gesichtsfeld von mehr als 1° aufweist. Eine derartige Vorrichtung ist viel verwickelter und somit weniger zuverlässig als die bisher verwendeten Vorrichtungen.

Die Erfindung bezweckt, eine einen schwingenden

Spiegel enthaltende Vorrichtung mit grösserer Zuverlässigkeit und einfacher Bauart zu schaffen. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem aus mindestens einer Reihe strahlungsempfindlicher Detektoren besteht, die in der Bewegungsrichtung des Bildes eine derartige Abmessung aufweisen und deren gegenseitiger Abstand in dieser Richtung derartig ist, dass sich das Bild des zweiten Körpers über höchstens zwei Detektoren verschiebt.

Die.Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungs-

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beispiel zur Anwendung in einem künstlichen Satelliten an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein optisches System nach der Erfindung,

Fig. 2 die Wirkungsweise dieses Systems, und

Fig. 3 die Weise, in der die aus diesem System erhaltenen Signale verarbeitet werden können.

Ausser zur Regelung der Lage eines künstlichen Satelliten in bezug auf die Erde kann die Erfindung im allgemeinen zur Regelung der Änderungen der Lage des ersten Körpers in bezug auf die des zweiten Körpers, der als Referenz dient, verwendet werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält einen flachen ₍ Spiegel 11, der um eine Achse A schwingt. Der Spiegel 11 reflektiert die von der Erde emittierte Strahlung zu dem Objektiv 12. Der Scheindurchmesser der Erde ist gleich 2 Q. Die Schwingung des Spiegels wird von magnetischen, piezoelektrischen oder sogar elektrostatischen Antriebsmitteln aufrechterhalten. Im allgemeinen bestehen diese Mittel aus einem Generator 13 und einem Erreger 14. Mittels eines Bewegungsdetektors 15 kann dafür gesorgt werden, dass der Generator 13 die richtige Schwingungsfrequenz liefert.

Das von dem Objektiv herrührende Strahlungsbündel passiert ein Durchlassfilter 16 (das zur Optimalisierung der Schärfe der Umrisse des erzeugten Bildes dient), ehe es einen zusammengesetzten strahlungsempfindlichen Detektor 17 erreicht. Im dargestellten Beispiel besteht der detektor aus einer Anzahl auf einer zu der Schwingungsachse des Spiegels senkrechten Linie

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angeordneter Detektoren. Die Detektoren sind derart angeordnet, dass der Rand des von dem Objektiv erzeugten Bildes, z.B. das Bild des Übergangs Erde/Raum, sich über die Detektoren bewegt, wenn die Lage des Satelliten in bezug auf die Erde richtig ist, wobei der Satellit ausserdenr diese Schwingungsachse nahezu
senkrecht kreuzt.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Reihe von Detektoren. Der zusammengesetzte Detektor enthält η Detektoren 17i .... 17 j deren gegenseitiger Abstand dy durch die Abmessungen eines Detektors bestimmt wird, wobei diese "Abmessungen, wie aus Nachstehendem hervorgehen wird, die Auflösung der Messystems
definieren.

Wenn davon ausgegangen wird, dass

2 θ = der Scheindurchmesser der Erde,

f = die Brennweise des Objektivs, " .

dy = der gegenseitige Abstand der η Detektoren,

die Reihe von Detektoren auf die in Figuren 1 und 2 dargestellte Weise orientiert ist, d.h., dass sich das Bild
der Erde nahezu senkrecht über sie verschiebt, und man beabsichtigt, dass ein einziger Detektor ( 17j) oder höchstens zwei Detektoren (i7j und 17j+i) modulierte Strahlung empfangen,
muss die Schwingungsamplitude (⁽i^a) des Spiegels durch da=dy/4f gegeben werden. Die Modulation wird durch die periodische Ablenkung des Bildes des Übergangs Erde/Raum über die Detektoren herbeigeführt. Diese Modulation ist synchron mit der Spiegelbewegung.

Aus Obenstehendem geht hervor, dass das abgetastete

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Feld von der Schwingungsamplitude des Spiegels unabhängig ist; dieses Feld wird lediglich durch die Länge der Reihe von Detektoren bestimmt«, Weiter ist die Amplitude, mit der der Spiegel schwingt j sehr klein. Diese Amplitude wird durch den ,gegenseitigen Abstand der Detektoren und also durch ihre Abmessungen bestimmt.

Es ist einleuchtend, dass, wenn die Reihe von Detektoren in ihrer eigenen Ebene eine andere Richtung in bezug auf die Schwingungsachse des Spiegels einnimmt, die Schwingungsamplitude des Spiegels durdh da = dy/4f.x gegeben wird, wobei χ eine Funktion des Winkels zwischen der Schwingungsachse des Spiegels und der Orientationsrichtung der Reihe von Detektoren ist. Wenn dieser Winkel gleich^ ist, ist χ gleich sin Q\ .

