DE3422004A1

DE3422004A1 - Verfahren und schaltung zur bearbeitung der signale eines erdhorizontsensors in einem erdsatelliten

Info

Publication number: DE3422004A1
Application number: DE19843422004
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 8000 München Haberl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-06-14
Filing date: 1984-06-14
Publication date: 1985-12-19
Also published as: FR2566143B1; FR2566143A1; DE3422004C2; US4665314A; IT8521107A0; JPS6124698A; IT1185010B

Description

Patentabteilung

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Verfahren und Schaltung /ui Bearbeitung der Signale eines Erdhorizontsensors in einem Erdsatelliten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Bearbeitung der Signale eines Erdhorizontsensors in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Für die Bereitstellung von Lageregelungssignalen derartiger, z.B. geostationärer Erdsatelliten werden für zwei Achsen optische Erdhorizontsensoren verwendet, die zur Klasse der nullsuchenden Sensoren gezählt werden können. Ein solcher Erdhorizontsensor arbeitet im Infrarotbereich und basiert auf dem mechanischen Zerhacker- bzw. Cftoppex-Prinzip. Die Infrarotstrahlung der Erde wird durch eine Ojektivlinse aus Germanium gesammelt und fällt auf eine kreisförmige Chopper-Scheibe in der Bildebene der Linse. Diese Chopper-Scheibe hat einen dem Bild der Erde etwa entsprechenden Durchmesser und wird mit einer bestimmten Chopper—Amplitude und einer bestimmten Chopper-Frequenz periodisch hin- und herbewegt. Das von der Chopper-Scheibe periodisch unterbrochene Licht der beiden gegenüberliegenden, mit der Chopper-Frequenz wechselseitig freigegebenen Erdränder wird über eine Sekundäroptik aus einem sphärischen Spiegelsegment und einem Prisma über einen Spektralfilter für den Infrarotbereich auf einen Detektor, z.B. einen pyroelektrischen Detektor geleitet. Die Schwingung der Chopper-Scheibe ist sinusförmig; die Chop-

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per-Ampl i turle wird durch eine Antriebselektronik stabil i si ert.

Zeigt die optische Sichtlinie des Erdhorizontsensors zum Erdmittelpunkt, so werden periodisch die gegenüberliegenden Erdränder auf dem Detektor abgebildet, der daraus nach Verstärkung ein elektrisches Signal ähnlich dem eines gleichgerichteten Sinus erzeugt. Sind die Strahlungsbeiträge der gegenüberliegenden Erdränder gleich, so wird das verstärkte Signal in einem Synchrondemodulator in eine Sinusschwingung ohne Gleichstromanteil umgewandelt, wobei der Synchrondemodulator phasenstarr mit der Chopper-Frequenz umgetastet wird. Das derart erhaltene Null-Signal bestimmt den Nullpunkt des zur Lageregelung des Erdsatelliten verwendeten Ablagesignals.

Ζύ-Lgl/ die Sichtlinie des Erdhorizontsensors nicht zum Erdmittelpunkt, so werden von den entgegengesetzten Erdrändern ungleich große Strahlungsanteile auf den Detektor auftreffen. Der Detektor liefert wiederum ein Signal in der Form einer gleichgerichteten Sinusspannung, jedoch sind die Amplituden der Halbwellen unterschiedlich. Der Synchrondemodulator, der wiederum phasenstarr mit der Chopper-Frequenz umgetastet wird, erzeugt daraus eine Gleichspannung, die angenähert linear abhängt von der Ablage der Sichtlinie des Erdhorizontsensors von der Verbindungslinie Satellit/Erdmittelpunkt. Dieses Ablagesignal kann dann zur Lageregelung verwendet werden.

Bis jetzt ist davon ausgegangen worden, daß die beiden gegenüberliegenden Erdränder gleiche Temperatur

