DE60124442T2

DE60124442T2 - Erfassungstechniken für optische Satellitenkommunikation

Info

Publication number: DE60124442T2
Application number: DE60124442T
Authority: DE
Inventors: Todd L. Rancho Palos Verdes Mendenhall; Michael L. Narigon
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: US6535314B1; EP1130809A3; DE60124442D1; EP1130809A2; EP1130809B1; JP2001251248A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Nachrichtenaustausch von Satelliten und betrifft insbesondere solchen Nachrichtenaustausch, der optische Strahlen, wie Laserstrahlen, verwendet.
Die Strahlen, die zum optischen Nachrichtenaustausch von Weltraum zu Weltraum und Weltraum zur Erde verwendet werden, haben extrem schmale Strahlweiten, die eine hohe Bandbreite und Regelungen zum Ausrichten und Verfolgen erfordern, um eine angemessene Signalleistung für den Nachrichtenaustausch aufrechtzuerhalten. Die Strahlweiten sind so klein (in der Größenordnung von 1 bis 20 Mikrorad), dass Verfahren benötigt werden, um zunächst die Nachrichtenaustauschstrahlen ausgehend von der üblichen Ausrichtungsunsicherheit von 0,1 bis 0,3 Grad des sich bewegenden Raumfahrzeugs zu erfassen. Das Erfassungsverfahren muss hochgradig störunanfällig sein und das Gesamtgewicht und den Leistungsbedarf für den optischen Nachrichtenaustausch minimieren.
Strahlertassungsverfahren sind in der Vergangenheit beschrieben worden. Zum Beispiel beschreibt U.S. Patent No. 3,504,182 (Pizzurro et al., ausgestellt am 31. März 1970) in den Spalten 9 bis 11 und 5 ein Erfassungsverfahren, in dem ein erster Strahl eines ersten Satelliten in einem Sichtfeld an einem Punkt verweilt, während ein zweiter Strahl eines zweiten Satelliten das ganze Sichtfeld abtastet. Sobald die Strahlen ihre jeweiligen Satelliten beleuchten, endet die Erfassung.
U.S. Patent No. 3,511,998 (Smokler, ausgestellt am 12. Mai 1970) beschreibt ein Erfassungsverfahren, das eine durch Grenzschalter begrenzte langsam oszillierende Abtastbewegung verwendet. Der Empfang eines zweiten Strahlsignals während der langsamen Abtastbewegung beendet die Erfassung (Spalte 11).
U.S. Patent No. 5,060,304 (Solinsky, ausgestellt am 22. Oktober 1991) beschreibt ein Erfassungsverfahren, das auf Strahlspiegelung beruht (Zusammenfassung).
U.S. Patent No. 5,282,073 (Defour et al., ausgestellt am 25. Januar 1994) beschreibt ein Erfassungsverfahren, in dem die Weite des Strahls während der Erfassung geändert wird (Spalten 5 bis 6).
U.S. Patent No. 5,475,520 (Wissinger, ausgestellt am 12. Dezember 1995) beschreibt ein Ertassungsverfahren, in dem mehrere ausgesendete Strahlen unscharf gemacht werden, um eine großflächige Abdeckung während der Erfassung bereitrustellen (Spalte 2).
U.S. Patent No. 5,592,320 (Wissinger, ausgestellt am 7. Januar 1997) beschreibt ein Erfassungsverfahren, in dem ein Strahl während der Erfassung mit Zeit- oder Ortsinformation moduliert wird (Spalte 3).
U.S. Patent No. 5,710,652 (Bloom et al., ausgestellt am 20. Januar 1998) beschreibt ein Erfassungssystem, das eine Matrix einer CCD-Erfassungskamera verwendet (Spalte 5).
EP 0 325 429 A2 offenbart ein geostationäres Erdumlauf-Knoten-Raumfahrzeug, das eine Vielzahl optischer Datenübertragungsgeräte zum Nachrichtenaustausch mit einer Vielzahl von Nutzer-Raumfahrzeugen in niedriger Erdumlaufbahn umfasst. Darüber hinaus umfasst das Knoten-Raumfahrzeug eine einzelne Bakeneinheit zum Richten eines Bakenstrahls auf ein Unsicherheitsgebiet, wo ein ausgewähltes Benutzer-Raumfahrzeug erwartet wird. Wenn ein Sensor auf dem Benutzer-Raumfahrzeug den Bakenstrahl des Knoten-Raumfahrzeugs entdeckt, richtet das Benutzer-Raumfahrzeug einen Nachrichtenaustauschstrahl auf das Knoten-Raumfahrzeug. Das Knoten-Raumfahrzeug beginnt dann, den Nachrichtenaustauschstrahl zu verfolgen und schaltet auf seinen schmalen Nachrichtenaustauschstrahl um und richtet ihn auf das Benutzer-Raumfahrzeug.
EP 0 317 373 A2 offenbart ein optisches Nachrichtenaustauschsystem zwischen zwei Satelliten, wobei der Abtastschritt in einem optischen Zwischen-Satelliten-Erfassungsvorgang so durchgeführt wird, dass ein Strahl, und ein Teil eines Sichtfeldes, das auf einen Detektor abgebildet wird, gleichzeitig über ein erstes Sichtfeld abgetastet werden. Das durch das Sichtfeld abgetastete Suchmuster, das auf den Detektor abgebildet wird, folgt und hinkt dem durch den Strahl abgetasteten Muster um einen Abstand nach, der zumindest teilweise von der Entfernung zwischen den zwei Satelliten abhängt.
Jedes dieser bisherigen Verfahren und Systeme hat Einschränkungen, die deren Verwendbarkeit einschränken.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen optischen Strahl verwendet, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zu der ersten Endeinrichtung fernen zweiten Endeinrichtung geeignet ist. Die Vorrichtung auf der ersten Endeinrichtung richtet den von der zweiten Endeinrichtung empfangenen Strahl mit einem Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung innerhalb eines Unsicherheitsbereich befindet, die ein Verfolgen des Strahls mit ausreichender Genauigkeit erlaubt, um Datenübertragung mit dem optischen Strahl zu ermöglichen. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung eine optische Einrichtung einschließen, die einen Empfang des Strahls und Übertragung des Strahls entlang eines Pfades ermöglicht. Ein Stellmechanismus wird benutzt, um die optische Einrichtung auf den Ort der zweiten Endeinrichtung mit einem zweiten Unsicherheitsbereich zu richten, der größer ist, als der erste Unsicherheitsbereich. Ein Erfassungssensor empfängt wenigstens einen Teil des Strahls und bestimmt den Ort der zweiten Endeinrichtung innerhalb eines dritten Unsicherheitsbereichs, der größer ist, als der erste Unsicherheitsbereich und kleiner als der zweite Unsicherheitsbereich. Eine Steuerung reagiert auf die Ortsbestimmung der zweiten Endeinrichtung, um den Stellmechanismus zu veranlassen, wenigstens einen Teil der optischen Einrichtung zu bewegen, um erfolgreich die Lage des Strahlpfads relativ zu dem Erfassungssensor einzustellen, wobei die Größe des dritten Unsicherheitsbereichs erfolgreich die Größe des ersten Unsicherheitsbereichs erreicht, um den Beginn einer Verfolgung des Strahls zu ermöglichen.
Eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zu der ersten Endeinrichtung fernen zweiten Endeinrichtung geeigneten optischen Strahl verwendet. Die Vorrichtung auf der ersten Endeinrichtung richtet den von der zweiten Endeinrichtung empfangenen Strahl mit einem Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um ein Verfolgen des Strahls mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, um Datenübertragung mit dem Strahl zu ermöglichen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Optik, die den Strahl empfängt und ein erstes Sichtfeld (FOV) mit einem ersten Mittelpunkt festlegt. Ein Stellmechanismus richtet die Optik in die Richtung der zweiten Endeinrichtung. Ein Erfassungssensor legt ein zweites Sichtfeld mit einem zweiten Mittelpunkt fest, wobei der Erfassungssensor wenigstens einen Teil des Strahls empfängt und die zweite Endeinrichtung innerhalb eines Teils des ersten Sichtfelds auffindet. Eine Steuerung, die auf das Auffinden der zweiten Endeinrichtung durch den Erfassungssensor reagiert, steuert den Stellmechanismus nacheinander, um den ersten und zweiten Mittelpunkt auf einen Bereich auszurichten, der durch den Teil des ersten Sichtfelds dargestellt wird, für welchen ermittelt wurde, dass sich die zweite Endeinrichtung darin befindet, bis wenigstens ein Teil des Strahls auf den Strahlempfänger ausreichend ausgerichtet ist, um Verfolgung zu ermöglichen.
Eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen ersten optischen Strahl und einen zweiten optischen Strahl verwendet, der geeignet ist für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zweiten zu der ersten Endeinrichtung fernen Endeinrichtung. Die Vorrichtung auf der ersten Endeinrichtung überträgt den ersten Strahl von der ersten Endeinrichtung zum Ausrichten mit einem zweiten Strahlempfänger, der sich auf der zweiten Endeinrichtung befindet, und richtet den zweiten durch die zweite Endeinrichtung ausgesendeten Strahl mit einen ersten Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung innerhalb eines ersten Unsicherheitsbereich befindet, welcher ein Verfolgen des zweiten Strahls mit ausreichender Genauigkeit erlaubt, um Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen. Eine Optik in der ersten Endeinrichtung ermöglicht eine Aussendung des ersten Strahls und Empfang des zweiten Strahls. Die Optik umfasst vorzugsweise einen Strahlablenker, der den ersten Strahl über einen gesteuerten zweiten Unsicherheitsbereich mit einem ersten Abtastmuster abtastet, wobei ein erster aus Abtastlinien bestehender Ort festgelegt wird, der eine mittlere Abtastlinie aufweist. Ein Stellmechanismus richtet die Optik auf den Ort der zweiten Endeinrichtung und bewegt den Strahlablenker. Ein Erfassungssensor in der ersten Endeinrichtung empfängt wenigstens einen Teil des zweiten Strahls und bestimmt den Ort der zweiten Endeinrichtung innerhalb eines dritten Unsicherheitsbereichs. Eine Steuerung in der ersten Endeinrichtung steuert nacheinander den Stellmechanismus in Erwiderung auf den durch den Erfassungssensor bestimmten Ort, um den Strahlablenker zu veranlassen, nacheinander die mittlere Abtastlinie in den dritten Unsicherheitsbereich auszurichten, um den Beginn der Verfolgung zu ermöglichen.
Eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen ersten optischen Strahl verwendet und einen zweiten optischen Strahl, der geeignet ist für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satellit befindet, und einer zweiten zu der ersten Endeinrichtung fernen Endeinrichtung. Die Vorrichtung auf der ersten Endeinrichtung überträgt den ersten Strahl von der ersten Endeinrichtung zum Ausrichten mit einem zweiten Strahlempfänger, der sich auf der zweiten Endeinrichtung befindet, und richtet den durch die zweite Endeinrichtung ausgesendeten zweiten Strahl mit einem ersten Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um eine Verfolgung des zweiten Strahls mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, um Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen. Eine Optik in der ersten Endeinrichtung legt ein erstes Sichtfeld fest, das einen ersten Mittelpunkt aufweist, wodurch ein Empfang des zweiten Strahls ermöglicht wird. Die Optik umfasst vorzugsweise einen Strahlablenker, der den ersten Strahl über ein zweites Sichtfeld abtastet, das einen zweiten Mittelpunkt innerhalb des ersten Sichtfeldes aufweist. Ein Stellmechanismus richtet die Optik auf den Ort der zweiten Endeinrichtung aus und bewegt den Strahlablenker. Ein Erfassungssensor legt ein drittes Sichtfeld mit einem dritten Mittelpunkt in der ersten, wenigstens einen Teil des zweiten Strahls empfangenden Endeinrichtung fest und ermittelt den Ort der zweiten Endeinrichtung innerhalb eines Teils des dritten Sichtfeldes. Eine Steuerung in der ersten Endeinrichtung steuert nacheinander den Stellmechanismus in Erwiderung auf den durch den Erfassungssensor bestimmten Ort, um den Stellmechanismus zu veranlassen, nacheinander den ersten und zweiten Mittelpunkt auf einen Bereich auszurichten, der durch den Teil des dritten Sichtfeldes dargestellt wird, in dem sich die zweite Endeinrichtung befindet, um den Beginn der Verfolgung zu ermöglichen.
Eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen ersten optischen Strahl und einen zweiten optischen Strahl verwendet, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zweiten zu der ersten Endeinrichtung fernen Endeinrichtung geeignet ist. Die Vorrichtung auf der ersten Endeinrichtung überträgt den ersten Strahl von der ersten Endeinrichtung zum Ausrichten mit einem zweiten Strahlempfänger, der sich auf der zweiten Endeinrichtung befindet, und richtet aus und folgt dem von der zweiten Endeinrichtung ausgesendeten zweiten Strahl mit einem ersten Strahlempfänger, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, mit ausreichender Genauigkeit, um Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen. Ein Teleskop in der ersten Endeinrichtung ermöglicht eine Aussendung des ersten Strahls und Empfang des zweiten Strahls wenigstens teilweise entlang eines gemeinsamen ersten Pfads. Das Teleskop legt auch ein erstes Sichtfeld fest. Ein beweglicher erster Strahlablenker überträgt den ersten Strahl zu dem ersten Pfad und empfängt den zweiten Strahl von dem ersten Pfad. Ein erster Strahlteiler ermöglicht das Leiten des ersten Strahls von einem Übertragungsweg auf den ersten Strahlablenker und ermöglicht das Leiten des zweiten Strahls in den Empfangspfad. Ein Verfolgungssensor legt ein zweites Sichtfeld fest. Ein zweiter Strahlteiler in dem Empfangspfad leitet einen vorbestimmten prozentualen Anteil des Strahls in den Empfangspfad entlang eines Verfolgungssensorpfads zu dem Verfolgungssensor. Ein Erfassungssensor legt ein drittes Sichtfeld fest. Ein zweiter Strahlablenker lenkt einen Teil des Strahls in den Empfangspfad entlang eines Erfassungssensorpfads zu dem Erfassungssensor und einen Teil des Strahls in den Empfangspfad auf den Strahlempfänger. Eine erste optische Übertragungseinrichtung überträgt den ersten Strahl entlang des Übertragungswegs. Ein beweglicher dritter Strahlablenker tastet den ersten Strahl mit einem vorbestimmten Abtastmuster entlang des Übertragungswegs ab und überträgt das Abtastmuster zu dem ersten Strahlteiler. Eine Steuerung ändert die Stellung des ersten Strahlablenkers, um das zweite Sichtfeld im Verhältnis zu dem Verfolgungssensor einzustellen und das dritte Sichtfeld im Verhältnis zu dem Erfassungssensor einzustellen, und ändert die Stellung des dritten Strahlablenkers, um das Abtastmuster einzustellen, um den Verfolgungsbeginn zu ermöglichen.