DE3537871A1 - Sternsensor-anordnung fuer einen satelliten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sternsensor-Anordnung für einen Satelliten, der auf seiner Umlaufbahn und/oder während des Transfers in die Umlaufbahn mindestens mit einem Teil um eine satellitenfeste Drehachse rotiert und mit einem in Richtung der Drehachse blickenden, ebenfalls um die Drehachse rotierenden Sternsensor aus­ gestattet ist.

Eine derartige Sternsensor-Anordnung ist aus der älte­ ren deutschen Patentanmeldung P 34 28 741.8 bekannt. Dort handelt es sich um einen Erdsatelliten, der einen auf die Sonne ausgerichteten Satellitenkörper sowie einen mit diesem drehbar verbundenen Funktionsteil auf­ weist. Der Funktionsteil trägt auf die Erde ausgerich­ tete Funktionselemente, beispielsweise Antennen oder Kameras. Er führt während eines Bahnumlaufs um eine senkrecht zur Bahnebene orientierte, satellitenfeste Drehachse nahezu eine volle Drehung im Bahnumlaufsinn aus. Ein in Richtung dieser Drehachse blickender Stern­ sensor ist an dem Funktionsteil angebracht, ebenso wie ein weiterer Sternsensor, der jedoch eine von der Dreh­ achse abweichende Blickrichtung aufweist, welche in­ folge der Rotation des Funktionsteils quasi auf einem Kegelmantel mit der Drehachse als Symmetrieachse um­ läuft.

Mit Hilfe der beiden auf dem rotierenden Funktionsteil vorgesehenen Sternsensoren dieser bekannten Meßanord­ nung ist eine sehr genaue Lagebestimmung des Funktions­ teils selbst, auf dessen genaue Ausrichtung es primär ankommt, möglich. Allerdings erscheint als nachteilig, daß zwei Sternsensoren verwendet werden müssen. Diese Komponenten sind relativ teuer und es empfiehlt sich daher, ihre Anzahl so weit wie möglich zu reduzieren.

Auch spinstabilisierte Satelliten, die als Ganzes rela­ tiv schnell um eine im allgemeinen raumfeste Drehachse rotieren, können mit einem oder mehreren Sternsensoren ausgerüstet sein, von denen mindestens einer mit seiner Blickrichtung in Richtung der Drehachse orientiert ist. Ist nur ein solcher Sternsensor vorhanden, so können sich bei einem derartigen Satelliten beispielsweise in der Transferphase, die dem Erreichen der gewünschten Umlaufbahn vorausgeht, dadurch gewisse Schwierigkeiten ergeben, daß der eine Sternsensor, der im allgemeinen in Schubrichtung blickt, zeitweise keinen hellen Stern im Gesichtsfeld hat. Damit ist auch eine nur grobe Lageregelung während der Transferphase zumindest erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stern­ sensor-Anordnung der eingangs genannten Art bereitzu­ stellen, die mit möglichst wenig Sternsensoren auskommt sowie während des Transfers und/oder nach Erreichen der Umlaufbahn eine möglichst genaue Lageregelung gewähr­ leistet.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Blickrichtung des Sternsensors ein hinsicht­ lich dieser schräggestellter, mitrotierender Spiegel angeordnet ist. Es genügt somit nur ein Sternsensor, nämlich der in die Richtung der Drehachse orientierte. Dessen Blickrichtung wird durch den ebenfalls rotieren­ den Spiegel vorzugsweise im spitzen Winkel von der Drehachse abgelenkt und läuft somit auf einem Kegel­ mantel um. Dabei geraten in periodischer Wiederholung ständig erneut ausreichend helle Sterne ins Blickfeld des Sternsensors, womit die Grundlage für eine genaue Lageregelung gegeben ist. Bei Einhaltung der gewünsch­ ten Ausrichtung des Satelliten und Kenntnis von dessen Rotationsgeschwindigkeit ist im voraus berechenbar, wann ein bestimmter Stern im Blickfeld des Sternsensors auftaucht und welche Bahn sein Bildpunkt in der Stern­ sensor-Bildebene beschreiben müßte. In der Bildebene des Sternsensors befindet sich zweckmäßig eine matrix­ artige Anordnung hochauflösender Photosensorelemente (CCD-Arrays). Aus Abweichungen des genannten Bild­ punktes von der vorausberechneten Bahn in der Bildebene kann rechnerisch auf eine Fehlausrichtung des Satelli­ ten geschlossen werden. Die daraus zu ermittelnden Lagefehlersignale werden dann von der Lageregelung des Satelliten in entsprechende Korrekturkommandos um­ gesetzt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, einen halbdurchlässigen Spiegel zu ver­ wenden. Damit ergeben sich praktisch gleichzeitig zwei Blickrichtungen des Sternsensors, nämlich eine in Richtung der Drehachse orientierte sowie eine zweite, auf einer Kegelbahn umlaufende. Die daraus sich erge­ benden überlagerten Bilder sind bei der Auswertung leicht voneinander trennbar, da sie aufgrund der Dreh­ bewegung des Satelliten bzw. seines rotierenden, den Sternsensor tragenden Teils verschieden moduliert sind. In diesem Falle ist es möglich, vorwiegend den in Richtung der Drehachse orientierten Strahlengang aus­ zuwerten, solange sich in dessen Gesichtsfeld ein aus­ reichend heller Stern befindet. Ist dies nicht der Fall, so kann hier auf den durch den rotierenden Spie­ gel abgelenkten Strahlengang zurückgegriffen werden.