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann auch ausserhalb des Gebietes von SateHitenrichtsystemen Anwendung finden. Dabei kann das vom Objektiv erzeugte Bild eine beliebige geometrische Form aufweisen, während die Umrisse dieses Bildes einen beliebigen Winkel mit der Schwingungsachse des Spiegels einschliessen können, wobei die Richtung der Reihe von Detektoren in bezug auf diese Schwingungsachse beliebig gewählt sein kann. Der Fachmann kann die Amplitude, mit der der Spiegel schwingen muss, leicht berechnen.

In der Praxis kann die Reihe von 'Detektoren 17 aus einer Reihe von dreissig Bolometern rechteckiger Gestalt (0,26 mm χ 1,o4 mm) bestehen. Der gegenseitige Abstand der Detektoren ist also gleich 0,26 mm. Dieser Abstand entspricht 0,52 mrd oder etwa 0,03 im Gegenstandsraum. Mit den dreissig Bolometern kann ein Feld von 0,9 abgetastet Airerden. Für die Brennweite des Objektivs kann 0,5 m gewählt werden. Die Am-

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- plitude der Schwingungsbewegung des Spiegels liegt dann in der Grössenordnung von 0,01°. Dadurch wird die Aufgabe der Erfindung erfüllt: Beschränkung der Bewegung des Spiegels auf eine Bewegung mit einer Amplitude in der Grössenordnung von Mikrons, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems beträchtlich ist.

Fig.3 z-eigt in Form eines Blockschaltbildes eine Ausführungsform, einer elektronischen Verarbeitungsschaltung. Jeder Detektor, wie 17j» 17j+1t der Reihe von Detektoren ist mit einem ¥echselsjiEX3mvßgstärker, wie 31 3, 31J+1» verbunden, der das Signal auf einen genügend hohen Pegel bringt, um weiter verarbeitet zu können werden, Diese Verstärker können gegebenenfalls ein Filter mit einem verhältnismässig kleinen Durchlassband um die Schwingungsfrequenz des Spiegels enthalten.

Jeder ¥echselstromverstärker ist mit einem synchronischen elektronischen Detektor, wie 32j, 32j+1, verbunden, dessen Phasenreferenz rp von dem Generator 13 geliefert wird, der die Bewegung des Spiegels aufrechterhält.

Es wurde bereits bemerkt, dass das Bild des Bandes der Erde von einem einzigen strahlungsempfindlichen Detektor oder von höchstens zwei strahlungsempfindlichen Detektoren empfangen wird und dass diese(r) Detektor^) dann ein moduliertes Ausgangssignal liefert (liefern), das mit der Schwingungsbewegungen des Spiegels gleichphasig ist. Wenn die Phasenreferenz für die Elemente 32j, 32j+1 von dem Generator 13 geliefert wird, wird (werden) nur das Ausgangssignal (die Ausgangssignale) des elektronischen Detektors oder der beiden

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elektronischen Detektoren, der (die) mit dem (den) strahlungsempfindlichen Detektor(en) verbunden ist (sind), der (die) periodisch das Bild der Erde emp'fängt (empfangen), ein Signal liefern.

Jeder Synchrondetektor wird mit einem der beiden Eingänge eines UND-Gatters, wie 3^j, 3^3+1, gegebenenfalls über einen Tiefpass, wie 33j, 33J+1, gekoppelt, der die Pendelungen infolge des Rauschens des strahlungsempfindlichen Detektors und des Verstärkers herabsetzt.

Die mit den elektronischen Detektoren gekoppelten UND-Gatter weisen zwei Eingänge auf und werden nacheinander von Taktimpulsen h durchlässig gemacht, die dem Schieberegister 35 zugeführt werden. Dieses Schieberegister ist mit einer selektiven Dekodierschaltung 36 verbunden, deren η Ausgänge mit den zweiten Eingängen der η UND-Gatter, wie 3^j und 3^j+1» ve rbunden s ind.

Die Ausgänge der η UND-Gatter sind mit den Eingängen.·· eines Pegeldetektors 37 verbunden, der derart eingestellt ist, dass er ein Signal liefert, wenn am Eingang ein Spannungswert auftritt, der dem eines Signals entspricht, das von einem synchronen elektronischen Detektor geliefert wird, wenn der strahlungsempfindliche Detektor, dem dieser elektronische Detektor zugeordnet ist, das periodisch abgelenkte Bild des Bandes der Erde empfängt.