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen optischen Strahl verwendet, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zweiten zu der ersten Endeinrichtung fernen Endeinrichtung geeignet ist. Das Verfahren richtet den von der zweiten Endeinrichtung empfangenen Strahl mit einem Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, und legt einen Mittelpunkt innerhalb eines ersten Unsicherheitsbereichs fest, welcher eine Verfolgung des Strahls mit ausreichender Genauigkeit erlaubt, um Datenübertragung mit dem optischen Strahl zu ermöglichen. Dieses Verfahren wird durch Empfangen des Strahls und seine Übertragung entlang eines Pfades durchgeführt. Die zweite Endeinrichtung befindet sich ursprünglich innerhalb eines zweiten Unsicherheitsbereichs, der größer ist als der erste Unsicherheitsbereich. Die Schnittfläche des Strahls mit der ersten Endeinrichtung wird ermittelt. Die zweite Endeinrichtung befindet sich dann innerhalb eines dritten Unsicherheitsbereichs, der größer ist als der erste Unsicherheitsbereich und kleiner als der zweite Unsicherheitsbereich in Erwiderung auf die Ermittlung. Die Lage des Strahlpfads im Verhältnis zu dem Strahlempfänger wird nacheinanderfolgend in Erwiderung auf die Ortsbestimmung der zweiten Endeinrichtung innerhalb des dritten Unsicherheitsbereichs eingestellt, wobei die Größe des dritten Unsicherheitsbereichs nacheinanderfolgend die Größe des ersten Unsicherheitsbereichs erreicht, um den Beginn der Verfolgung des Strahls zu ermöglichen.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen optischen Strahl verwendet, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zweiten zu der ersten Endeinrichtung fernen Endeinrichtung geeignet ist. Das Verfahren richtet den von der zweiten Endeinrichtung empfangenen Strahl mit einem Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um eine Verfolgung des Strahls mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, um Datenübertragung mit dem Strahl zu ermöglichen. Das Verfahren wird durch Empfangen des Strahls innerhalb eines ersten Sichtfeldes durchgeführt, das einen ersten Mittelpunkt aufweist. Das Vorkommen des Strahls innerhalb des ersten Sichtfeldes wird erkannt, und der Teil des ersten Sichtfeldes, in dem sich die zweite Endeinrichtung befindet, wird in Erwiderung auf das Auffinden des Strahls innerhalb des ersten Sichtfelds ermittelt. Ein zweites Sichtfeld, das einen zweiten Mittelpunkt aufweist, wird in Erwiderung auf eine Ortsbestimmung der zweiten Endeinrichtung innerhalb des Teils des ersten Sichtfelds festgelegt. Das zweite Feld empfängt den Strahl. Der zweite Mittelpunkt wird nacheinander auf einen Bereich ausgerichtet, der durch den Teil des ersten Sichtfelds dargestellt wird, in dem ermittelt wurde, dass sich die zweite Endeinrichtung darin befindet, bis wenigstens ein Teil des Strahls ausreichend mit dem Strahlempfänger ausgerichtet ist, um Verfolgung zu ermöglichen.
Eine dritte Ausführungsform des Verfahrens ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen ersten optischen Strahl verwendet, und einen zweiten optischen Strahl, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zu der ersten Endeinrichtung fernen zweiten Endeinrichtung. Das Verfahren überträgt den ersten Strahl von der ersten Endeinrichtung zum Ausrichten mit einem zweiten Strahlempfänger, der sich auf der zweiten Endeinrichtung befindet, und richtet den durch die zweite Endeinrichtung ausgesendeten zweiten Strahl mit einem sich auf der ersten Endeinrichtung befindenden ersten Strahlempfänger innerhalb eines ersten Unsicherheitsbereichs aus, der ein Verfolgen des zweiten Strahls mit ausreichender Genauigkeit erlaubt, um Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen. Das Verfahren wird durch Aussenden des ersten Strahls auf einen gesteuerten zweiten Unsicherheitsbereich mit einem ersten Abtastmuster ausgeführt, das einen ersten Ort von Abtastlinien bestimmt, die eine mittlere Abtastlinie aufweisen. Der zweite Strahl wird dann empfangen. Der Ort der zweiten Endeinrichtung innerhalb eines dritten Unsicherheitsbereichs wird nacheinander in Erwiderung auf das Empfangen des zweiten Strahls ermittelt. Die mittlere Abtastlinie wird in den dritten Unsicherheitsbereich gerichtet, um den Verfolgungsbeginn zu ermöglichen.
Eine vierte Ausführungsform des Verfahrens ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen ersten optischen Strahl verwendet und einen zweiten optischen Strahl, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindenden Endeinrichtung und einer zu der ersten Endeinrichtung fernen zweiten Endeinrichtung geeignet ist. Das Verfahren sendet den ersten Strahl von der ersten Endeinrichtung zum Ausrichten mit einem zweiten Strahlempfänger, der sich auf der zweiten Endeinrichtung befindet, und richtet den von der zweiten Endeinrichtung ausgesendeten zweiten Strahl mit einen ersten Strahlempfänger aus, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um eine Verfolgung des zweiten Strahls mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, um eine Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen. Das Verfahren wird mittels Festlegen eines ersten Sichtfelds durchgeführt, das einen ersten Mittelpunkt aufweist, der einen Empfang des zweiten Strahls ermöglicht. Der erste Strahl wird auf ein zweites Sichtfeld gesendet, das einen zweiten Mittelpunkt innerhalb des ersten Sichtfelds aufweist. Ein drittes Sichtfeld mit einem dritten Mittelpunkt wird in der ersten Endeinrichtung festgelegt. Wenigstens ein Teil des zweiten Strahls wird empfangen. Der Ort der zweiten Endeinrichtung innerhalb eines Teils des dritten Sichtfelds wird nacheinander ermittelt. Der erste und zweite Mittelpunkt werden nacheinander auf einen Bereich ausgerichtet, der durch einen Teil des dritten Sichtfelds dargestellt wird, für den ermittelt wurde, dass sich die zweite Endeinrichtung darin befindet, um den Verfolgungsbeginn zu ermöglichen.
