DE3422004C2 - Anordnung für einen Infrarot-Erdhorizontsensor zur Lageregelung eines in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Bearbeitung der Signale eines Erdhorizontsensors eines in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten. Der Erdhorizontsensor arbeitet im Infrarotbereich und weist in der Bildebene einer Eingangsoptik eine mit einer bestimmten Chopper-Frequenz (f) periodisch hin- und herbewegte Chopper-Scheibe mit dem Bild der Erde entsprechendem Durchmesser sowie einen die periodisch unterbrochene Lichtstrahlung gegenüberliegender Erdränder aufnehmenden Detektor (1) auf. Das Ausgangssignal des Detektors (1) wird zur Ableitung eines Ablagesignals synchron mit der Chopper-Frequenz (f) demoduliert. Um den Einfluß der Erdanomalie zu unterdrücken, wird gemäß der Erfindung das verstärkte Ausgangssignal des Detektors (1) zur Erzeugung eines Symmetriesignales zusätzlich synchron mit der doppelten Chopper-Frequenz (2f) demoduliert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für einen Infrarot-Erdhorizontsensor eines in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 33 22 750 sowie der vorveröffentlichten DE-OS 32 14 375 bekannt

Für die Bereitstellung von Lageregelungssignalen z. B. geostationärer Erdsatelliten werden hiernach 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 Zerheacker-Prinzip. Die Infrarotstrahlung der Erde wird durch eine Objektivlinse aus Germanium gesammelt und fällt auf eine kreisförmige Zerhacker-Scheibe in der Bildebene der Linse. Diese Zerhacker-Scheibe hat einen dem Bild der Erde etwa entsprechenden Durchmesser und wird mit einer bestimmten Zerhackcr-Amplitude und einer bestimmten Zerhacker-Frequenz periodisch hin- und herbewegt. Das von der Zerhacker-Scheibe periodisch unterbrochene Licht der beiden gegenüberliegenden, mit der Zerhacker-Frequenz wechselseitig freigegebenen Erdränder wird über eine Sekundäroptik aus einem sphärischen Spiegelsegment und einem Prisma über einen Spektralfilter für den Infrarotbereich auf einen Infrarot-Detektor abgekürzt (IR-Dctketor) z.B.

einen pyroelektrischen Detektor geleitet. Die Schwingung der Zerhacker-Scheibe ist sinusförmig; die Zerhacker-Amplitude wird durch eine Antriebselektronik stabilisiert.
Zeigt die optische Sichtlinie des Erdhorizontsensors zum Erdmittelpunkt, so werden periodisch die gegenüberliegenden Erdränder auf dem Infrarot-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 Synchron-Detektor in eine Sinusschwingung ohne Gleichstromanteil umgewandelt, wobei der Synchron-Detektor phasenstarr mit der Zerhacker-Frequenz umgetastet wird. Das über einen nachgeschalteten Tiefpaß derart erhaltene Null-Signal bestimmt den Nullpunkt des zur Lageregelung des Erdsatelliten verwendeten Ablagesignals. Synchron-Detektor und nachgeschalteter bzw. integrierter Tiefpaß werden im folgenden als Synchrondemodulator bezeichnet.

Zeigt die Sichtlinic des Erdhorizontsensors nicht zum Erdmittelpunkt, so werden von den entgegengesetzten Erdrändern ungleich große Strahlungsanteile auf den IR-Detektor auftreffen. Der IR-Dctektor liefert wieder-

um ein Signal in der Form einer gleichgerichteten Sinusspannung, jedoch sind die Amplituden der Halbwellen unterschiedlich. Der Synchrondemodulator, der phasenstarr mit der Zerhacker-Frequenz umgetastet wird, erzeugt daraus eine Gleichspannung, die angenähert linear abhängt von der Ablade 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 haben;.dies ist jedoch in der Regel nicht der Fall. Speziell in Nord-Südrichtung der Erde haben die gegenüberliegenden Erdränder unterschiedliche Temperatur, was gemeinhin mit Erdanomalie bezeichnet wird, wodurch das Ablagesignal auch dann einen Gleichstromanteil zeigt, wenn die optische Sichtlinie des Erdhorizontsensors tatsächlich auf den Erdmittelpunkt zeigt Das Abiagesignal enthält somit noch einen durch die Erdanomalie bedingten Anomalieanteil, der durch eine NuIlpunktverschiebung der Kennlinie des Erdhorizontsensors in Ordinatenrichtung beschrieben werden kann, wobei die Sensorkenniinie 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 Meßbereiches des Erdhorizontsensors von etwa ±1° Grad nur gering, kann jedoch im Extremfall etwa ±16% des linearen Meßbereiches betragen. Da geostationäre Erdsatelliten auch dazu benutzt werden sollen. Richtfunk- und ferngerichtete Fernsehverbindungen zur Erde herzustellen, muß der Anomalienanteil möglichst unterdrückt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art für die Lageregelung eines Satelliten anzugeben, mit der auf einfache Weise Signale bereitgestellt werden können, die im wesentlichen unabhängig von der Erdanomalie sind und mit denen eiiie genauere Lageregelung des Satelliten ermöglicht wird.