Das vom Pegeldetektor gelieferte Signal wird dem Steuereingang eines UND-Gatters 38 zugeführt, dem überdies die reihenmässigen Inhalte des Schieberegisters zugeführt werden.

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Am Ausgang des UND-Gatters 38 tritt ein Messignal TM in digitaler Form auf, das einer Rangnummer eines strahlungsempfindlichen Detektors (oder der beiden Detektoren) entspricht, der (die) das Bild des Randes der Erde empfängt (empfangen).

Eine praktische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung wies die folgenden Merkmale auf:

- die Schwingungsfrequenz des Spiegels war 10 Hz, was für die gewählte Bewegungsamplitude in der Grossenordnung von 0,01 in bezug auf die Zuverlässigkeit während längerer Zeit für einen sehr robus ten Biegungsmechanismus gar keine Probleme ergibt;

- das Objektiv war ein Cassegrain-System mit einem

Durchmesser von.7 cm, einer Eintrittspupille von

2
38,5 cm , einem Übertragungsfaktor von 0,8 und einer Brennweite von 0,5 m;

- das Filter wies einen Ubertragungsfaktor von O,8 auf j

- die Vorrichtung konnte für Strahlung mit Wellenlängen von 9 Ms 25 /um verwendet werden;

- die Frequenz der Taktimpulse h war 16,7 msec. Die erhaltenen Leistungen sind dann folgende:

- Ansprechempfindlichkeit eines Bolometers 4.10~ V eff

- Genauigkeit 0,05 ·

Die obenbeschriebene Vorrichtung liefert nur Information über die Abweichung längs einer Achse, z.B. der Achse, längs deren eine Rollbewegung oder die Achse, längs

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deren eine Stampfbewegung auftritt. Es kann notwendig sein, Information über Abweichungen längs zwei Achsen (Rollen und Stampfen) zur Verfügung zu haben. Diese Information kann dadurch erhalten werden, dass:

- zwei Reihen strahlungsempfindlicher Detektoren verwendet, welche Reihen miteinander einen Winkel

von 90 einschliessen, und

- dem Spiegel eine Bewegung gemäss zwei zueinander senkrechten Schwingungsachsen erteilt wird.

Auch ist.es möglich, vier Reihen strahlungsempfindlicher Detektoren zu verwenden, die paarweise in zwei zueinander senkrechten Richtungen derart angeordnet sind, dass das Bild des Übergangs Erde/Raum sich über die Detektoren bewegt. Das Bild wird periodisch und synchron mit der Bewegung eines schwingenden Spiegels abgelenkt. Die Schwingungsachse des Spiegels schliesst einen Winkel von 45 mit den Richtungen der Reihen von Detektoren ein.

Die obenbeschriebene Ausführungsform ist nur ein Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung. Abwandlungen, insbesondere in bezug auf die Bewegung des Spiegels, die Anzahl und die Richtung der Reihen von Detektoren und die Details der elektronischen Verarbeitungsschaltung sind im Rahmen der Erfindung möglich.

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Claims

Patentansprüche:

1,J Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines ersten

Körpers in bezug auf die eines zweiten Körpers, welche Vorrichtung einen Teil des ersten Körpers bildet und einen sich periodisch bewegenden Spiegel und ein Objektivsystem zur Erzeugung eines sich periodisch bewegenden Bildes des zweiten Körpers auf einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem sowie eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung des Detektorsignals zu einer Lagenanzeige enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem aus mindestens einer Reihe strahlungsempfindlicher Detektoren besteht, die in der Bewegungsrichtung des Bildes eine derartige Abmessung aufweisen und deren gegenseitiger Abstand in dieser Richtung derart gross ist, dass sich das Bild des zweiten Körpers über höchstens zwei Detektoren verschiebt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Amplitude (da) der Schwingungsbewegung des Spiegels

dy
durch da = t-j gegeben wird, wobei

- d}»· = der gegenseitige Abstand der Detektoren,

- f = die Brennweite der Linse,

- χ = Funktion des zwischen der Schwingungsachse des Spiegels und der Richtung der Reihe von Detektoren eingeschlossenen Vinkels.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Detektionssystem aus zwei zueinander senkrechten Reihen strahlungsempfindlicher Detektoren besteht und dass der Spiegel um zwei Achsen parallel zu den Richtungen der Reihen schwingt.

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h. Vorrichtung nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

zeichnet, dass das strahlungsempfindliche Detektionssystem aus vier Reihen strahlungsempfindlicher Detektoren besteht, die paarweise in zwei zueinander senkrechten Richtungen angeordnet sind, und dass der Spiegel um eine Achse schwingt, die mit den Richtungen der Reihen von Detektoren einen Winkel von 45 einschliesst.

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