Eine fünfte Ausführungsform des Verfahrens ist in einem Nachrichtenaustauschsystem verwendbar, das einen ersten optischen Strahl und einen zweiten optischen Strahl verwendet, der für eine Datenübertragung zwischen einer ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindet, und einer zu der ersten Endeinrichtung fernen zweiten Endeinrichtung geeignet ist. Das Verfahren sendet den ersten Strahl von der ersten Endeinrichtung zum Ausrichten mit einem zweiten Strahlempfänger, der sich auf der zweiten Endeinrichtung befindet, und richtet aus und folgt dem von der zweiten Endeinrichtung ausgesendeten zweiten Strahl mit ausreichender Genauigkeit mit einem ersten Strahlempfänger, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen. Das Verfahren wird mittels Aussenden des ersten Strahls und Empfangen des zweiten Strahls wenigstens teilweise entlang eines gemeinsamen Pfades in der ersten Endeinrichtung bewerkstelligt. Ein erstes Sichtfeld zum Empfangen des zweiten Strahls wird in der ersten Endeinrichtung festgelegt. Der erste Strahl wird zu dem ersten Pfad übertragen, und der zweite Strahl wird von dem ersten Pfad empfangen. Der zweite Strahl wird in einen Empfangspfad geleitet. Der zweite Strahl wird innerhalb eines Teils eines zweiten Sichtfelds entlang eines Verfolgungssensorpfads wahrgenommen. Ein vorbestimmter prozentualer Anteil des Strahls in dem Empfangspfad wird entlang des Verfolgungssensorpfads geleitet. Der Strahl wird innerhalb eines Teils eines dritten Sichtfelds entlang eines Erfassungssensorpfads wahrgenommen. Ein Teil des Strahls in dem Empfangspfad wird entlang des Erfassungssensorpfads übertragen, und ein Teil des Strahls in dem Empfangspfad wird zu dem Strahlempfänger übertragen. Der erste Strahl wird entlang des Übertragungswegs übertragen und wird abtastend in einem vorbestimmten Muster den Übertragungsweg entlang geführt. Das Abtastmuster wird von dem Übertragungsweg zu dem ersten Pfad geleitet. Das zweite Sichtfeld wird im Verhältnis zu dem Verfolgungssensorpfad eingestellt, das dritte Sichtfeld wird im Verhältnis zu dem Erfassungssensorpfad eingestellt, und das Abtastmuster wird in Erwiderung auf die Erkennung des Strahls innerhalb eines Teils des dritten Sichtfelds eingestellt, um den Verfolgungsbeginn zu ermöglichen. Durch Nutzung der obigen Techniken können Endeinrichtungsgewicht und – leistung minimiert werden. Zum Beispiel kann zur Erfassung auch ein Übertragungsstrahl einer Sende-Laserquelle genutzt werden. Eine getrennte Bake oder ein getrennter Strahl wird nicht benötigt. Die obigen Techniken erfordern keine getrennten Laserquellen oder -mechanismen, um einen weiten Strahl oder einen geformten Erfassungsstrahl oder eine Bake bereitzustellen. Der in der bevorzugten Ausführungsform benutzte Erfassungsquadrantsensor minimiert Kosten für Elektronik und Leistung. Die Zeit in jeder Stufe, die Zahl der Stufen und die Kriterien für den Übergang zwischen Stufen können optimiert werden, um die Erfassungszeit für eine spezielle Anwendung zu minimieren. Die Fähigkeit, von Zwischenstufen aus zu erfassen und neu zu erfassen, minimiert die Auswirkung von Übertragungsausfällen durch Minimierung der Neuerfassungszeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist ein schematisches Blockdiagramm eines Paars erdumkreisender Satelliten, die Endeinrichtungen umfassen, die optische Strahlen, wie Laserstrahlen, aussenden und empfangen, welche die Erfassungstechniken der vorliegenden Erfindung nutzen können.
1b ist ein schematisches Blockdiagramm eines erdumkreisenden Satelliten und einer Bodenstation, die Endeinrichtungen umfassen, welche optische Strahlen, wie Laserstrahlen, aussenden und empfangen, welche die Erfassungstechniken der vorliegenden Erfindung nutzen können.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines geeigneten Gehäuses zum Einschließen einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein allgemeines schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Form einer optischen Einheit, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Strahlerweiterungsteleskops zeigt, das für eine Nutzung mit der in 4 gezeigten optischen Einheit geeignet ist, in welcher das Teleskop um 90° gegenüber der in 4 gezeigten Stellung gedreht ist.
6 ist eine unvollständige perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Stelleinheit zur Bewegung des in 5 gezeigten Teleskops und ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Form einer Steuerungsschaltung zum Steuern der in 6 gezeigten Stelleinheit, der in 4 gezeigten Sensoren, des in 4 gezeigten Zielmechanismus und des in 4 gezeigten Feinverfolgungsmechanismus.
7 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Form von Stellkreisen zur Steuerung der in 6 gezeigten Stelleinheit, des in 4 gezeigten Zielmechanismus und des in 4 gezeigten Feinverfolgungsmechanismus.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine bevorzugte Form des Betriebs der in 4 gezeigten Vorrichtung darstellt.
9 bis 13 sind schematische Diagramme, die die Sichtfelder eines Verfolgungssensors (z.B. in 4 gezeigt) und eines Teleskops (z.B. in 5 gezeigt) in verschiedenen Betriebsarten darstellen, die sich in in 1 gezeigten unterschiedlichen Endeinrichtungen befinden.
14 ist ein Diagramm, das beispielhafte Ausgabevektoren eines durch die in 4 gezeigte Vorrichtung ausgesendeten Strahls über die Zeit darstellt.
15 ist ein Diagramm, das beispielhafte Ausgabevektoren eines Strahls darstellt, der während eines beispielhaften Erfassungsvorgangs von der in 4 gezeigten Vorrichtung mit einer der in 1 gezeigten Endeinrichtungen ausgesendet wurde, die sich mit 7,5 Kilometern pro Sekunde bewegen.
16 sind Diagramme der Spiral- und Rosettenmuster, die benutzt werden, um einen Strahl durch einen Teil der in 4 gezeigten Vorrichtung zu übertragen.
17 ist eine vergrößerte Sicht eines Quadranten der in 16 gezeigten spiralen Abtastung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Bezug auf 1a erlaubt die vorliegende Erfindung optische Strahlen, die zum Nachrichtenaustausch benutzt werden, mit Übertragungsendeinrichtungen auszurichten, die sich auf erdumkreisenden Satelliten befinden. Der Ausrichtungsvorgang ist allgemein als Erfassung bekannt. Wie in 1a gezeigt, trägt ein erdumkreisender Satellit 10 eine Übertragungsendeinrichtung 12, die ein Teleskop 14 zum Senden und Empfangen optischer Strahlen 16 und 17 einschließt. Ein anderer erdumkreisender Satellit 20 trägt eine Übertragungsendeinrichtung 22, die ein Teleskop 24 zum Senden und Empfangen von Strahlen 16 und 17 einschließt. Strahl 17 ist mit einem Strahlempfänger 25 ausgerichtet. Obwohl die Strahlen 16 und 17 in 1 getrennt gezeigt sind, folgen die Strahlen tatsächlich einem gemeinsamen Pfad durch die Teleskope 14 und 24. Die Strahlen werden mittels komplementärer Frequenzen übertragen. Zum Beispiel wird Strahl 16 bei 1,554 Mikrometer und Strahl 17 bei 1,546 Mikrometer übertragen. Die Endeinrichtungen 12 und 22 ermöglichen Vollduplexbetrieb bei 6,75 Gbit/s. Die Strahlen 16 und 17 sind beide beugungsbegrenzt. Sie sind nicht gespreizt oder defokussiert und sind moduliert, um Daten zu übertragen, nachdem die Erfassung abgeschlossen ist.
In Bezug auf 1b erlaubt die vorliegende Erfindung, zum Nachrichtenaustausch benutzte optische Strahlen auf eine sich auf einem erdumkreisenden Satelliten befindende Übertragungsendeinrichtung und auf eine Endeinrichtung auszurichten, die sich auf einer Bodenstation befindet. Die Bodenstation 26 schließt eine Endeinrichtung 28 mit einem Teleskop 30 ein, das die zuvor beschriebenen Strahlen 16 und 17 überträgt und empfängt. Jede der Endeinrichtungen 12, 22 und 28 ist gleich. Daher wird in dieser Spezifikation nur eine solche Endeinrichtung beschrieben.
In Bezug auf 2, 3 und 7 umfasst ein bevorzugtes erfindungsgemäß hergestelltes Strahlerfassungssystem für Endeinrichtung 12 im Kern eine optische Teilanordnung (STS) 50, eine Kardanunterbaugruppe (GS) 150, eine elektronische Steuerungsunterbaugruppe (AES) 200, eine ferne elektronische Baugruppe 250 und Ausricht- und Verfolgungssteuerungskreise 300.