Das Prinzip, die Blickrichtung des Sternsensors mit Hilfe eines schräggestellten rotierenden Spiegels aus der Richtung der Drehachse abzulenken, kann auch bei einem Nachrichtensatelliten angewandt werden, dessen schwenkbarer Antennenreflektor während der Transfer­ phase über dem Sternsensor heruntergeschwenkt ist, wo­ durch dessen Blickrichtung an sich vollständig verdeckt wäre. In diesem Falle enthält der heruntergeschwenkte Antennenreflektor gerade über dem Sternsensor eine Öffnung, welche das Gesichtsfeld des Sternsensors frei­ gibt, sowie einen oberhalb der Öffnung an ihm befestig­ ten, schräg in die Blickrichtung des Sternsensors hineinragenden Spiegel. Der Spiegel tritt dann ledig­ lich während der Transferphase in Funktion, während der der Satellit oder wenigstens der die Antenne tragende Funktionsteil um eine in Schubrichtung orientierte Drehachse rotiert, mit welcher die Blickrichtung des Sternsensors übereinstimmt. Nach Erreichen der Umlauf­ bahn ist der Antennenreflektor mit dem an ihm befestig­ ten Spiegel hochgeklappt, so daß der Sternsensor nun­ mehr lediglich in Achsrichtung blickt. Etwaige Unge­ nauigkeiten, welche durch die Anbringung des Spiegels an dem schwenkbaren Antennenreflektor bedingt sind, wirken sich nicht störend aus, da während der Transfer­ phase keine extreme Lagemeßgenauigkeit erforderlich ist.

Die Erfindung ist demnach anwendbar sowohl bei spin­ stabilisierten Satelliten als auch solchen vom Dual-Spin-Typ, welche aus einem nicht rotierenden Satellitenkörper sowie einem rotierenden Funktionsteil bestehen, wobei der nicht rotierende Satellitenkörper dreiachsenstabilisiert sein kann. Der Einsatz des rotierenden, schräggestellten Spiegels im Strahlengang des Sternsensors kann dabei entweder nur während der Transferphase oder nur nach Erreichen der Umlaufbahn erfolgen, aber auch bei einer einzigen Mission während beider Phasen.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 einen spinstabilisierten Satelliten mit der erfindungsgemäßen Sternsensor-Anordnung,

Fig. 2 einen Satelliten mit nicht rotierendem Satellitenkörper sowie rotierendem, einen schwenkbaren Antennenreflektor sowie eine erfindungsgemäße Sternsensor-Anordnung tragen­ dem Funktionsteil.

In Fig. 1 ist ein spinstabilisierter, um eine Drehachse 3 rotierender Satellit 1 in schematischer, stark ver­ einfachter Weise dargestellt. Der Satellit ist im Quer­ schnitt achteckig und trägt an seinen acht Außenflächen Solarzellen 9 zum Zwecke der Energieversorgung. Ein Sternsensor 4 ist an dem Satelliten 1 derart ange­ bracht, daß seine Blickrichtung 10 zunächst in Richtung der Drehachse 3 orientiert ist. In diesem Strahlengang des Sternsensors 4 ist ein fest mit dem Satelliten 1 verbundener, schräggestellter Spiegel 5 angeordnet, welcher halbdurchlässig ist. Infolgedessen ergibt sich zusätzlich eine neue Blickrichtung 11 des Sternsensors 4, welche infolge der Rotation des Satelliten 1 um seine Drehachse 3 auf einem Kegelmantel umläuft. Während eines solchen Umlaufes gerät eine große Anzahl unterschiedlich heller Sterne in das in der Blick­ richtung 11 liegende Gesichtsfeld des Sternsensors 4. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Optik und einer in deren bildseitiger Brennfläche befindlichen, matrix-artig flächenhaften Anordnung von Photosensorelementen, wobei hierfür zweckmäßig CCD-Arrays verwendet werden.