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haben; dies ist jedoch in der· Rege! nic'ut tier IaH. Speziell in Nord-Südrichtung der Erde haben die gegenüberliegenden Erdränder unterschiedliche Temperatur, was gemeinhin mit Erdanomalie bezeichnet wird, wodurch das demodulierte Ablagesignal auch dann einen Gleichstromanteil zeigt, wenn die optische Sichtlinie des Erdhorizontsensors tatsächlich auf den Erdmittelpunkt zeigt. Das demodulierte Ablagesignal enthält somit noch einen durch die Erdanomalie bedingten Anomalieanteil, der durch eine Nullpunktverschiebung der Kennlinie des Erdhorizontsensors in Ordinatenrichtung beschrieben werden kann, wobei die Sensorkennlinie in Richtung der Seite mit der schwächeren, d.h. einer geringeren Temperatur zugeordneten Strahlung verschoben ist. Es muß daher dafür Sorge getragen werden, daß dieser Anomalieanteil korrigiert wird. Zwar ist dieser Anomaliefehler innerhalb des linearen M^ßb^reicheG des Eiuhorizontsensors von etwa +_ 1 Grad nur gering, kann jedoch im Extremfall etwa +_ ld% des linearen Meßbereiches betragen. Da geostationäre Erdsatelliten auch dazu benutzt werden sollen, Richtfunk- und ferngerichtete Fernsehverbindungen zur Erde herzustellen, muß der Anomalieanteil möglichst unterdrückt werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Lageregelung eines geostationären Erdsatelliten mit einem Erdhorizontsensor der in Rede stehenden Art ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit denen Signale bereitgestellt werden können, die eine eindeutige Lageregelung des Erdsatelliten ermöglichen.

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' Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale in den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Demgemäß werden die verstärkten Ausgangssignale des Detektors mit der doppelten Chopper-Frequenz phasenstarr synchron demoduliert, wodurch ein analoges Präsenz- oder Symmetriesignal erzeugt wird. Dieses Symmetriesignal zeigt dabei eine Abhängigkeit vom Cosi-

nusquadrat des Ablagewinkels. Das Maximum dieses Symmetriesignales liegt beim Ablagewinkel Null, d.h. dann wenn die optische Sichtlinie des Erdhorizontsensors auf den Erdmittelpunkt zeigt. Wesentlich ist, daß dieses Symmetriesignal unabhängig von der Erdanomalie ist.

Dieses Symmetriesignal kann z.B. zur Steuerung der Choppei-Amplitude verwendet werden. Die von der Erde abgestrahlte und für den Bereich der Erdränder durch

den Erdhorizontsensor aufgenommene Energie ist nach

dem Gesetz von Stefan-Boltzmann proportional zur vierten Potenz der Absoluttemperatur und proportional der Größe der abstrahlenden Fläche. Zeigt die optische Sichtlinie des Erdhorizontsensors auf den Erd-25

mittelpunkt, so ist die Größe dieser abstrahlenden Flächen an den gegenüberliegenden Erdrändern, die beim Schwingen der Chopper-Scheibe vom Erdhorizontsensor erfaßt wird, proportional der von der Chopper-Scheibe in der Bildebene des Erdhorizontsensors ^V

freigegebenen Fläche und damit auch proportional zu der jeweiligen Chopper-Amplitude. Wenn die beiden gegenüberliegenden Erdränder geringfügig unterschied-

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liehe Temperatur aufweisen, Liegt demnach Erdanomalie vor, dann ist die dadurch hervorgerufene Energiedifferenz, die vom Erdhorizontsensor für die gegenüberliegenden Erdränder erfaßt wird, direkt proportional zu der Chopper-Amplitude. Mann kann daher diesen durch die Erdanomalie hervorgerufenen Fehler bei exakter Ausrichtung des Erdhorizontsensors durch Einstellen einer kleinen Chopper-Amplitude klein halten. Für große Ablagen des Erdhorizontsensors aus der exakten Ausrichtung muß dann der Sichtbereich des Erdhorizontsensors, d.h. die Chopper-Amplitude entsprechend vergrößert werden, um eine frühe Sättigung der Ablagekennlinie des Erdhorizontsensors zu vermeiden. Die Chopper-Amplitude wird daher, um den durch die Erdanomalie bedingten Fehler möglichst klein zu halten, nach einer Kennlinie gesteuert, die dem gespiegelten Symmetriesignal entspricht, wobei für die exakte Ausrichtung des Erdhorizuiitsenoors eine mxnimale Chopper-Amplitude vorgegeben wird, die sich entsprechend des Verlaufes des gespiegelten Symmetriesignals nach beiden Seiten in Abhängigkeit der Ablage vergrößert. Die gewählte minimale Amplitude im Nullpunkt, d.h. bei Ausrichtung des Erdhorizontsensors auf den Erdmittelpunkt, muß so groß sein, daß das vom Erdhorizontsensor entwickelte Ablagesignal