In Bezug auf 5 schließt die optische Unteranordnung 50 ein Teleskop 14 ein (1), das ein wie gezeigt angeordnetes Schutzfenster 51 und Spiegel 53 bis 55 umfasst. Das Teleskop 14 wird mit Mitteln grob eingestellt, die dem Fachmann bekannt sind, so dass es innerhalb eines ersten Bereichs von Unsicherheit in der Richtung der Endeinrichtung 22 auf Satellit 20 gerichtet ist. Teleskop 14 ist ein diamantgelagertes, nicht auf der Achse angeordnetes Drei-Spiegel-Anastigmat-System aus Siliziumcarbid, das ohne Ausrichtung zusammengebaut werden kann. Siliziumcarbid-Systeme sind auch vorteilhaft, weil sie von Natur aus eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen haben, als andere Arten von Teleskopen. Fenster 51 weist ein Siliziumträgermaterial mit einem nicht spiegelnden Siliziumdioxid-Bezug auf der äußeren Oberfläche auf, um die inneren optischen Oberflächen vor Teilchen, Mikrometeoriten und Ionen zu schützen. Fenster 51 weist eine entspiegelte Bandfilterbeschichtung [bandpass AR coating] auf, die eine Dämpfung der Sonnenstrahlung über 1550 Nanometer bereitstellt. Saphir ist auch eine Möglichkeit für das Trägermaterial, wenn es durch Umwelteinflüsse gerechtfertigt ist. Wenn Saphir verwendet wird, wird ein Silizium-Trägermaterial-Bandpassfilter mit dem Saphir-Fenster schichtweise verbunden. Eine besonders bevorzugte Form des Teleskops 14 wird in der gemeinsam zugeordneten Anmeldung mit dem Titel "Optical Inter-Satellite Link (OISL) Gimbal", Anmeldungsnr. 09/346052 beschrieben, die am 7. Juli 1999 im Namen von Dan. R. Johnson, Mark A. Carrol und Daniel R. Sherman eingereicht wurde.
Teleskop 14 legt ein Sichtfeld 56 mit einem Mittelpunkt 57 fest (9) und legt einen gemeinsamen Strahlpfad 58 für Strahlen 16 und 17 fest (1A). Strahlpfad 58 ist auf Mittelpunkt 57 zentriert, der eine Achse 59 festlegt, die durch den Mittelpunkt und parallel zu Strahl 58 verläuft (5).
In Bezug auf 4 schließt die optische Unterbaugruppe 50 auch einen Feinverfolgungsmechanismus 60 ein, der eine elektromagnetisch angetriebene zweiachsige Kardanbaugruppe 62 einschließt, die mit einem Spiegel 64 beweglich verbunden ist, der die optischen Strahlen 16 und 17 ablenkt. Mechanismus 60 weist eine integrale Winkelerfassung und eine Zielsteuerung mit hoher Bandbreite über plus minus 0,5 Grad des mechanischen Wegs auf. Steuerungssignale werden über ein Kabel 65 übertragen. Eine speziell bevorzugte Form des Mechanismus 60 wird in einer gemeinsam zugeordneten Anmeldung mit dem Namen "Fine Pointing Assembly Configuration", TRW-Aktenzeichen Nr. 11-1040, beschrieben, die in dem Namen von Ashley, C. Danial und Arthur P. Balz am selben Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde.
Die optische Unterbaugruppe 50 schließt auch einen zweifarbigen Strahlteiler 66 ein, welcher den optischen Pfad in einen Übertragungsweg 68 und einen Empfangspfad 70 aufteilt. Ein Schmalbandfilter 72 erlaubt den Durchgang des Empfangsstrahls und benachteiligt den Sendestrahl, der eine andere Frequenz als der Empfangsstrahl nutzt. Ein Verfolgungs-/Empfangsstrahlteiler 74 leitet etwa 10% des Strahls in den Empfangspfad 70 zu einem Verfolgungssensorpfad 76 um. Der Teil des Strahls in Pfad 76 wird durch Scharfstellen der Optik 78 auf einen Verfolgungssensor 80 scharfgestellt (einschließlich einer oder mehrerer Linsen oder Spiegel).
Der Verfolgungssensor 80 legt ein Sichtfeld 82 fest, das sich auf einem lichtempfindlichen Sensor befindet, der vier Verfolgungsquadraten TQ1 bis TQ4 umfasst. Sowohl das Sichtfeld als auch der Verfolgungsquadrant legen einen gemeinsamen Mittelpunkt 84 fest. Der lichtempfindliche Sensor innerhalb des Verfolgungssensors 80 ist aus InGaAs hergestellt. Verfolgungssensor 80 ist mit zwei elektronischen Geräten verbunden. Das erste Gerät veranlasst den Sensor, auf einen optischen Puls mit einer speziellen zeitlichen Art zu reagieren. Zusätzlich verarbeitet das erste Gerät der Verfolgungssensorelektronik die Summe aller vier Quadranten in dem lichtempfindlichen Sensor wie auch jeden Quadranten einzeln. Das zweite elektronische Gerät erzeugt Verfolgungsfehlersignale, um Strahlen 16 und 17 in Spur zu halten, nachdem die Erfassungsphase abgeschlossen ist.
Eine besonders bevorzugte Form des Verfolgungssensors 80 wird in der gemeinsam zugewiesenen Anmeldung mit dem Namen "Inter-Satellite Optical Link Track Sensor", Anmeldungsnr. 09/301494 beschrieben, die am 28. April 1999 in dem Namen von Chie Poon, Robert C. Carden und Robert M. Englekirk eingereicht wurde.
Die 90% des durch den Strahlteiler 74 übertragenen Empfangsstrahls werden durch eine Sammeloptik 86 empfangen, welche eine oder mehrere Linsen oder Spiegel einschließt. Optik 86 stellt einen Teil des Empfangspfadstrahls auf einen Ringspiegel 88 schart, der ein Mittelloch 90 festlegt. Ein Teil des durch das Mittelloch übertragenen Strahls wird auf einen Faserkoppler 92 schartgestellt, der den Teil des Strahls zu einer optischen Faser 93 überträgt. Koppler 92 und Faser 93 dienen als ein Strahlempfänger für den Strahl im Empfangspfad 70. Faserkoppler 92 und Faser 93 sind die möglichen Empfänger der Energie des Strahls 16, die von Endeinrichtung 22 zu Endeinrichtung 12 gerichtet ist. Nach der Erfassung wird die von Endeinrichtung 22 empfangene auf Strahl 16 eingeprägte Information des Übertragungssignals durch die ferne elektronische Baugruppe 250 dekodiert. Der auf den Ringspiegel 88 fallende Teil des Strahls wird durch eine Erfassungs-Wiederschartstell-Optik 94 (einschließlich einer oder mehrerer Linsen oder Spiegel) gespiegelt und wird auf einen Erfassungssensor 96 schartgestellt.
Strahlteiler 74 und Spiegel 88 sind so angeordnet, dass etwa 10% des Strahls im Empfangspfad 70 auf den Verfolgungssensor 80 schartgestellt werden, wobei der Rest des Strahls in dem Empfangspfad 70 – abhängig von dem Neigungswinkel des gebündelten Strahls – entweder auf den Erfassungssensor 96 oder auf den Faserkoppler 92 scharfgestellt ist. Techniken zum Scharfstellen eines optischen Strahls auf einen Faserkoppler sind dem Fachmann bekannt und in US-Patent Nr. 5,062,150 (Swanson, ausgestellt am 29. Oktober 1991) beschrieben. Techniken zum Übertragen und Empfangen von Strahlen und Ausrichten derselben mit Sensoren, einer Laserdiode und einem Spiegel sind in US-Patent Nr. 5,390,040 (Mayeax, ausgestellt am 14. Februar 1995) beschrieben.