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

VorteilhaJie V/eiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden die verstärkten Ausgangssignale des Infrarot-Detektors in einem weiteren Synchrondemodulator aus Syvichron-Detektor mit nachgeschaltetem Tiefpaß mit der doppelten Zerhacker-Frequenz phasenstarr demoduliert, wodurch ein analoges Präsenz- oder Symmetriesignal erzeugt wird. Dieses Symmetriesignal zeigt dabei eine Abhängigkeit vom Cosinusquadrat 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 Zerhacker-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 Erdmittelpunkt, so ist die Größe dieser abstrahlenden Rächen an de« gegenüberliegenden Erdrändern, die beim Schwingen der Zerhacker-Scheibe vom Erdhorizontsensor erfaßt wird, proportional der von der Zerhacker-Scheibe in der Bildebene des Erdhorizontsensors freigegebenen Fläche und damit auch porportional zu der jeweiligen Zerhacker-Amplitude. Wenn die beiden gegenüberliegenden Erdränder geringfügig unterschiedliche Temperatur aufweisen, liegt demnach Erdanomalie

ίο vor, dann ist die dadurch hervorgerufene Energiedifferenz, die vom Erdhorizcntsensor für die gegenüberliegenden Erdränder erfaßt wird, direkt proportional zu der Zerhacker-Amplitude. Man kann daher diesen durch die Erdanomalie hervorgerufenen Fehler bei exakter Ausrichtung der Erdhorizontsensors durch Einstellen einer kleinen Zerhacker-Amplitude klein halten. Für große Ablagen des Erdhorizontsensors aus der exakten Ausrichtung muß dann der Sichtbereich des Erdhorizontsensors, d. h. die Zerhacker-Amplitude entsprechend vergrößert werden, um eine frühe Sättigung der Ablageker.nünie des Erdhorizontsenscrs zu vermeiden. Die Zerhacker-Amplitude wird daher, um den durch die Erdanomalie bedingten Fehler möglichst klein zu halten, nach einer Kennlinie gesteuert, die dem gespiagelten Symmetriesignal entspricht, wobei für die exakte Ausrichtung des Erdhorizontsensors eine minimale Zerhacker-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 noch positive und negative Anteile aufweist, d. h. die horizontale Kennlinienachse entsprechend der Ablagewerte noch schneidet. Durch eine derartige Steuerung der Zerhacker-Amplitude mit dem gespiegelten und um eine Minimalamplitude versetzten Symmetriesignal hat die Wirkung, daß die ansonsten bei Erdanomalie erhaltene und gegenüber der Normkennlinie ohne Erdanomalie verschoben^ Kennlinie Ablagesignal/Ablage um den Nullpunktbereich so verändert wird, daß sich kleinere Ablagefehler ergeben. Diese Steuerung ist im übrigen auch abhängig vom Anomaliefehler, da das Symmetriesignal selbst unabhängig von der Erdanomalie ist. Die Steuerung der Zerhacker-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. Soalnge das demodulierte Abiagesignal ungleich Null ist, d. h. daß tatsächlich eine Fehllage des Satelliten bzw. eine Ablage der optischen Sichtlinie des Erdhorizontsensors von der Verbindungslinie Satellit/ Erdmittelpunkt votiiegt, dann kann dieses digitale Präsenzsignal durch eine einfache Gleichrichtung des Ablagesignales erhalten werden, d. h. durch eine Bewertung des Betrages des Ablagesignales. 1st die Ablage jedoch klein, d. h. das Ablagesignal bewegt sich im Nullpunktbereich der Ablagekennlinie, dann kann nur das analoge

es Symmetriesignal zur Bildung des digitalen Präsenzsignales herangezogen werden, da dieses — wie oben ausgeführt — in dem Nullpunktbereich des Ablagesignales ein Maximum zeigt. Das betragsmäßige Ablage-

signal und das analoge Symmetriesignal werden zu diesem Zweck in einer einfachen digitalen ODER-Verknüpfung miteinander konbiniert.