Das Auslesen derartiger Photosensor-Arrays gehört prin­ zipiell zum Stand der Technik und stellt keinen Teil der Erfindung dar. Im Falle des halbdurchlässigen Spie­ gels 5 der Fig. 1 entstehen in der Bildebene des Stern­ sensors 4 zwei sich überlagernde Bilder. Das der Blick­ richtung 10 zuzuordnende Bild enthält konzentrische, kreisförmige Bahnen der in dem zugeordneten Blickfeld befindlichen Sterne. Hingegen enthält das der Blick­ richtung 11 zugeordnete Bild parallele, nur leicht gekrümmte, nahezu gerade Linien bildende Sternenbahnen. Dieser Unterschied in der Bildstruktur kann bei der Auswertung zum Zwecke der Trennung beider Bilder aus­ genutzt werden.

In Fig. 2 ist in schematischer, stark vereinfachter Weise ein Satellit 1 vom Dual-Spin-Typ dargestellt, der aus einem nicht rotierenden Satellitenkörper 12 sowie einem über eine Drehkupplung 13 an diesem ange­ brachten Funktionsteil 2 besteht. Auf dem als Träger­ plattform ausgebildeten Funktionsteil 2 ist ein schwenkbarer Antennenreflektor 6 angebracht, der in Fig. 2 in der heruntergeschwenkten Stellung dargestellt ist, in der er an sich das Blickfeld des ebenfalls am Funktionsteil angebrachten Sternsensors 4 verdecken würde. Der Antennenreflektor 6 weist jedoch in seinem im heruntergeschwenkten Zustand über dem Sternsensor 4 befindlichen Bereich eine Öffnung 8 auf, die das Blick­ feld für den Sternsensor 4 freigiebt. Über dieser Öffnung 8 ist am Antennenreflektor 6 ein schräggestell­ ter Spiegel 7 angebracht, der zu einer gegenüber der ursprünglichen Blickrichtung des Sternsensors 4, die mit der Drehachse 3 des Funktionsteils 2 übereinstimmt, geänderten Blickrichtung 14 führt. Diese Blickrichtung 14 läuft auch hier infolge der Rotation des Funktions­ teils 2 um seine Drehachse 3 auf einem Kegelmantel um. Der Sternsensor 4 kann wie der in Fig. 1 aufgebaut sein. Der Antennenreflektor 6 befindet sich nur während der Transferphase der Satellitenmission in der in Fig. 2 dargestellten, heruntergeschwenkten Stellung. Nach Erreichen der Umlaufbahn schwenkt der Antennenreflektor 6 in Richtung des Pfeiles 15 hoch, womit auch der Spiegel 7 aus dem Strahlengang des Sternsensors 4 ver­ schwindet, dessen Blickrichtung nunmehr mit der Dreh­ achse 3 des rotierenden Funktionsteils 2 übereinstimmt. Im Falle des Satelliten 1 der Fig. 2 kann die Lage­ regelung während der Transferphase in grober Weise allein vom Sternsensor 4 überwacht werden. Nach Er­ reichen der Umlaufbahn, beispielsweise einer geostatio­ nären Bahn mit nach Norden ausgerichteter Blickrichtung des Sternensors 4, müssen im allgemeinen andere Senso­ ren, etwa Erd- oder Sonnensensoren, zur Lageregelung hinzutreten. Der zum Antennenreflektor 6 gehörige Erreger ist ebenso wie andere nicht erfindungswesent­ liche Teile des Satelliten in der Fig. 2 nicht dar­ gestellt. Letzteres gilt auch für die Fig. 1.

Der Winkel, unter dem die Spiegel 5 bzw. 7 gegenüber der Blickrichtung 10 in Fig. 1 bzw. der Drehachse 3 in Fig. 2 geneigt sind, hängt von den spezifischen Gegebenheiten der Satellitenmission ab. Dieser Winkel wird jeweils so bemessen sein, daß in das rotierende Blickfeld des Sternsensors 4 während einer Umdrehung möglichst viele besonders helle und gut identifizier­ bare Sterne gelangen. Hierbei ist noch darauf zu achten, daß die Sonne mit ihrer äußerst hohen Strahlen­ intensität möglichst nicht in das Blickfeld des Stern­ sensors 4 gerät, da sich dies für die Photosensoren als schädlich erweisen könnte.

Claims (3)

1. Sternsensor-Anordnung für einen Satelliten, der auf seiner Umlaufbahn und/oder während des Transfers in die Umlaufbahn mindestens mit einem Teil um eine satellitenfeste Drehachse rotiert und mit einem in Richtung der Drehachse blickenden, ebenfalls um die Drehachse rotierenden Sternsensor ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Blickrichtung des Sternsensors (4) ein hinsichtlich dieser schräggestellter, mitrotierender Spiegel (5) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spiegel (5) halb durchlässig ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spiegel (7) an einem schwenkbaren, im heruntergeschwenkten Zustand über dem Sternsensor (4) befindlichen Antennenreflektor (6) über einer in diesem Zustand die Blickrichtung des Stern­ sensors (4) freigebenden Öffnung (8) im Antennenreflek­ tor (6) angebracht ist.