Erfassungssensor 96 schließt einen lichtempfindlichen Sensor ein, der in vier Erfassungsquadranten AQ1 bis AQ4 aufgeteilt ist, die ein Sichtfeld 98 festlegen. Sowohl das Sichtfeld 98, als auch der lichtempfindliche Sensor haben einen gemeinsamen Mittelpunkt 100. Der Erfassungssensor 96 umfasst einen Quadrantendetektor, der empfindlich für die für den Nachrichtenaustausch benutzte Wellenlänge ist, zusammen mit Elektronik, die das Signal von jedem Quadranten verarbeitet, der dazu vorgesehen ist, Pulse optischer Energie des Strahls 16 zu erkennen, die eine später zu beschreibende zeitliche Art aufweisen. Der Erfassungssensor hat ein Sichtfeld, das geeignet ist, den gesamten ersten Unsicherheitsbereich abzudecken, d.h., wenn der Unsicherheitsbereich 0,25° beträgt, dann beträgt das Erfassungssensorfeld 0,25°. Mittelpunkt 100 des Erfassungssensor-Sichtfelds 98 ist mit dem Mittelpunkt 84 des Sichtfelds 82 auf den Verfolgungssensor 80 ausgerichtet. Ähnlich ist Mittelpunkt 100 des Sichtfelds 98 des Erfassungssensors 96 auf den Mittelpunkt 91 des Faserkopplers 92 ausgerichtet. Eine besonders bevorzugte Form des Erfassungssensors 96 wird in der gemeinsam zugewiesenen Anmeldung mit dem Namen "Inter-Satellite Optical Link Acquisition Sensor", Anmeldungsnr. 09/301297 beschrieben, die am 18. April 1999 in dem Namen von Chie W. Poon, Robert C. Carden und Robert M. Englekirk eingereicht wurde.
Die Optiken 78, 86, 94 sind so entwickelt, dass das Sichtfeld 98 des Erfassungssensors ungefähr 20- bis 50-mal größer ist als das Sichtfeld des Verfolgungssensors 82. Das Sichtfeld 98 hat im Wesentlichen dieselbe Größe wie das Sichtfeld 56 des Teleskops 14. Die Größe des Sichtfelds 98 wird durch Optik 94 gesteuert, und die Größe des Sichtfelds 82 wird durch Optik 78 gesteuert.
Die verschiedenen Ausgaben vom Verfolgungssensor 80 werden zur weiteren Verarbeitung über ein Kabel 85 übertragen. Verschiedene Ausgaben des Erfassungssensors 96 werden über ein Kabel 102 zur weiteren Verarbeitung übertragen. Kabel 85 und 102 sind zu einem Kabel 103 verbunden.
Feinverfolgungsmechanismus 60 wird benutzt, um gleichzeitig die Mittelpunkte 100 und 84 auf die Sichtfelder des Erfassungssensors 96 und des Verfolgungssensors 80 zu richten, und den Übertragungsstrahl 17 auf den bestimmten Ort der entgegengesetzten Endeinrichtung (z. B. Endeinrichtung 22), wie durch den Erfassungssensor 96 bestimmt.
Optische Unterbaugruppe 50 schließt auch einen Zielmechanismus 110 ein, der identisch mit dem Feinverfolgungsmechanismus 60 ist, mit Ausnahme eines vergrößerten Beobachtungsfeldes, um den für die Erfassung benötigten Abtastwinkel anzupassen (der in erster Linie durch die 0,1 Grad Unsicherheit in Raumfahrzeughöhe und -ort gesteuert wird). Der Zielmechanismus 110 schließt eine zweiachsige Kardanbaugruppe 112 ein, welche einen Spiegel 114 über ungefähr plus minus 2,25 Grad des mechanischen Weges bewegt. Zielsteuerungssignale werden über ein Kabel 113 übertragen, das mit einem Kabel 65 verbunden ist, um ein Kabel 115 zu bilden. Der Zielmechanismus 110 leitet den Übertragungsstrahl 17 in Bezug auf den Mittelpunkt 100 des Sichtfelds 98 des Erfassungssensors 96 entlang Sendepfad 68.
Der Zielmechanismus 110 weist einen ausreichenden Bereich auf, damit Sendestrahl 17 innerhalb des Sichtfelds 98 des Erfassungssensors 96 irgendwohin gerichtet werden kann. Dieser Bereich ist über das hinaus erweitert, was während des Verfolgens und des Nachrichtenaustauschs zum Zielen in Sende- und Empfangsrichtung normalerweise benötigt wird. Der Zielmechanismus 110 hat den Bereich, die Bandbreite, die Auflösung und Genauigkeit, die benötigt wird, um Sendestrahlen 17 über das Erfassungssensor-Sichtfeld 98 in der später zu beschreibenden Weise zu lenken und berichtigt den scheinbaren Ort der entgegengesetzten Endeinrichtung (z.B. Endeinrichtung 22) entsprechend der Geschwindigkeit und Lichtübertragungszeit der entgegengesetzten Endeinrichtung. Eine insbesondere bevorzugte Form von Zielmechanismus 110 wird in der gemeinsam zugewiesenen Anmeldung mit dem Namen "Fine Pointing Assembly Configuration" beschrieben, die am selben Tag wie diese Anmeldung auf die Namen von Ashley C. Danial und Arthur P. Balz eingereicht wurde.
In den Übertragungsweg 68 ist eine Übertragungssammeloptik 116 eingeschlossen, (die eine oder mehrer Linsen einschließt und) die den Übertragungsstrahl 17 sammelt, der von einem Sendekoppler 118 verteilt wurde, der den Strahl über eine optische Faser 119 empfängt. Der Übertragungsstrahl 17 wird von der Sichtlinie des Empfangstrahls 16 durch den Zielmechanismus 110 unterschiedlich gesteuert, um eine Strahlübertragungszeit zu der fernen Endeinrichtung, wie Endeinrichtung 22, auszugleichen (1A). Der Zielmechanismus 110 tastet Strahl 17 auch während des Erfassungsvorgangs ab.
In Bezug auf 6 umfasst die Unterbaugruppe 150 einen Elevationsantrieb 152, der das Teleskop 14 über ungefähr –3 bis +26 Grad Elevation bewegt. Die Änderung im Azimut des Teleskops 14 wird durch eine Gabel 154 erreicht, die durch einen Azimutantrieb 156 über ein Azimutbeobachtungsfeld von näherungsweise ±80 Grad angetrieben wird.
Die Einstellunterbaugruppe 150 ist ein zweiachsiges Kardangelenk zum groben Ausrichten des Teleskops 14. Sowohl die Kardanachse für Azimut als auch die Kardanachse für Elevation benutzen einen bürstenlosen Dauermagnetmotor (d.h. Antrieb 152 und Antrieb 156) und einen Winkelsensor mit drehbarer veränderlicher differentieller Kapazität. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Einstellunterbaugruppe 150 ist in der gemeinsam zugewiesenen Anmeldung mit dem Namen "Optical Inter-Satellite Link (OISL) Gimbal", Anmeldungsnr. 09/346052 gezeigt, die am 7. Juli 1999 in dem Namen von Dan. R. Johnson, Mark A. Carroll und Daniel R. Sherman eingereicht wurde.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des kapazitiven Winkelsensors wird in der gemeinsam zugewiesenen Anmeldung mit dem Namen "Capacitive Resolver", Anmeldungsnr. 09/310365 beschrieben, die am 12. Mai 1999 in dem Namen von Dan R. Johnson, Daniel R. Sherman und Paul A. Franson eingereicht wurde.
