DE3330861A1

DE3330861A1 - Vorrichtung zur feststellung von lageaenderungen eines raumflugkoerpers

Info

Publication number: DE3330861A1
Application number: DE19833330861
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl.-Ing. 8011 Siegertsbrunn Birner; Bernd Dipl.-Phys. 8011 Kirchheim Kunkel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1985-03-14
Also published as: FR2551201B1; GB8421211D0; GB2145597A; FR2551201A1; DE3330861C2; GB2145597B

Description

Patentabteilung I 9423

Vorrichtung zur Feststellung von Lageänderungen eines Raumflugkörpers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung von Lageänderungen eines gegenüber einem entfernten, als Lagereferenz dienenden Raumobjekt lagestabiliserten Raumflugkörpers.

Raumflugkörper, insbesondere Satelliten, werden derzeit für die verschiedensten Zwecke eingesetzt. Sie dienen beispielsweise als Nachrichtensatelliten und/ oder zur Gewinnung von Bildinformationen über die Oberfläche gewisser Raumobjekte, so etwa im Falle-von geostationären Satelliten der Erde. Im letzteren Falle müssen die Satelliten mit ihren Aufnahmevorrichtungen gegenüber der Erde sehr genau ausgerichtet sein. Das Raumobjekt Erde dient demnach als Lagereferenz, gegenüber der der Satellit lagestabilisiert sein muß. Um bei der Bildaufnahme eine möglichst hohe Bildqualität zu erzielen, muß verhindert werden, daß der Satellit^ hinsichtlich seiner Lage Schwankungen unterworfen ist. Er muß mit seiner optischen Achse möglichst ständig auf denselben Punkt der Erdoberfläche ausgerichtet sein.

Beginnende Lageänderungen, die infolge unvermeidbarer äußerer Einflüsse häufig auftreten, müssen sofort registriert und durch das Lageregelungssystem kompensiert werden. Dazu ist es zuerst erforderlich, eine beginnende Lageänderung sofort festzustellen, und zwar mit hoher zeitlicher Auflösung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die Lageänderungen des Raumflugkörpers, insbesondere auch nur kleine und kurzzeitig auftretende Lage-

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änderungen, mit hoher Sensibilität und möglichst geringer zeitlicher Verzögerung festzustellen vermag.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung folgende Bestandteile aufweist: Mindestens drei, parallel nebeneinander angeordnete Detektorzeilen sowie Mittel zur Abbildung der Oberfläche des Raumobjektes in die Ebene der Detektorzeilen, die jeweils aus linear hintereinander aufgereihten, die Intensität einfallender elektromagnetischer Strahlung messend registrierenden Detektorelementen bestehen, und eine Auswerteeinrichtung, die durch wiederholten Vergleich der Meßwerte innerhalb eines flächenhaften Blocks benachbarter Detektorelemente die Verschiebung signifikanter Bildstrukturen zwischen den Detektorelementen feststellt.

Hierdurch wird festgestellt, ob eine Lageänderung des Raumflugkörpers in Form einer K^ppung seiner Achsen, insbesondere der den Detektorzeilen zugeordneten optischen Achse eintritt. Die Genauigkeit, mit der eine derartige Kippung festgestellt werden kann, hängt von der flächenhaften Ausdehnung der einzelnen Detektorelemente in der Abbildungsebene ab, sowie davon, wie dicht benachbart die Detektorelemente angeordnet werden können. Es wird vorausgesetzt, daß der von den Detektorzeilen erfaßte Bildausschnitt signifikante Bildstrukturen aufweist. Dies bedeutet, daß beispielsweise Bildelemente mit starken Helligkeitsunterschieden vorhanden sind, die von den Detektorelementen messend registriert werden können. Es ist jedoch möglich, auch andere meßbare Eigenschaften, etwa unterschiedliche spektrale Zusammensetzung der von den einzelnen Oberflächenelementen des Raumobjektes ausgehenden Strahlung zu verwenden. Eine Lageänderung des Raumflugkörpers führt