Am Ausgang der Schaltung stehen demnach das demodulierte Ablagesignal, das analoge Symmetriesignal und das digitale Präsenzsignal an, die zur Lageregelung schaltungsintern oder schaltungsextern in einem Lagerechner verwendet werden können.

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

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Erdhorizontsensors mit einer Schaltung gemäß der Erfindung Zur Bearbeitung der Ausgangssignale des Erdhorizontsensors;

F i g. 2 ein erstes Schaltungsbeispiel zur Bildung eines digitalen Präsenzsignales;

F i g. 3 ein zweites Schaltungsbeispiel zur Bildung eines digitalen Präsenzsignales.

in Fig. i ist mit dem Biock ί schemaüsc'n der iiifrärot-Detektor eines Erdhorizontsensors einschließlich der Optik und einer mit einer Zerhacker-Frequenz f betriebenen Zerhacker-Scheibe bezeichnet. Der Antrieb der Zerhacker-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 Zerhacker-Scheibe Vorgesehen ist, dessen Signale der Antriebselektronik 2 zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Infrarot-Detektors werden in einem Verstärker 3 verstärkt und anschließend einem Synchrondemodulator 4 bestehend aus einem Synchron-Detektor und einem nachgeschalteten Tiefpaß zugeführt, wobei der Synchrondemodulator mit der Zerhacker-Frequenz f umgetastet wird. Am Ausgang A 1 des Synchrondemodulators 4 liegt dann ein Ablagesignal an. Das verstärkte Ausgangssignal des Infrarotdetektors wird zusätzlich noch einem Präsenzdemodu- !a;or 5 zugeführt, der ebenfalls aus einem Synchron-Detektor mit nachgeschaltetem Tiefpaß besteht, wobei dieser Präsenzdemodulator synchron mit der aus der Zerhackerfrequenz in einem Frequenzverdoppler 6 erzeugten doppelten Zerhacker-Frequenz 2( umgetastet Wird. Das Ausgangssignal dieses Synchrondemodulators ist ein über dem Ablagewinke! aufgetragenes glokkenförmiges Signal und hat bei dem Wert NULL des Ablagewinkels ein Maximum. Vom Maximum fällt das Signal nach beiden Saiten symmetrisch ab, und zwar in Form des Quadratwertes des Cosinus des Ablagewinkels. Dieses Symmetrie- bzw. analoge Präsenzsignal wird an einem zweiten Schaltungsausgang A 2 zur Verfügung gestellt. Dieses Symmetriesignal ist, wie oben erläutert, unabhängig von der Erdanomalie.

Das Symmetriesignal wird, wie in der F i g. I angedeutet, auf den Regeleingang der Antriebselektronik 2 rückgeführt und zur Steuerung der Zerhacker-Amplitude benutzt. Es hat sich herausgestellt, daß zur Verringerung des Anomaüeanteiles die Zerhacker-Amplitude der jeweiligen Ablage optimal angepaßt werden muß, will man die Genauigkeit des Erdhorizontsensors erhöhen. Durch die Steuerung und Stabilisierung der Zerhacker-Amplitude mit Hilfe des Symmetriesignales reduziert sich der Anomaliefehler im Nullpunkt der Abiagekennlinie des Erdhorizontsensors, wie oben angeführt.

Das Ablagesignal und das Symmetriesignal werden .:och über eine digitale ODER-Verknüpfung zu einem digitalen Präsenzsignal kombiniert das an einem Schaltungsausgang A 3 anliegt und anzeigt, ob die Erde in dem Auffaßbereich des Erdhorizontsensors liegt. Die für die Verknüpfung notwendige Schaltung isl in F" i g. 1 mit dem Block 7 bezeichnet.

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

Gemäß F i g. 2 wird das Ablagesignal einem Zweiweggleichrichter 11 Zugeführt, so daß an dessen Ausgang ein unipolares Signal entsprechend dem Betrag der Ablage anliegt. Das unipolares Ausgangssignal und das Symmetriesignal werden jeweils separat einem Schwellenverstärker 12 bzw. 13. /.. B. Schmitt-Triggern mit entsprechender Schwellenspannung zugeführt. Die Ausgangssignale der Schmitt-Trigger werden in einem digitalen ODER-Glied 14 kombiniert, an dessen Ausgang dann das digitale Präsenzsignal anliegt.