Die Elevationssteuerung 152 und Azimutsteuerung 156 werden durch einen Isolator-Schnittstellenring 158 getragen. Der Ring verringert Ausrichtestörungen von Satellit 10 (1A). Isolator 158 besteht aus sechs passiv gedämpften Federelementen, die in einer Stuart-Plattform-Anordnung angeordnet sind, die in allen sechs Freiheitsgraden dieselbe Grundfrequenz aufweist. Die Isolatorfederelemente sind mittels eines viskoelastischen Materials aus Acryl stark gedämpft. Isolator 158 ist dazu vorgesehen, eine Eckfrequenz von 10 bis 15 Herz aufzuweisen und bei 100 Hz mehr als 10 Dezibel Dämpfung von Satelliten-Unruhen bereitzustellen.
Die Einstellunterbaugruppe 150 schließt auch ein Azimut-Kabelwickel 160 und eine Basis 162 ein.
Noch in Bezug auf 6 umfasst die Steuerungsunterbaugruppe 200 Endeinrichtungssteuerungselektronik 202, die Berechnungsfunktionen für die Steuerungsunterbaugruppe ausführt. Zum Beispiel stellt die Elektronik 202 die Befehls-/Telemetrie-Schnittstelle zu dem Satelliten-Nutzlastrechner bereit, führt eine interne digitale Verarbeitung für die Steuerung des Feinverfolgungsmechanismus 60 und Zielmechanismus 110 während des Erfassungsvorgangs durch, und führt eine Steuerung der fernen elektronischen Baugruppe 250 durch. Die interne Verarbeitung der Elektronik 202 schließt eine Sensordigitalisierung und Steuerung für einen Verfolgungskreis, einen Entladekreis, einen Faserausrichtkreis, und einen Zielkreis zusammen mit der erforderlichen Baueinheit-zu-Baueinheit-Kommunikation ein. Elektronik 202 empfängt auch Stromversorgungs-Einschalt-/Ausschalt-Befehle und führt Stromversorgungsbefehle für die ferne elektronische Baugruppe 250 durch.
Die Steuerung der Unterbaugruppe 200 schließt auch eine mechanische Antriebselektronik 204 ein, die Antriebs- und Einstellsteuerungsfunktionen für den Feinverfolgungsmechanismus 60 und Zielmechanismus 110 einschließt. Elektronik 204 stellt auch je nach Bedarf Analog-zu-Digital- und Digital-zu-Analog-Funktionen bereit.
Steuerungsunterbaugruppe 200 schließt auch Kardanantriebselektronik 206 ein, die die Antriebselektronik für den Elevationsantrieb 152 und den Azimutantrieb 156 bereitstellt.
Steuerungsunterbaugruppe 200 schließt auch eine Sensorverarbeitungselektronik 208 ein, die die Ausgaben vom Verfolgungssensor 80 und Erfassungssensor 96 verarbeitet.
Steuerungsunterbaugruppe 200 schließt auch einen Leistungswandler 210 ein, der verschiedenen Bauteilen der Steuerungsunterbaugruppe 200 getrennte analoge und digitale Leistung zuführt.
Die verschiedenen Elektronikeinheiten der Steuerungsunterbaugruppe 200 sind über eine herkömmliche Rückwand 212 verbunden.
In Bezug auf 3 umfasst die Elektronikbaugruppe 250 einen Hauptoszillator/-modulator (Mo/M) 252, der auf unterschiedlichen Leitungen mit 6,75 Gbit/s serielle Daten und Takt von der Nutzlast des Satelliten 10 empfängt. Nach der Erfassungsphase moduliert Mo/M 252 den Strahl 17 mit Nachrichtendaten. Die enkodierten Daten modulieren den Ausgang eines Dauerstrichoszillators mittels eines Gegentakt-Mach-Zehnder mit Doppelelektrode mit niedriger Vorspannung, um als ein Phasenmodulator zu arbeiten, der einen aktiven Regelkreis benutzt. Der verteilte Hauptoszillatorlaser mit Rückkopplung ist innerhalb des Verfolgungsbereichs des optischen Modulators auf der Empfängerseite über eine aktive Temperatursteuerung wellenlängengesteuert. Die Einrichtung zum Rückgängigmachen des Bitversatzes, der Verwürtler/differentielle Enkodierer und Treiberverstärker für den Modulator sind an der Vorderseite der Baueinheit befestigt.
Baugruppe 250 umfasst auch einen Sendeverstärker (TA) 254, der die leistungsschwache Modulatorausgabe zur Übertragung auf ungefähr 300 Milliwatt anhebt.
Baugruppe 250 schließt auch einen rauscharmen Verstärker (LNA) 256 ein, der einen rauscharmen Erbium-Faserverstärker umfasst. Das Signal wird vor der Demodulation und Erkennung gefiltert. Verstärker 256 schließt auch ein abstimmbares Filter ein, das die optische Bandbreite genau an die Signalbandbreite anpasst. Die Filtermittenfrequenz folgt der optischen Frequenz des Eingangssignals, um eine Dopplerverschiebung oder eine Wellenlängenabweichung des Hauptoszillators auszugleichen.
Unterbaugruppe 250 umfasst auch einen Demodulator-Bit-Synchronisierer (DBS) 258. Nach der Erfassungsphase werden die Nachrichtendaten in Strahl 16 durch eine Verbindung eines asymmetrischen Mach-Zehnder-Interferometers und eines abgeglichenen Lichtsensor-/differentiellen Transimpedanz-Verstärkers demoduliert. Der Demodulator teilt das optische Signal mit einem Verzögerungsunterschied von 1 Bit in zwei Pfade auf. Die Pfade werden dann wieder verbunden, um eine Summen- und eine Differenzausgabe zu bilden. Wenn ein "Null"-Bit übertragen wird, lässt der DPSK-Modulator die Phase des optischen Trägers gegenüber dem vorherigen Bit unverändert. Optische Signale von den zwei Pfaden addieren sich am Summenausgang konstruktiv und am Differenzausgang destruktiv, wodurch sich eine positive Spannung an dem Ausgang des Transimpedanz-Verstärkers ergibt. Wenn eine "Eins" übertragen wird, ändert sich die Phase des optischen Trägers im Verhältnis zu dem vorherigen Bit um 180°, und das Umgekehrte geschieht, wodurch sich an dem Ausgang des Transimpedanz-Verstärkers eine negative Spannung ergibt.
Die Bit-Synchronisation stellt einen Datentakt wieder her und erkennt die Bits in der tiefpassgefilterten analogen Wellenform. Weil der Modulationsempfänger einen Differenzdetektor benutzt, ist keine Schwellenwertsteuerung erforderlich. Der Bitsynchronisationsausgang wird entwürfelt und zusammen mit dem wiederhergestellten Takt auf eine serielle 6,75-GBit/s-Differenzschnittstelle ausgegeben.
Die Baugruppe 250 umfasst auch einen Leistungswandler 250, der drei handelsübliche Wandlereinheiten und Filter einschließt.
In Bezug auf 7 umfasst der Ziel- und Verfolgungssteuerungskreis 300 einen Verfolgungskreis 310, der eine Ausgleichsschaltung 312 einschließt, die ein Signal einem mechanischen Kreis mit Feinverfolgungsmechanismus 314 bereitstellt, der eine Ausgleichsschaltung 314, eine Drehmomenterzeugerschaltung 316 und einen Sensor 318 einschließt, die wie gezeigt verbunden sind. Der mechanische Kreis mit Feinverfolgungsmechanismus steuert den Betrieb des Feinverfolgungssystems 60 (4). Der Verfolgungskreis 310 verfolgt die Winkelposition einer entgegengesetzten Endeinrichtung (wie Endeinrichtung 22) (1A), um eine Einkopplung der empfangenen optischen Energie in Empfangsfaser 93 beizubehalten (4); um den Zielwinkel des Feinverfolgungsmechanismus 60 einzustellen, wird das Fehlersignal von den Messungen des Verfolgungssensors 80 benutzt.