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zu einer Verschiebung des Bildes in der Bildebene, wobei signifikante Bildstrukturen von einem Detektorelement zum benachbarten wandern, falls das Ausmaß .der Verschiebung groß genug ist. Um eine derartige Verschiebung in allen zwei Flächendimensionen registrieren zu können, ist demnach eine flächenhafte Anordnung von Detektorelementen erforderlich. Mit einer linienhaften Anordnung, einer einzigen Detektorzeile entsprechend, ließe sich lediglich eine Verschiebung in Richtung dieser Linie registrieren. Durch die Anordnung von mindestens drei parallel zueinander liegenden und eng benachbarten Detektorzeilen wird erreicht, daß das Auswandern einer beispielsweise auf einem Detektorelement der mittleren Detektorzeile liegenden signifikanten Bildstruktur in eine beliebige Richtung feststellbar ist. Es ist selbstverständlich möglich, mehr als drei, beispielsweise fünf oder sieben Detektorzeilen parallel zueinander anzuordnen. Dies empfiehlt sich um so mehr, je weniger strukturiert das Bild hinsichtlich der zu messenden Eigenschaft ist.

Als Detektorelemente sollen vorzugsweise ladungsgekoppelte Halbleitersensoren (CCD's), beispielsweise solche, die im infraroten Spektralbereich empfindlich sind, verwendet werden.

Die Anordnung der Detektorzeilen kann so vorgenommen werden, daß eine zentrale Detektorzeile sowie mehrere, zu deren beiden Seiten mit Abstand zueinander angeordriete und einander gegenüberliegende Detektorteilzeilen vorgesehen sind, wobei letztere jeweils nur einen Bruchteil der Detektorelemente der zentralen Detektorzeile enthalten sollen. Diese Anordnung trägt der Tatsache Rechnung, daß CCD-Detektorzeilen bisher nur in einer begrenzten Länge, d.h. mit einer begrenzten

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Anzahl aneinandergereihter Detektorelemente, erhältlich sind. Die zentrale Detektorzeile kann dann aus vielen, hintereinander angeordneten Teilzeilen zusammengesetzt sein. Zu beiden Seiten können dann mit Abstand zueinander und parallel zur zentralen Detektorzeile kürzere Detektorteilzeilen vorgesehen sein, die dann jeweils aus einem Stück bestehen. Diese Detektorteilzeilen sollen sich jeweils gegenüberliegen, so daß zusammen mit der dazwischenliegenden zentralen Detektorzeile jeweils Abschnitte aus drei parallelen Zeilen entstehen. Auch hier können diese Abschnitte jeweils aus mehr als drei parallelen Zeilen bestehen.

Die Auswertung kann dann so erfolgen, daß zum Vergleich der Meßwerte flächenhafter Blöcke aus je drei Detektorelementen der zentralen Detektorzeile sowie der jeweils benachbarten Detektorteilzeilen herangezogen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die Auswerteeinrichtung betreffend, sind Unteransprüchen zu entnehmen .

Die Erfindung ist vorzugsweise auf dreiachsenstabilisierte Satelliten anwendbar. Bei Verwendung von CCD-Detektorelementen ist wegen deren schneller Auslesbarkeit und der damit verbundenen hohen zeitlichen Auflösung auch der Einsatz bei umlaufenden Satelliten möglich.

Besonders kritisch sind kleine, kurzzeitige Lageänderungen, etwa sogenannte Jitter-Bewegungen. Auch hier macht sich die Einsetzbarkeit von CCD-Detektorelementen vorteilhaft bemerkbar. Ein weiterer Vorteil dieser Elemente liegt darin, daß auch relativ schnelle Bewegungen auf der Oberfläche des beobachteten Raumobjektes, beispiels-

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weise von Wolken relativ zur Erdoberfläche, nicht störend sind. So ergibt sich etwa bei einem geostationären Satelliten mit einer Auflösung von 2 km pro Detektorelement, einer Relativgeschwindigkeit der Wolkenbewegung von 100 km/h sowie einer Auslesedauer von 10 ms, daß sich die Wolken in dieser Zeit nur 2,7 m verschieben, einem im Vergleich zur Auflösung verschwindend geringen Betrag.

