DE3330861C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fest­ stellung von Lageänderungen eines gegenüber einem ent­ fernten, als Lagereferenz dienenden Raumobjekt lage­ stabilisierten Raumflugkörpers, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Raumflugkörper, insbesondere Satelliten, werden der­ zeit für die verschiedensten Zwecke eingesetzt. Sie dienen beispielsweise als Nachrichtensatelliten und/ oder zur Gewinnung von Bildinformationen über die Ober­ fläche gewisser Raumobjekte, so etwa im Falle von geo­ stationären 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, gegen­ über der der Satellit lagestabilisiert sein muß. Um bei der Bildaufnahme eine möglichst hohe Bildqualität zu erzielen, muß verhindert werden, daß der Satellit hin­ sichtlich 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 regi­ striert und durch das Lageregelungssystem kompensiert werden. Dazu ist es zuerst erforderlich, eine beginnen­ de Lageänderung sofort festzustellen, und zwar mit hoher zeitlicher Auflösung.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 33 04 425 bekannt. Dort ist ein in einem Satelliten anzuwen­ dender Horizontsensor beschrieben, mit dessen Hilfe die Lage­ abweichungen des Satelliten von seiner Referenzlage festge­ stellt werden sollen. Dieser Horizontsensor besitzt eine Op­ tik, mit deren Hilfe das Referenzobjekt, beispielsweise ein Planet, in eine Bildebene abgebildet werden kann, in der sich vier im je­ weiligen Winkelabstand von 90° senkrecht zueinander angeordnete Detektorzeilen befinden. Diese sind jeweils linear bzw. eindi­ mensional. Es soll die Lage der Ränder des Referenzobjektes auf den Detektorzeilen bestimmt werden. Dies geschieht aufgrund der deutlich unterschiedlichen Strahlungsintensität, die vom Referenz­ objekt im Vergleich zu seiner Umgebung ausgeht. Am Rand des Re­ ferenzobjektes tritt somit ein deutlicher Sprung der Strahlungs­ intensität auf. Insofern handelt es sich um eine signifikante Bildstruktur. Ein derartiger Horizontsensor kann jedoch nur funk­ tionieren, wenn der Abstand zum Referenzobjekt so groß ist, daß es in seiner Gesamtheit auf die vier Detektorzeilen abgebildet wird. Der Sensor versagt, wenn der Satellit sich dem Referenzobjekt so weit genähert hat, daß seine Ränder nicht mehr auf den Detektor­ zeilen abgebildet werden. Dann sind überhaupt keine Lageabweichun­ gen mehr feststellbar. Um hier Abhilfe zu schaffen, sollen mehrere derartige Horizontsensoren verwendet werden, welche dann jeweils nur einen Teil des gesamten Randes des Referenzobjektes erfassen. Dies erscheint jedoch sehr aufwendig. Im übrigen erlaubt es diese bekannte Vorrichtung nicht, unabhängig vom Abstand des Raumflug­ körpers von dem als Lagereferenz dienenden Raumobjekt durch Be­ obachtung signifikanter Strukturen in der Fläche des abgebildeten Raumobjektes eine Lageveränderung festzustellen. Dies kann die be­ kannte Vorrichtung nicht leisten, wenn keine Ränder des Raumobjektes mehr in der Bildfläche abgebildet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die Lageänderungen des Raum­ flugkörpers, insbesondere auch nur kleine und kurzzeitig auftre­ tende Lageänderungen mit hoher Sensibilität und möglichst geringer zeitlicher Verzögerung sowie unabhängig vom Abstand des Raumflug­ körpers von dem als Lagereferenz dienenden Raumobjekt mit möglichst geringem apparativem Aufwand festzustellen vermag.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale ge­ löst: Durch die Verwendung von mindestens drei parallel nebeneinander angeordneten Detektorzeilen und einer Auswerteeinrichtung, die nach Feststellung der Lage einer signifikanten Bildstruktur durch wieder­ holten Vergleich der Meßwerte, welche während einer Ausleseperiode innerhalb eines flächenhaften Blocks einander benachbarter, um den Ort der signifikanten Bildstruktur herum gelegener Detektorelemente anfallen, mit denen der jeweils vorausgegangenen Ausleseperiode die Verschie­ bung der signifikanten Bildstruktur zwischen den Detektorelementen feststellt.