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die noch positive und negative Anteile aufweist, d.h.

die horizontale Kennlinienachse entsprechend der Ablagewerte noch schneidet. Durch eine derartige Steuerung der Chopper-Amplitude mit dem gespiegelten und um eine Minmalamplitude versetzten Symmetriesignal hat die Wirkung, daß die ansonsten bei Erdanomalie erhaltene und gegenüber der Normkennlinie ohne Erdanomalie verschobene Kennlinie Ablagesignal/Ablage um den Nullpunktbereich so verändert wird, daß sich kleinere Ablagefeh-

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ler ergeben. Diese Steuerung ist im übrigen auch abhängig vom Anomaliefehler, da das Symmetriesignal selbst unabhängig von der ErdanomaLie ist. Die Steuerung der Chopper-Amplitude und die übrige Auswertung der von dem Erdhorizontsensor gelieferten Signale kann entweder schaltungsintern im Erdhorizontsensor oder extern in einem Lagerechner erfolgen.

Insbesondere bei einer externen Verarbeitung der Signale des Erdhorizontsensors zur Lageregelung des Erdsatelliten ist es wichtig, ein digitales Präsenzsignal zur Verfügung zu haben, welches anzeigt, ob die Erde im Auffaßbereich des Erdhorizontsensors präsent ist oder nicht. Solange das demodulierte Ablagesignal ungleich Null ist, d.h. daß tatsächlich eine Fehllage des Satelliten bzw. eine Ablage der optischen Sichtlinie des Erdhorizontsensors von der Verbindungslinie Satellit/Ci dniitoeipunkt vorliegt, dann kann dieses digitale Präsenzsignal durch eine einfaehe Gleichrichtung des Ablagesignales erhalten werden, d.h. durch eine Bewertung des Betrages des Ablagesignales. Ist die Ablage jedoch klein, d.h. das Ablagesignal bewegt sich im Nullpunktbereich der AbIagekennlinie, dann kann nur das analoge Symmetriesi-

2^ gnal zur Bildung des digitalen Präsenzsignales herangezogen werden, da dieses - wie oben ausgeführt in dem Nullpunktsbereich des Ablagesignales ein Maximum zeigt. Das betragsmäßige Ablagesignal und das analoge Symmetriesignal werden zu diesem Zweck in einer einfachen digitalen ODER-Verknüpfung miteinander kombin iert.

Am Ausgang der Schaltung stehen demnach das demodu-

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lierte Ablagesignal, das analoge Symmetriesignal und das digitale Präsenzsignal an, die zur Lageregelung schaltungsintern oder schaltungsextcrn in einem Lagerechner verwendet werden können.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Erdhorizontsensors mit einer Schaltung gemäß der Erfindung zur Bearbeitung der Ausgangssignale des Erdhorizontsensors;

Fig. 2 ein erstes Schaltungsbeispiel zur Bildung eines digitalen Präsenzsignales;

Fig. 3 ein zweit·»= Schaloungöbeiöpiei zur Bildung eines digitalen Präsenzsignales.

Mit dem Block 1 ist schematisch der Detektor eines Erdhorizontsensors einschließlich der Optik und einer mit einer Chopper-Frequenz f betriebenen Chopper-Scheibe bezeichnet. Der Antrieb der Chopper-Scheibe wird über eine Antriebselektronik 2 geregelt, und zwar sowohl in Frequenz als auch Amplitude, wozu in dem Block 1 noch ein Amplitudensensor für die Chopper-Scheibe vorgesehen ist, dessen Signale der Antriebselektronik zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Detektors 1 werden in einem Verstärker 3 verstärkt und anschließend einem Synchrondemodulator 4 mit integriertem Tiefpaß zugeführt, wobei der Synchrondemodulator mit der Chopper-Frequenz f

-κηγ SHQ · ^o^To^oSnz §unuuRdsuoxxoMqog ao^uiiur^saq ^ riu

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-| umgetastet wird. Am Ausgang des Synchrondemodulator« liegt dann an einem Ausgang Al ein Ablagesignal an. Das verstärkte Ausgangssignal des Detektors wird außer dem Synchrondemodulator noch einem Präsenzdemodulator 5 mit eingebautem Tiefpaß zugeführt, wobei dieser Präsenzdemodulator synchron mit der aus der Chopper-Frequenz in einem Frequenzverdoppler 6 erzeugten doppelten Chopper-Frequenz 2f umgetastet wird. Das derart synchrondemodulierte und durch den Tiefpaß ge-