Im folgenden wird ein Ausführungsbexspiel der Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 eine zentrale Detektorzeile mit benachbarten

Detektorteilzeilen,
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Fig.2 drei parallele Detektorzeilen mit einer Auswerteeinrichtung .

In Fig.1 ist in schematischer Weise eine zentrale Detektorzeile 1, bestehend aus einzelnen hintereinander aufgereihten Detektorelementen 11, dargestellt. Bei letzteren soll es sich um Infrarot-CCD's handeln, etwa hybride HgCdTe-CCD's, die im Spektralbereich von etwa 10 - 12 L*m empfindlich sind. Die zentrale Detektorzeile 1 kann größenordnungsmäßig etwa 5000 oder mehr einzelne Detektorelemente enthalten, wobei diese Gesamtlänge durch Aneinanderreihung von derzeit auf dem Markt erhältlichen Zeilen gebildet wird, die jeweils aus 256 oder 512 einzelnen Detektorelementen bestehen. Zu beiden Seiten der zentralen Detektorzeile 1 sind mit. Abstand voneinander und in paralleler Ausrichtung Detektorteilzeilen 2, 3, 2a, 3a usw. angeordnet. Diese können jeweils ebenfalls eine Länge von beispielsweise 256 einzelnen Detektorelementen 12, 13 aufweisen (in der Abbildung verkürzt dargestellt). Auf diese

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Anordnung paralleler Detektorzeilen wird von einer geeigneten, nicht dargestellten Optik, beispielsweise einem Teleskop, das vom Satelliten mitgeführt wird und beispielsweise auf die Erdoberfläche gerichtet ist, ein Bildausschnitt dieser Oberfläche entworfen. Durch die später noch zu beschreibende Auswerteeinrichtung wird nun durch Vergleich der von benachbarten Detektorelementen gelieferten Signale festgestellt, auf welchem Detektorelement eine signifikante Bildstruktur abgebildet ist. Hierbei kann es sich z.B. um Wolken oder andere sich aus der Umgebung etwa hinsichtlich ihrer Helligkeit abhebende Strukturen handeln. Ist eine solche signifikante Bildstruktur einmal ausgemacht, beispielsweise auf einem Detektorelement 11', so wird der um 5 dieses Detektorelement herum angeordnete Block 8 aus insgesamt 8 bzw. 9 quadratisch angeordneten Detektorelementen ständig von der Auswerteeinrichtung weiter beobachtet, und zwar in dem Sinne, daß die an den Detektorelementen entstehenden Meßwerte wiederholt mit denen der vorangegangenen Messung verglichen werden. Derartige Vergleiche können, wie bereits erwähnt, in einer Zeit von lediglich 10 ms durchgeführt werden. Eine Lageänderung des Satelliten im Sinne einer Kippung führt nun dazu, daß die signifikante Bildstruktur von dem Detektorelement 11' wegdriftet, beispielsweise zu dem diagonal benachbarten Detektorelement 11'' hin. Die Richtung, in die die signifikante Bildstruktur abwandert, hängt natürlich ursächlich mit der Richtung der Lageänderung zusammen. Es lassen sich also hieraus in eindeutiger Weise sofort Korrekturimpulse ableiten, die die beginnende Lageänderung kompensieren.

In Fig.2 ist in schematischer Weise eine Auswerteeinrichtung 7 dargestellt, die mit Informationen aus drei parallelen Detektorzeilen gespeist wird.

