DE3214375C2 - Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Satelliten - Google Patents

Abstract

Es soll die Lage eines Satelliten (1) in bezug zu einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (5) festgestellt werden. Hierzu dient ein auf die Strahlung ansprechender Sensor (2, 12). Vor dem Sensor (2, 12) in Richtung auf die Strahlungsquelle (5) hin ist ein Zerhacker (16) angebracht, welcher alternierend, obere und untere optische Fenster (11a, 11b) der Einrichtung öffnet. Die optischen Fenster (11a, 11b) sind so ausgerichtet, daß die obere und untere Kontur (15) der Strahlungsquelle (5) mit Sichtfeldern (13, 14) gleichmäßig abgedeckt ist. Wenn keine Lageabweichung vorhanden ist, so führt dies zu einem Ausgangssignal von 0 Volt, da der Energieeinfall in den zugehörigen Öffnungsperioden des oberen und unteren optischen Fensters (11a, 11b) gleich groß ist. Bei Abweichungen stellt sich ein Lageregelungssignal ( ΔV) ein, da dann unterschiedlicher Energieeinfall am oberen und unteren optische Fenster (11a, 11b) die Folge ist.

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß durch das erste optische Fenster (Wa) die Strahlung eines ersten Randbereiches (13) der Strahlungsquelle (15) erfaßt wird,

— daßcfa zweites optisches Fenster (lib) vorhanden ist, durch welches ein zweiter, dem ersten gegenüberliegender Randbereich (14) der Strahlungsquelle (15) erfaßt wird, und

— daß der Zerhacker (16,17) periodisch das erste optische Fenster (Wa) freigibt und dabei das zweite optische Fenstern ty verdeckt und umgekehrt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhacker (16, 17) aus einer von einer Fedet gehaltenen Zerhackerscheibe (16) und einem Elektromagneten (17/ besteht, durch den mittels eines Sinus-Generctors (18) die Zerhackerscheibe (16) periodisch hin- und her -ewegbar ist, und daß mit dem Ausgang des Sensors (12) ein Synchrondetektor (20) verbunden ist, dem das verstärkte Ausgangssignal des Sensors (12) und ein bei jeder Aktivierung der Zerhackerscheibe (16) von dem Sinus-Generator (18) abgegebenes Synchronsignal zugeführt wird.

diese Einrichtung aber auch ein Signal für die Fehllage des Satelliten in zwei zueinander senkrechten Richtungen.

Notwendig ist für eine derartige Einrichtung allerdings ein hochauflösender großflächiger Sensor, da genaue Ergebnisse nur dann erzielt werden können, wenn in der gesamten Fläche des Sensors die Strahlungsquelle punktförmig abgebildet wird. Für diese punktförmige Abbildung innerhalb der relativ großen rechteckigen Räche des optischen Fensters ist auch ein schweres hochauflösendes optisches System vonnöten.

Eine andere Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Satelliten in bezug zu einer Strahlungsquelle (Erde) ist aus dem Buch von J.R. Wertz »Spacecraft

is Attitude Determination and Control«, Dordrecht, 1980 D. Reidel Publishing Company S. 180 bekannt und in F i g. 1 schematisch dargestellt Diese Einrichtung weist keine beweglichen Teile auf. In F i g. 1 sind mit 9a und 9b die Sichtfelder zweier feststehender Sensoren in dem Satelliten bezeichnet, welche Infrarotstrahlung auffassen können. Mit 10a und 106 sind ähnliche Sichtfelder von zwei weiteren ebenfalls gegenüberliegenden Sensoren bezeichnet. Mit Hilfe der Sensoren mit den Sichtfelder 9a und 9b kann die Roll-Lage des Satelliten bestimmt werden, mit den Sensoren mit den Sichtfenstern 10a und 1Oi die Nick-Lage des Satelliten.

Diese Einrichtung hat mithin zwei optische Systeme mit jeweils zwei Sensoren, wobei die Sichtfelder jedes Sensors in der Soll-Lage des Satelliten so ausgerichtet sind, daß sie jeweils Bereiche A und B am Erdrand erfassen, die etwa der Fläche des halben Sichtfeldes entsprechen. Dies ist in F i g. 1 für die Sichtfelder 9a und 9b eingezeichnet; für die Sichtfelder iOa und 106 gilt Entsprechendes.

