DE4214136C2 - Zweiachsig messender Sonnensensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiachsig messenden Sonnensensor zur Lage­ bestimmung von Satelliten gemäß den Gattungsbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Sonnensensoren zur Lagebestimmung von Satelliten sind an sich bekannt, s. beispielsweise "Spacecraft Attitude Determination and Control" von James R. Wertz, D. Reidel Publishing Company, 1985, S. 155-166. Dabei wird auf die relative Lage der Sonne zum Koordinatensy­ stem des Satelliten abgestellt. In dem Schemabild gemäß Fig. 1 ist in vereinfachter Form eine solche Lagebestimmung mittels Sonnensen­ soren skizziert. Hierbei stellt S den Sonnenvektor dar, α den Winkel der Sonnenvektor-Projektion auf die XZ-Ebene zur Z-Achse und β den Winkel der Sonnenvektor-Projektion auf die YZ-Ebene zur Z-Achse. Zur La­ gebestimmung müssen für diese Winkel α und β beim Stand der Technik i.a. zwei Sonnensensoren, die im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, verwendet werden.

Bei diesen bekannten Sonnensensoren wird der Auftreff­ punkt des durch einen Spalt einfallenden Sonnenlichtes auf einer Detek­ torzeile mit z. B. 2.048 nebeneinander liegenden Detektoren zur Ermittlung des Einfallwinkels verwendet. Um nun die beiden Winkel α und β messen zu können, werden - wie bereits angeführt - zwei solcher Sensoren bzw. Sen­ sorköpfe in 90°-Anordnung benötigt, und damit verbunden auch zwei Detek­ torzeilen mit der zugehörigen Ausleseelektronik.

Ein Sonnensensor der eingangs genannten Art ist aus der US 4 999 483 bekannt. Dieser weist im Abstand zu einer linearen Photodetektorzeile und in paralleler Anordnung zu dieser eine Blende auf, welche mit einem V- förmigen, spitzwinkligen Spalt versehen ist. Bei einer Projektion des Spaltes in Richtung der z-Achse des satellitenfesten Koordinatensystems x, y, z schneiden die projizierten Schenkel des Spaltes bzw. Schlitze die Detektorzeile in symmetrischer Weise an zwei Stellen. Bei senkrechtem, d. h. in Richtung der z-Achse erfolgendem Lichteinfall werden die entsprechenden Detektoren an diesen Stellen belichtet. Bei schrägem Lichteinfall wandert die Spaltabbildung in von den Einfallswinkeln α und β abhängiger Weise. Diese Einfallswinkel sind der xz- sowie der y-Ebene zugeordnet. Die x- und die y-Achsen sind senkrecht bzw. parallel zur Detektorzeile orientiert. Mit dieser Anordnung ist eine relativ komplizierte rechnerische Auswertung zur Bestimmung der Einfallswinkel α und β verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sonnensensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der die Bestimmung der Winkel α und β mit nur einem Sensor und nur einer Detektorzeile gestattet, und bei dem die Auswertung auf möglichst einfache Weise erfolgt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Sonnensensor sowohl nach Anspruch 1 als auch nach Anspruch 2 gelöst, welche beide auf demselben Erfindungsgedanken beruhen.

Demnach wird von einem Spalt Gebrauch gemacht, dessen Schenkel bzw. Schlitze senkrecht zueinander sowie gleichzeitig in Richtung der x- sowie der y-Achse orientiert sind. Hierdurch wird es möglich, der Messung jedes der beiden Einfallswinkel je eine der beiden Hälften der Detektorzeile zuzuordnen.

Zwar ist aus der EP 0 301 947 B1 eine photoelektronische Vorrichtung zur Entdeckung und Lokalisierung einer Strahlungsquelle bekannt, die gemäß der dortigen Fig. 7 ebenfalls von einem Spalt mit zwei Schlitzen in 90°- Anordnung und einer mit Abstand dazu angeordneten und um 45° geneigten Detektorzeile Gebrauch macht, jedoch handelt es sich dabei nicht um einen Sonnensensor zur Verwendung im Rahmen der Lagebestimmung von Satelliten, und außerdem liegen auch dort die Meßebenen der beiden Winkel parallel und senkrecht zur Detektorzeile.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben, und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbei­ spiel erläutert. Durch die Figuren der Zeichnung werden diese Erläute­ rungen ergänzt.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schemabild zur Lagebestimmung mittels eines Sonnensensors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Aufbaues eines Sonnensensor- Ausführungsbeispieles für gleichzeitige Bestimmung der Winkel α und β, gemäß der Erfindung.

Der generelle Erfindungsgedanke sieht vor, daß durch eine entsprechende Formgebung des Lichteintrittsspaltes und Anordnung der Detektorzeile die Bestimmung der Winkel α und β mit nur einem Sensor und einer De­ tektorzeile ermöglicht wird, wobei das bisher bestehende Meßprinzip bei­ behalten werden kann. Es wird also die örtliche Lage bzw. der Auftreff­ punkt auf eine im Abstand a angeordnete Fläche des durch einen Spalt Sp einfallenden Lichtes zur Bestimmung der Einfallwinkel verwendet.