■jQ leitete verstärkte Ausgangssignal des Detektors ist ein über dem Ablagewinkel aufgetragenes glockenförmiges Signal und hat bei dem Wert NULL des Ablagewinkels ein Maximum. Vom Maximum fällt das Signal nach beiden Seiten symmetrisch ab, und zwar in Form des

1c Quadratwertes des Cosinus des Ablagewinkels. Dieses Symmetrie- bzw. analoge Präsenzsignal wird an einem zweiten Schaltungsausgang A2 zur Verfügung gestellt. Dieses Symmetriesignal ist, w-e oben erläutert, unabhängig von der Erdanomalie.

Das Symmetriesignal kann, wie in der Fig. 1 angedeutet, auf den Regeleingang der Antriebselektronik rückgeführt werden und wird zur Steuerung der Chopper-Amplitude benutzt. Es hat sich herausgestellt, daß zur Verringerung des Anomalieanteiles die Chopper-Amplitude der jeweiligen Ablage optimal angepaßt werden muß, will man die Genauigkeit des Erdhorizontsensors erhöhen. Durch die Steuerung und Stabilisierung der Chopper-Amplitude mit Hilfe des Symmetriesi-

-Np gnales reduziert sich der Anomaliefehler im Nullpunkt der Ablagekennlinie des Erdhorizontsensors, wie oben angeführt.

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über eine digitale ODER-Verknüpfung· /u einc?m digitalen Präsenzsigna] kombiniert werden, das an einem Schaltungsausgang A3 anliegt und anzeigt, ob die Erde in dem Auffaßbereich des Erdhorizontsensors liegt. Die für die Verknüpfung notwendige Schaltung ist in Fig. 1 mit dem Block 7 bezeichnet.

Zwei Schaltungsausführungen 7¹ bzw. 7'' für die Verknüpfung der beiden Signale sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Gemäß Fig. 2 wird das Ablagesignal einem Zweiweggleichrichter 11 zugeführt, so daß an dessen Ausgang ein unipolares Signal entsprechend dem Betrag der Ab-

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lage anliegt. Das unipolare Ausgangssignal und das Symmetriesignal werden jeweils separat einem Schwellenverstärker 12 bzw. 13? z.B. Schmitt-Triggern mit cuLsprechender Schwellenspannung zugeführt. Die Ausgangssignale der Schmitt-Trigger werden in einem di-

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gitalen ODER-Glied 14 kombiniert, an dessen Ausgang dann das digitale Präsenzsignal anliegt.

Bei der Verknüpfungsschaltung 7¹¹ gemäß Fig. 3 wird aus dem Ablagesignal in einer Gleichrichterschaltung

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21 wiederum ein unipolares, dem Betrag des Ablagesignales entsprechendes Signal erzeugt. Dieses unipolare Signal und das Symmetriesignal werden separat in Verstärkern 22 bzw. 23 in ihren Maximalwerten aufeinander abgestimmt und anschließend in einem Summier-

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glied 23 analog addiert. Das Ausgangssignal des analogverstärkenden Summiergliedes wird wiederum einem Schwellenverstärker 24, z.B. einem Schmitt-Trigger mit bestimmter Schwellenspannung zugeleitet. Das Aus-

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gangssignal dieses Schmitt-Triggers 25 ist dann ddt, digitale Präsenzsignal. Die Abstimmung der Amplituden der beiden verknüpften Signale in den Verstärkern 22 und 23 erfolgt so, daß das Summensignal am Ausgang des analogen Summiergliedes 24 die Schwelle des Schmitt-Triggers 25 immer übersteigt, solange die Krde im Auffaßbereich des Erdhorizontsensors präsent ist.

Die an den Schaltungsausgängen Al bis A3 anliegenden Signale können extern in einem Lagerechner zur Bildung eines Lageregelsignales weiterverarbeitet werden, wie dieses oben angedeutet worden ist. Es ist auch möglich, das mit einem durch die Erdanomalie bedingten Anomalieanteil behaftete Ablagesignal mit Hilfe des am Ausgang A2 liegenden analogen Symmetriesignales schaltungsintern zur Eliminierung des Anomalieanteiles ?···■ verwenden, wie die;=, in einer parallelen Anmeldung der Anmelderin beschrieben ist.