Für die Roll-Lage kann jetzt eine Energiedifferenz Aw innerhalb der beiden Sichtfelder 9a und 9b festgestellt werden, die proportional zu den jeweiligen Bereichen A und B ist. Es gut demnach:

Aw-(A-B)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Satelliten in bezug auf eine Strahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der US-PS 54 320 bekannt. Diese Einrichtung weist einen die Strahlungsquelle innerhalb eines optischen Fensters erfassenden Sensor auf, wobei die Strahlungsquelle auf den Sensor nahezu punktförmig abgebildet ist. Das rechteckige optische Fenster wird periodisch von einem trapezförmigen Zerhacker abgedeckt und freigegeben. Je nach Lage des punktförmigen Bildes der Strahlungsquelle innerhalb des rechteckigen optischen Fensters kann dann aus dem zeitlichen Verlauf des Sensorausgangssignals ein Lagerregelungssignal für den Satelliten abgeleitet werden, das die Fehllage des Satelliten angibt und zum Rückführen des Satelliten in die Soll-Lage verwendet wird.

Diese Einrichtung ist nur dann zu verwenden, wenn die Strahlungsquelle punktförmig auf eine relativ große Sensorfläche entsprechend der Fläche des optischen Fensters abgebildet werden kann. Ir diesem Falle gibt Ändert sich die Roll-Lage des Satelliten in bezug zur Erde, so ändert sich auch die Größe der von den Sichtfeldern 9a und 9£> aufgefaßten Bereiche entsprechend der oben angegebenen Beziehung. Eine Änderung um den kleinen Winkel Αθ\η der Roll-Lage kann dann ausgedrückt werden zu

ΔΘ ~ Aw = Aw\ —

wobei Awq eine als Referenz dienende Energiedifferenz für die Soll-Roll-Lage des Satelliten ist und Aw\ die Energiedifferenz bei Abweichung aus der Soll-Roll-Lage ist. Die Nick-Lage des Satelliten kann entsprechend bestimmt werden.

Eine derartige Einrichtung ist in der Funktion sehr einfach, da für jede Lage des Satelliten lediglich ein Vergleich der von den beiden Sensoren aufgenommenen Energien aufgrund der festgelegten Sichtfelder vorgenommen wird. Die für jede Lage des Satelliten notwendigen zwei Sensoren weisen jedoch in der Regel unterschiedliche Empfindlichkeit, z. B. aus Herstellungsund auch Alterungsgründen auf; ebenso können die beiden Sensoren im Weltraum unterschiedlichen Temperatüren ausgesetzt sein, so daß die gemessenen Energiedifferenzen mit Fehlern behaftet sind, was zu Fehlern bei der Lagebestimmung führt.
Um diese Fehler auszuschalten, müssen sehr genaue

und aktive Temperaturregelungen, z. B. mitteis Heizung, durchgeführt werden, was zu einer komplizierten Regelungskonstruktion mit Reflexions- und Strahlungsproblemen auch im Satelliten selbst führt. Es stellt sich auch von selbst eine Begrenzung durch die Praxis ein, da es bei den gegebenen Dimensionen des Satelliten praktisch unmöglich ist, in dem Satelliten und der Regeleinrichtung einen vollkommen ausbalancierten Thermalhaushalt sicherzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der in Rede stehenden Art mit einem Zerhakker anzugeben, die mit einfachen Sensoren ohne großen technischen Aufwand realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs definierten Art gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch angegeben.

Eine Einrichtung gemäß der Erfindung weist danach einen einzigen Sensor geringer Fläche auf, auf den über zwei gegenüberliegende kleine optische Fenster mittels des Zerhackers periodisch gegenüberliegende Ränder der Strahlungsquelle, insbesondere der Erde abgebildet werden. Der Zerhacker wird vorteilhaft durch einen Sinus-Generator angesteuert, so daß das Ausgangssignal des Sensors ebenfalls ein Sinus-Signal ist Aus derVerschiebung des Sinus-Signals in Amplituden-Richtung aus einer Normal-Lage kann dann mit Hilfe eines Synchrondetektors ein Ablagesignal des Satelliten und aus diesem ein Lageregelungssignal hergeleitet werden, mit dem der Satellit aus einer Fehl-Lage wieder in die Soll-Lage rückgeführt werden kann.

Mit dem einzigen Sensor wird die erfaßte Strahlung nur im Hinblick auf die Strahlungsenergie ausgewertet; der Sensor ist klein und braucht auch nicht thermisch geregelt zu werden, da etwaige Temperaturdriften sich nur innerhalb einer wesentlich größeren Zeit als der Periode eines Sensorausgangssignals auswirken.

Das für eine Einrichtung gemäß der Erfindung zu verwendende optische System ist ebenfalls sehr einfach aufgebaut; hier brauchen nur kleine Linsen für die relativ kleinen optischen Fenster verwendet zu »,-erden.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung zur Lagebestimmung eines Erdsatelliten;

F i g. 3a und 3b den Signalverlauf des Ausgangssignales eines Sensors in einer Einrichtung gemäß F i g. 2.