Hierdurch wird festgestellt, ob eine Lageänderung des Raumflugkörpers in Form einer Kippung seiner Achsen, insbesondere der den Detektorzeilen zugeordneten op­ tischen Achse eintritt. Die Genauigkeit, mit der eine derartige Kippung festgestellt werden kann, hängt von der flächenhaften Ausdehnung der einzelnen Detektor­ elemente in der Abbildungsebene ab, sowie davon, wie dicht benachbart die Detektorelemente angeordnet werden können. Es wird vorausgesetzt, daß der von den Detektor­ zeilen erfaßte Bildausschnitt signifikante Bildstruk­ turen aufweist. Dies bedeutet, daß beispielsweise Bild­ elemente mit starken Helligkeitsunterschieden vorhanden sind, die von den Detektorelementen messend registriert werden können. Es ist jedoch möglich, auch andere meß­ bare Eigenschaften, etwa unterschiedliche spektrale Zusammensetzung der von den einzelnen Oberflächen­ elementen des Raumobjektes ausgehenden Strahlung zu verwenden. Eine Lageänderung des Raumflugkörpers führt zu einer Verschiebung des Bildes in der Bildebene, wobei signifikante Bildstrukturen von einem Detektorelement zum benachbarten wandern, falls das Ausmaß der Ver­ schiebung groß genug ist. Um eine derartige Verschiebung in allen zwei Flächendimensionen registrieren zu können, ist demnach eine flächenhafte Anordnung von Detektor­ elementen erforderlich. Mit einer linienhaften Anord­ nung, 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, beispiels­ weise fünf oder sieben Detektorzeilen parallel zuein­ ander anzuordnen. Dies empfiehlt sich um so mehr, je weniger strukturiert das Bild hinsichtlich der zu messenden Eigenschaft ist.

Als Detektorelemente sollen vorzugsweise ladungsge­ koppelte 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 angeord­ nete und einander gegenüberliegende Detektorteilzeilen vorgesehen sind, wobei letztere jeweils nur einen Bruchteil der Detektorelemente der zentralen Detektor­ zeile enthalten sollen. Diese Anordnung trägt der Tat­ sache Rechnung, daß CCD-Detektorzeilen bisher nur in einer begrenzten Länge, d. h. mit einer begrenzten Anzahl aneinandergereihter Detektorelemente, erhältlich sind. Die zentrale Detektorzeile kann dann aus vielen, hintereinander angeordneten Teilzeilen zusammengesetzt sein. Zu beiden Seiten können dann mit Abstand zuein­ ander 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 je­ weils 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 die Meßwerte flächenhafter Blöcke aus je drei Detektor­ elementen der zentralen Detektorzeile sowie der jeweils benachbarten Detektorteilzeilen herangezogen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die Auswerte­ einrichtung betreffend, sind Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Die Erfindung ist vorzugsweise auf dreiachsenstabili­ sierte Satelliten anwendbar. Bei Verwendung von CCD- Detektorelementen ist wegen deren schneller Auslesbar­ keit und der damit verbundenen hohen zeitlichen Auf­ lösung auch der Einsatz bei umlaufenden Satelliten möglich.