Um den Ort des auftreffenden Lichtes zu ermitteln, werden - wie bisher - lichtempfindliche Detektoren verwendet, die nacheinander mit definiertem Abstand und zeilenförmig angeordnet sind. Solche Anordnungen stehen nach Detektoranzahl und Arbeitsprinzip in den verschiedensten Ausführungsfor­ men zur Verfügung. Um die beleuchteten Detektoren zu ermitteln, werden die Spannungen aller Detektoren in periodischen Zeitabständen ausgele­ sen. Diese Auslesung erfolgt seriell, d. h. am Ausgang der Ausleseelek­ tronik der Detektorzeile liegen zeitlich nacheinander Spannungen der De­ tektoren 1 bis n an, welche proportional zum Lichteinfall auf dem ent­ sprechenden Detektor sind.

Solche Detektorzeilen sind entweder aus Photodioden oder als CCD′s (charge coupled devices) aufgebaut. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von einer Detektorzeile mit 4000 Einzeldetektoren ausgegangen. Der Bestrahlungszustand jedes einzelnen numerierten Detektors wird am Aus­ gang der Ausleseelektronik abgefragt. Eine nachgeschaltete Auswerteelek­ tronik berechnet dann aus den Nummern der belichteten Detektoren den oder die Einfallswinkel des Lichtes.

Wie in der Fig. 2 veranschaulicht, ist der Eintrittsspalt Sp der Blende rechtwinklig ausgebildet. Zur Optimierung können unter Umständen auch andere Winkel verwendet werden. Bei genau senkrecht einfallendem Licht - der Sonnenvektor steht dann senkrecht zur Sensorfläche (α=0°, β=0°) - beleuchten die Spaltabbildungen die Detektoren mit den Nummern 1000 und 3000. Treffen nun die Sonnenstrahlen unter anderen Winkeln auf, so resultiert dies in einer Bewegung der Spaltabbildung auf der Ab­ bildungsebene. Im gültigen Meßbereich - also im Bewegungsbereich des Punktes E der Spaltabbildung auf der Abbildungsebene - kann der Ein­ fallswinkel α aus dem (oder den) gerade erleuchteten Detektor(en) im Bereich der Nummern 1 bis 2000 bestimmt werden, und der Einfallswinkel β aus dem (oder den) gerade beleuchteten Detektor(en) im Bereich der Nummern 2001 bis 4000. Die maximalen Endwerte der meßbaren Winkel sowie die Winkel für die Mittenstellung - in der die Detektoren 1000 und 3000 beleuchtet sind - ergeben sich aus der geometrischen Anordnung des Eintrittsspaltes zur Abbildungsebene (Abstand, seitlicher Versatz) und sind konstruk­ tionstechnisch einstellbar. Vorteilhafterweise werden die Detektorzeile und ihr Träger sowie die Ausleseelektronik und die Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Claims (4)

1. Zweiachsig messender Sonnensensor zur Lagebestimmung von Sa­ telliten, bei dem der Auftreffpunkt des durch einen Spalt einfallenden Son­ nenlichts auf einer aus einer Vielzahl von Einzelsensoren bestehenden De­ tektorzeile zur Ermittlung des mindestens einen, zwischen der z-Achse eines Satelliten und der Projektion des Sonnenlichtvektors auf eine die z-Achse einschließende Ebene gemessenen Einfallswinkels herangezogen wird, wo­ bei der Lichteintrittsspalt (Sp) in einer in einem bestimmten Abstand (a) über einer die Detektorzeile enthaltenden Meßbereichsebene angeordneten Blende gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichteintrittsspalt (Sp) rechteckig oder rechtwinklig ausgebildet ist und der eine Einfallswinkel (α) des Sonnenlichts aus den beleuchteten Detektoren der einen Hälfte der Detektorzeile und gleichzeitig der andere Einfallswinkel (β) aus den be­ leuchteten Detektoren der anderen Hälfte der Detektorzeile mit Hilfe einer Ausleseelektronik und einer anschließenden Auswerteelektronik ermittelbar sind.

2. Zweiachsig messender Sonnensensor zur Verwendung bei der Lage­ bestimmung eines Satelliten, welchem ein rechtwinkliges Koordinatensy­ stem (x, y, z) zugeordnet ist, wobei die Winkel α und β zwischen einer er­ sten Achse (z-Achse) und den Projektionen des die Sonnenrichtung ange­ benden Sonnenvektors S auf die diese erste Achse (z-Achse) und jeweils eine der beiden anderen Achsen (x-Achse, y-Achse) enthaltenden Ebenen (xz-Ebene, yz-Ebene) zu messen sind, mit einer Blende, die einen aus zwei im Winkel zueinander verlaufenden Schlitzen bestehenden Spalt aufweist, und einer im Abstand (a) von der Blende und parallel zu dieser derart angeordneten Photodetektorzeile, daß eine in Richtung der ersten Achse (z- Achse) erfolgende Projektion des Spaltes (Sp) auf die Photodetektorzeile diese an zwei Stellen schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Schlitzen 90° beträgt und die Schlitze in Richtung der beiden anderen Achsen (x-Achse, y-Achse) orientiert sind.

3. Sonnensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Projektion des Spaltes (Sp) auf die Detektorzeile letztere jeweils unter einem Winkel von 45° schneidet.

4. Sonnensensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Projektion des Spaltes (Sp) die Photodetektorzeile bei 1/4 und 3/4 ihrer Länge schneidet.