Mit 11a, 1 Ib sind in Fig. 2 optische Fenster und mit 12 ein Sensor bezeichnet, der auf Infrarotstrahlung anspricht.

Mit 13 und 14 sind Sichtfenster bezeichnet, mit 15 die Erdkontur, mit 16 eine von einer Blattfeder gehaltene Zerhackerscheibe, mit 17 ein Elektromagnet, der den Zerhacker 16 aktiviert, mit 18 ein Sinus-Generator, mit 19 ein Verstärker und mit 20 ein Synchrondetektor.

Die Sichtfelder 13, 14 der Einrichtung sind so ausgerichtet, daß sie die Erdkontur 15 so überdecken, daß jeweils der gleiche Energiebetrag über das Sichtfeld 13 und das Sichtfeld 14 aufgenommen wird, wenn sich der Satellit in der Soll-Lage bzw. Referenz-Lage befindet.

Der Zerhacker 16 mit der Blattfeder ist vor dem Sensor 12 angebracht und kann durch den Elektromagneten 17 bewegt werden, so daß die von der Erde ausgehende Strahlungsenergie deni Sensor 12 abwechselnd durch die beiden optischen Fenster 11a, Hb zugeführt wird. Der Elektromagnet 17 wird durch den Siunus-Generator 18 angesteuert. Das vom Sensor 12 aufgenommene Signal wird durch den Verstärker 19 verstärkt Dem Synchrondetektor 20 werden das verstärkte Signal und ein Synchronsignal vom Sinus-Generator 18 zugeführt Wenn zwischen den im Sichtfeld 13 bzw. Sichtfeld 14 aufgefaßten Energiebeträgen ein Unterschied besteht, wird ein Signal erzeugt, welches direkt der Lage des Satelliten zugeordnet werden kann.

In F i g. 3 ist das Prinzip der Auswertung des Sensorausgangssignals anhand von Kurvenverläufen dargestellt Befindet sich der Satellit in der Soll-Lage, so erzeugt gemäß F i g. 3a der Sensor ein Sinus-Signa! mit einem positiven Signalanteil 21 und einem gleich großen negativen Signalanteil 22. Der Signalanteil 21 entspricht dem Betrag der Energie, welche durch das optische Fenster 11a entsprechend dem Sichtfe'd 13 während des Intervalles 71 einfällt, in dem der Zerhacker 16 nach unten bewegt worden ist.

Der negative Signalanteil 22 is', entsprechend der Energie zuzuordnen, die durch das optische Fenster 1 \b in dem Intervall T₂ auf dem Sensor einwirkt wenn der Zerhacker 16 in der entgegengesetzten Richtung bewegt worden ist. Bei den jeweiligen Nulldurchgängen deckt die Zerhackerscheibe 16 die Erdkontur 15 gerade ab. Die Umschaltung auf »positive« und »negative« Meßwerte erfolgt durch das Synchronsignal vom Sinus-Generator 18. Wenn keine Abweichung in der Lage des Satelliten vorhanden ist, so sind das positive und negative Signal jeweils gleich, wie F i g. 3a entnehmbar ist, resultierend in einem Normalausgangssignal von 0 Volt.

F i g. 3b zeigt das Sensorausgangssignal bei einer Abweichung der Lage des Satelliten nach »unten«. Daraus folgt, daß der Bereich der Erde, der in dem Sichtfeld 13 aufgefaßt wird, größer ist als der Bereich der Erde, der in dem SichtFeld 14 aufgefaßt wird, so daß das positive Signal 21a größer ist als das negative Meßsignal 22a. Es kann daher ein Lageregelungssignal AV in Abhängigkeit der Lage des Satelliten erzeugt werden, indem das Signal synchron mit den Zeitintervailen Γι und T2 bearbeitet wird. Dies entspricht einer Nullpunktverschiebung um AV, so daß, bezogen auf diesen Wert, die positiven und negativen Signalanteile flächengleich werden.

Wie bereits aufgeführt, kann die Einrichtung nach der Erfindung sowohl für Infrarot als auch fur jede beliebige andere Strahlungsquelle, mithin auch für sichtbares Licht eingesetzt werden.

Selbstverständlich kann statt eines mechanischen Zerhackers 16 auch ein elektronisches Äquivalent eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Satelliten in bezug auf eine kreisförmig berandet erscheinende Strahlungsquelle,

— mit einem die Strahlungsquelle innerhalb eines ersten optischen Fensters erfassenden Sensor,

— mit einem das erste optische Fenster des Sensors periodisch abdeckenden und freigebenden Zerhacker, und

— mit einer Schaltung zur Bildung eines Lageregelungssignals für den Satelliten aus dem zeitlichen Verlauf des Sensorausgangssignals,