Besonders kritisch sind kleine, kurzzeitige Lageänderun­ gen, etwa sogenannte Jitter-Bewegungen. Auch hier macht sich die Einsetzbarkeit von CCD-Detektorelementen vor­ teilhaft bemerkbar. Ein weiterer Vorteil dieser Elemente liegt darin, daß auch relativ schnelle Bewegungen auf der Oberfläche des beobachteten Raumobjektes, beispiels­ weise von Wolken relativ zur Erdoberfläche, nicht störend sind. So ergibt sich etwa bei einem geostatio­ nären 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 ver­ schwindend geringen Betrag.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine zentrale Detektorzeile mit benachbarten Detektorteilzeilen,

Fig. 2 drei parallele Detektorzeilen mit einer Aus­ werteeinrichtung.

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 µm empfindlich sind. Die zentrale Detektor­ zeile 1 kann größenordnungsmäßig etwa 5000 oder mehr einzelne Detektorelemente enthalten, wobei diese Gesamt­ länge 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, 2 a, 3 a usw. angeordnet. Diese können jeweils ebenfalls eine Länge von beispielsweise 256 einzelnen Detektorelementen 12, 13 aufweisen (in der Abbildung verkürzt dargestellt). Auf dieser 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 Detektor­ elementen gelieferten Signale festgestellt, auf welchem Detektorelement eine signifikante Bildstruktur abge­ bildet 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, beispiels­ weise auf einem Detektorelement 11′, so wird der um dieses Detektorelement herum angeordnete Block 8 aus insgesamt 8 bzw. 9 quadratisch angeordneten Detektor­ elementen 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 12′ hin. Die Richtung, in die die signifikante Bildstruktur ab­ wandert, 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 Auswerteein­ richtung 7 dargestellt, die mit Informationen aus drei parallelen Detektorzeilen gespeist wird.

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 beispiels­ weise 6 bis 8 Bit Auflösung 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 Bild­ signale zu einem Rechner 10. Dieser bewertet die Signale der einzelnen Detektorelemente und ermittelt zu Anfang, auf welchen Detektorelementen signifikante Bildstruk­ turen 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 Struk­ turen 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 Änderun­ gen festgestellt, wird Richtung und Betrag der Lage­ änderung ermittelt und zur Erzeugung von Korrekturimpulsen an das Satelliten-Lageregelungs-System weitergegeben.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Feststellung von Lageänderungen eines gegenüber einem entfernten, als Lagereferenz dienenden Raumobjekt lagestabilisierten Raumflugkörpers, mit mehreren Detektorzeilen, die jeweils aus linear hinter­ einander aufgereihten, die Intensität einfallender elektromagnetischer Strahlung messend registrierenden Detektorelementen bestehen, sowie Mitteln zur Abbildung der Oberfläche des Raumobjektes in die Ebene der Detektorzeilen, gekennzeichnet durch die Verwendung von mindestens drei parallel neben­ einander angeordneten Detektorzeilen (1, 2, 3) und eine Auswerteeinrichtung (7), die nach Feststellung der Lage einer signifikanten Bildstruktur durch wiederholten Vergleich der Meßwerte, welche während einer Auslese­ periode innerhalb eines flächenhaften Blocks (8) ein­ ander benachbarter, um den Ort der signifikanten Bild­ struktur herum gelegener Detektorelemente anfallen, mit denen der jeweils vorausgegangenen Ausleseperiode die Verschiebung der signifikanten Bildstruktur zwischen den Detektorelementen (11′, 11′′) feststellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine zentrale Detektorzeile (1) sowie mehrere, zu deren beiden Seiten mit Abstand zueinander angeordnete und einander gegen­ überliegende, jeweils nur einen Bruchteil der Detektorelemente (11, 12, 13) der zentralen Detektor­ zeile (1) enthaltende Detektorzeilen (2, 3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zur Auswertung heran­ gezogenen flächenhaften Blöcke (8) je drei Detektor­ elemente 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 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 zu­ geordneten Analog-Digital-Wandler bewirkende Auslese- Elektronik (9) sowie einen die digitalisierten Meß­ werte aufeinanderfolgender Messungen miteinander vergleichenden Rechner (10) enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Analog-Digital-Wandlern (21, 22, 23) ein Zwischenspeicher (14) nachge­ schaltet ist.