Claims

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Verfahren und Schaltung zur Bearbeitung der Signale eines ErdhorLzontsensors in einem Erdsatelliten

Patentansprüche

1 J Verfahren zur- Bearbeitung der Signale eines Erdhorizontsensors in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten, wobei der Erdhorizontsensor im Infrarotbereich arbeitet, in der Bildebene einer Eingangsoptik eine mit einer bestimmten Chopper-Frequenz periodisch hin- und herbewegte Chopper-Scheihe mit dem Bild der Erde entsprechendem Durchmesser sowie einen die periodisch unterbrochene Lichtstrahlung gegenüberliegender Erdränder aufnehmenden Detektor aufweist und wobei das Ausgangssignal des Detektors zur Ableitung eines Ablagesignales synchron mit der Chopper-Frequenz demoduliert wird, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das verstärkte Ausgangssignal des Detektors zur Erzeugung eines Symmetriesignales zusätzlich synchron mit der doppelten Chopper-Frequenz demoduliert wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -

k e η η ζ e lehnet, daß das Symmetriesignal und das betragsmäßige Ab Lagesignal zur Bildung eines digitalen Präsenzsignales in einer digitalen ODER-Verknüpfung kombiniert werden, das anzeigt, ob sich die Erde im Auffaßbereich des Erdhorizontsensors befindet.

3· Schaltung zur Bearbeitung der Signale eines Erdhorizontsensors in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten, wobei der Erdhorizontsensor im Infrarotbereich arbeitet, in der Bildebene einer Eingangsoptik eine mit einer bestimmten Chopper-Frequenz periodisch hin- und herbewegte Chopper-Scheibe mit
dem Bild der Erde entsprechendem Durchmesser sowie einen die periodisch unterbrochene Lichtstrahlung gegenüberliegender Erdränder aufnehmenden Detektor und einen Verstärker aufweist, und mit einem das v«=>"=tärktc Ausgangssignal des Detektors mit der Chopper-Frequenz demodulierenden Ablagedemodulator zur Ableitung eines Ablagesignales, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (3) für den
Detektor (1) mit dem Ablagemodulator (4) und zusätzlich mit einem mit der doppelten Chopper-Frequenz
(2f) phasenstarr synchronisierten Präsenzdemodulator
(5) verbunden ist, dessen Ausgang ein zusätzlicher
Schaltungsausgang (A2) ist.

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4· Schaltung nach Anspruch 3, dadurch g e ze ichnet , daß der Ausgang des Präsenzdemodulators (5) mit einem Reglereingang für eine Antriebselektronik (2) zur Regelung der Chopper-Amplitude verbunden ist.

5· Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Ablagedemodulators (4) zusätzlich mit einer den Betrag des Ablagesignales liefernden Betragsschaltung (11; 21, 22) verbunden ist, und daß der Ausgang dieser Betragsschaltung und der Ausgang des Präsenzdemodulators (5) über eine digitale ODER-Verknüpfung (7) zur .r Bereitstellung eines digitalen Präsenzsignales miteinander kombiniert sind, welches anzeigt, ob die Erde sich im Auffaßbereich des Erdhorizontsensors befindet.

ö. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß der Ausgang des Ablagedemodulators mit einem Zweiweggleichrichter (11) verbunden ist, dessen Ausgang und der Ausgang des Präsenzdemodulators jeweils mit einem Schwellenverstärker (12, 13) verbunden sind, und daß die Ausgänge dieser Schwellenverstärker (12, 13) zur Bildung des digitalen Präsenzsignales mit einem ODER-Glied (14) verbunden sind, dessen Ausgang einen zusätzlichen Schaltungsausgang (A3) bildet.

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7. Schaltung nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Ablagedemodulators mit einer Serienschaltung aus einem Zweiweggleichrichter (21) und einem Verstärker (22) verbunden ist, daß der Präsenzdemodulator (5) mit einem weiteren Verstärker (23) verbunden ist, und daß die Ausgänge der beiden Verstärker (22 und 23) auf ein analoges Summierglied (24) geführt sind, dessen Ausgang mit einem Schwellenverstärker (25) verbunden ist, und daß der Ausgang dieses Schwellenverstärkers einen zusätzlichen Schaltungsausgang (A3) bildet.

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