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Den Detektorzeilen sind jeweils Filter 31, 32, 33 nachgeschaltet, die der Rauschunterdrückung dienen. Deren gefilterte Ausgangssignale werden jeweils Analog-Digital-Wandlern 21, 22, 23 zugeführt, die beispielsweise 6-8 Bit^uflösung besitzen. Anschließend folgt ein Zwischenspeicher 14, der abwechselnd beispielsweise während einer ms beschrieben und in der nächsten ms ausgelesen wird. Auf den Zwischenspeicher 14 folgt ein Hell-Dunkelwert-Korrektor 15, der eine gleichförmige Wiedergabecharakteristik bezüglich aller Detektorelemente garantiert. Schließlich gelangen die korrigierten Bildsignale zu einem Rechner 10. Dieser bewertet die Signale der einzelnen Detektorelemente und ermittelt zu Anfang, auf welchen Detektorelementen signifikante Bildstruktüren abgebildet werden. Durch wiederholten Vergleich der Inhalte der den einzelnen signifikanten Strukturen zuzuordnenden Detektorelement-Blöcke mit den jeweils zuvor abgespeicherten Werten, z.B. im ms-Takt, wird festgestellt, ob Verschiebungen der signifikanten Struktüren auftreten. Ist keine Verschiebung meßbar, wobei etwa 0,5 %- bis 2 %-Stufen vorgegeben sein können, so hat sich die Relativlage des Satelliten in diesem kurzen Zeitintervall nicht meßbar geändert. Kritisch sind z.B. Jitter-Bewegungen des Satelliten, die zu erfassen bisher ein Problem war, und die mit einer Frequenz von etwa 100 Hz auftreten. Werden vom Rechner erkennbare Änderungen festgestellt, wird Richtung und Betrag der Lageänderung ermittelt und zur Erzeugung von Korrekturimpulsen an das Satelliten-Lageregelungs-System

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Claims

Patentansprüche

1J Vorrichtung zur Feststellung von Lageänderungen eines gegenüber einem entfernten, als Lagereferenz dienenden Raumobjekt lagestabilisierten Raumflugkörpers, gekennzeichnet durch mindestens drei, parallel nebeneinander angeordnete ..Detektorzeilen (1, 2, 3) sowie Mittel (4) zur Abbildung der Oberfläche des Raumobjektes (5) in die Ebene der Detektorzeilen, die jeweils aus linear hintereinander aufgereihten, die Intensität einfallender elektromagnetischer Strahlung messend registrierenden Detektorelementen (11, 12, 13) bestehen, und eine Auswerteeinrichtung (7), die durch wiederholten Vergleich der Meßwerte innerhalb eines flächenhaften Blocks (8) benachbarter Detektorelemente die Verschiebung signifikanter Bildstrukturen zwischen den Detektorelementen (11, 12, 13) feststellt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zentrale Detektorzeile (1) sowie mehrere, zu deren beiden Seiten mit Abstand zueinander angeordnete und einander gegenüberliegende, jeweils nur einen Bruchteil der Detektorelemente (11, 12, 13) der zentralen Detektorzeile (1) enthaltende Detektorteilzeilen (2, 3).

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zur Auswertung herangezogenen flächenhaften Blöcke (8) je drei Detektorelemente aus der zentralen Detektorzeile (1) sowie den jeweils benachbarten Detektorteilzeilen (2, 3) in quadratischer Anordnung enthalten.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß als Detektorelemente (11, 12, 13) ladungsgekoppelte Halbleitersensoren (CCD's) verwendet werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß im infraroten Spektral- bereich empfindliche Sensoren verwendet werden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Auswerteeinrichtung (7) je einen Analog-Digital-Wandler (21, 22, 23) pro Detektorzeile (1, 2, 3), eine das sukzessive Einlesen der Meßwerte der einzelnen Detektorelemente (11, 12, 13) in die zugeordneten Analog-Digital-Wandler bewirkende Auslese-Elektronik (9) sowie einen die digitalisierten Meßwerte aufeinanderfolgender Messungen miteinander vergleichenden Rechner (10) enthält.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Analog-Digital-Wandlern (21, 22, 23) ein Zwischenspeicher (14) nachgeschaltet ist.

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