Bei der Verknüpfungsschaltung 7" gemäß F i g. 3 wird aus dem Ablagesignal in einer Gleichrichterschaltung 21 wiederum ein unipolares, dem Betrag des Ablagesigna-IcS criipsrcCucndes Signal erzeug!. Dieses unipolare Signal und das Symmetriesignal werden separat in Verstärkern 22 bzw. 23 in ihren Maximalwerten aufeinander abgestimmt und anschließend in einem Summierglied 23 analog addiert. Das Ausgangssignal des analogverstärkenden Summiergliedes wird wiederum einem Schwcllenverstärker 24, z. B. einem Schmitt-Trigger mit bestimmter Schwellenspannung zugeleitet. Das Ausgangssignal dieses Schmitt-Triggers 25 ist dann das digitale Präs.'iizsignal. 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 Erde im Auffaßbereich des Erdhorizontsensors präsent ist.

Die an den Schaltungsausgängen Ai bis A 3 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 A 2 liegenden analogen Symmetriesignales schaltungsintern zur Eliminierung des Anomalieanteiles zu verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung für einen Infrarot-Erdhorizontsensor eines in einem kreisförmigen Orbit befindlichen Erdsatelliten,

— mit einer Eingangsoptik, durch welche die Erde in einer Bildebene abqebildet wird,

— mit einer in der Bildebene angeordneten kreisrunden Zerhacker-Scheibe, die mit einer vorgegebenen Zerhacker-Frequenz hin- und herbewegt wird und einen dem Bild der Erde entsprechenden Durchmesser besitzt,

— mit einer Antriebselektronik für die Zerhackerscheibe,

— mit einem Infrarot-Detektor, welcher die durch die Zerhackerscheibe zerhackte Infrarot-Strahlung gegenüberliegender Erdränder aufnimmt,

— mit eisoi Verstärker, welcher dem Infrarot-Detektor nachgeschaltet ist, und

— mit einem Synchron-Detektor sowie einem diesem nachgeschalteten Tiefpaß, wobei dem Synchron-Detektor das verstärkte Signal des Infrarot-Detektors und ein Zerhackersignal mit der Zerhacker-Frequenz zugeführt werden und der durch den Tiefpaß herausgefilterte Gleichanteil des Ausgangssignales des Synchron-Detektors einem Rechner zur Lageregelung zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Synchron-Detektor mit nachgeschaltetem Tiefpaß (5) vorgesehen ist, dem das verstärkte Ausgangssignal des Infrarot-Detektors {1) und ein weiteres Zerhackersignal, das die doppelte Zjrhacker-Frequenz aufweist zugeführt werden, und daß der durch den weiteren Tiefpaß herausgefilterte Gleichanteil des Ausgangssignales des weiteren Synchrondetektors (5) als Symmetriesignal einmal dem Rechner zur Lageregelung und des weiteren einem Reglereingang der Antriebselektronik (2) zur Regelung der Zerhakker-Amplitude zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge beider Synchron-Detektoren mit ihren nachgeschalteten Tiefpässen (4 bzw. 5) mit einer Schaltung (7) zur Aufbereitung des Symmetriesignales verbunden sind, in der der Betrag des Gleichanteiles des Ausgangssignales des ersten Synchrondetektors (4) und der Gleichanteil des Ausgangssignales des weiteren Synchrondetektors (5) in einer digitalen Oder-Verknüpfung (14; 24, 25) Zur Bereitstellung eines digitalen Präsenzsignales für den Rechner zur Lageregelung miteinander kombiniert sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Synchron-Detektors mit seinem nachgeschalteten Tiefpaß (4) mit einem Zweiweggleichrichter (11) verbunden ist, daß dessen Ausgang und der Ausgangs des weiteren Synchron-Detektors mit seinem nachgeschalteten Tiefpaß (5) 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 Ausgangssignal als digitales Präsenzsignal dem Rechner zur Lageregelung zugeführt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Ausgang des ersten Synchrondetektors mit seinem nachgeschalteten Tiefpaß (4) mit einer Serienschaltung aus einem Zweiweg-Gleichrichter (21) und einem Verstärker (22) verbunden ist, daß der Ausgang des weiteren Synchron-Detektors mit seinem nachgeschalteten Tiefpaß (5) mit einem weiteren Verstärker (23) verbunden ist, und daß die Ausgänge dieser beiden Verstärker (22, 23) auf ein analoges Summierglied (24) geführt sind, dessen Ausgang mit einem Schwellenverstärker (25) verbunden ist, dessen Ausgangssignal als digitales Präsenzsignal dem Rechner zur Lageregelung zugeführt wird.