Steuerungskreise 300 schließen auch einen Entladekreis 340 ein (7), der eine Ausgleichsschaltung 342 umfasst, die dem Kardankreis ein Signal zuführt, das eine Ausgleichsschaltung 344, eine Drehmomenterzeugerschaltung 346 und einen Sensor 348 einschließt, die wie gezeigt verbunden sind. Der Kardankreis steuert den Elevationsantrieb 152 und Azimutantrieb 156 (6). Der Entladekreis überträgt die Winkelposition des Feinverfolgungsmechanismus 60 zu dem Elevationsantrieb 152 und Azimutantrieb 156, um den Feinverfolgungsmechanismus innerhalb seines mechanischen Bereichs zu halten. D.h. Mittelpunkt 57 wird auf Mittelpunkte 84 und 100 ausgerichtet (9 und 4).
Steuerungskreise 300 umfassen auch einen Faserausrichtkreis 360 (7), der einen rauscharmen Verstärker 256 (3) und eine Ausgleichsschaltung 364 umfasst, die dem zuvor beschriebenen mechanischen Kreis mit Feinverfolgungsmechanismus ein Signal bereitstellt. Der Ausgang des Feinverfolgungsmechanismus ändert das Verhältnis des Empfangsstrahls zum Empfangsfaserkoppler 92, wie in 7 gezeigt. Der Faserausrichtungskreis ist ein schmalbandiger Kreis zur Berichtigung von Ausrichtfehlern zwischen Faserempfangskoppler 92 und Verfolgungssensor 80. Der Feinverfolgungsmechanismus 60 erzeugt eine kleine Neigungsschwankung in dem Empfangsstrahl; eine Änderung der Leistung in der Zieltelemetrie von dem rauscharmen Verstärker 256 der fernen Elektronikbaugruppe berichtigt dann die Winkeleinstellung des Verfolgungssensors 80.
Steuerungskreis 300 umfasst auch einen Zielkreis 370 (7), der eine Ausgleichsschaltung 372 einschließt, die einem mechanischen Kreis des Zielmechanismus ein Signal bereitstellt, wobei der mechanische Kreis eine Ausgleichsschaltung 374, eine Drehmomenterzeugerschaltung 376 und einen Sensor 378 einschließt, die wie gezeigt verbunden sind. Der mechanische Kreis des Zielmechanismus steuert den Betrieb des Zielmechanismus 110 (4). Der Zielkreis 370 berichtigt fortlaufend die Zielfehlausrichtung. Das Anfangsziel beruht auf Zielwinkeln, die aus Satelliten-Ephemeriden abgeleitet sind. Nach der Erfassung erzeugen die über die optische Verbindung von der entgegengesetzten Endeinrichtung (z.B. Endeinrichtung 22, 1A) übermittelten Leistungsmessungen am Ziel Berichtigungen der Ausrichtung des Zielmechanismus 110. Entgegengesetzte Endeinrichtungen (z.B. Endeinrichtungen 12 und 22) schwanken mit unterschiedlichen Frequenzen (nominal 5 und 7 Hz), so dass der Zielfehler von dem Faserausrichtungsfehler unterschieden werden kann.
Die in den 1 bis 7 beschriebene Vorrichtung wird während des Erfassungsvorgangs wie in 8 gezeigt betrieben. Während eines auf Satellit 10 durchgeführten Anfangsschritts wird die ungefähre Position der Endeinrichtung 22 auf Satellit 20 mit einem anfänglichen Unsicherheitsbereich empfangen. Weil Satellit 10 seinen ungefähren aktuellen Ort kennt, kann er die Leistung des Strahls 16 voraussehen, wenn er von Endeinrichtung 22 empfangen wird.
Während Schritt S10 wird die Erfassungslogik der Endeinrichtung 12 in Satellit 10 mit Information über den räumlichen Ort der Endeinrichtung 22 auf Satellit 20 innerhalb eines anfänglichen Unsicherheitsbereichs RU1 (14 und 15), den von Endeinrichtung 22 zu empfangenden erwarteten Leistungspegel des Strahls 16 und Datenbankparametern versorgt, die Bedingungen für Übergänge zwischen Erfassungs stufen festlegen. Sobald diese Informationen geladen sind, wird der Erfassungsvorgang angeordnet, um durch äußere Mittel ausgelöst zu werden. Zwischen den Endeinrichtungen 12 und 22 werden keine weiteren Abstimmungsnachrichten durch äußere Mittel benötigt.
Jede der Endeinrichtungen 12 und 22 richtet die Mitte ihres Erfassungssensors (z.B. Mittelpunkt 100) und Verfolgungssensors (z.B. Mittelpunkt 84) durch ihren Feinverfolgungsmechanismus (z.B. Feinverfolgungsmechanismus 60) auf den geschätzten Ort der entgegengesetzten Endeinrichtung. Die Feinverfolgungsmechanismen in den Endeinrichtungen 12 und 22 werden fortlaufend aktualisiert, um die Mittelpunkte der Sichtfelder der jeweiligen Sensoren auf dem geschätzten Ort der entgegengesetzten Endeinrichtung zu halten. Jede Endeinrichtung benutzt dann ihren Zielmechanismus (z.B. Zielmechanismus 110), um den Unsicherheitsbereich RU1 mit einem übertragenen Strahl (z.B. Strahl 17) mittels eines spiralförmigen Abtastmusters abzutasten, das besondere Eigenschaften aufweist.
Wie in 16 gezeigt, befindet sich der Anfangspunkt der Abtastung in der Mitte des Unsicherheitsbereichs RU1, um die zur Erfassung der entgegengesetzten Endeinrichtung benötigte Zeit zu optimieren, weil es aufgrund der Vorgänge, die die Unsicherheitsschätzungen der entgegengesetzten Endeinrichtung steuern, weniger wahrscheinlich ist, dass sich die entgegengesetzte Endeinrichtung an den äußeren Bereichen des Unsicherheitsbereichs befindet. Nahe der Mitte der Abtastung, wo eine hohe Beschleunigung des Zielmechanismus erforderlich wäre, um die entsprechende räumliche Abtastgeschwindigkeit zu halten, geht die spiralförmige Abtastung in ein zykloides Muster über, das die erforderliche Beschleunigung auf das mit dem Zielmechanismus 110 Mögliche begrenzt, wobei noch die Abdeckung des Unsicherheitsbereichs beibehalten wird. Das zykloide Muster belegt die zentralen 40 Mikrorad der Abtastung. Die Größe des Musters ist von den Beschleunigungseigenschaften des Zielmechanismus abhängig.
Ein Beispiel des zykloiden Musters ist das Rosettenmuster 650.
Nachdem das Gebiet des Unsicherheitsbereichs nahe der Mitte der Abtastung abgedeckt worden ist, wird der Rest des Unsicherheitsbereichs bis zum äußeren Umkreis OP durch eine spiralförmige Abtastung 600 abgedeckt (14 und 16).
Die spiralförmige Abtastung überstreicht den Unsicherheitsbereich mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit mit einem Abstand zwischen den Armen der spiralförmi gen Anordnung, um die Zeit zum Abdecken des Unsicherheitsbereichs zu minimieren, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Wahrscheinlichkeit einer angemessenen Abdeckung des gesamten Bereichs bei Vorliegen einer endeinrichtungsbasierten Bewegung aufgrund von Unruhen des Satellitenfahrzeugs. Die Geschwindigkeit wird gewählt, um die Zeit zu minimieren, die benötigt wird, um den Unsicherheitsbereich abzudecken, während ein Puls mit passender Leistung und Zeitdauer erzeugt wird, wie später beschrieben wird.
Sowohl die spiralförmige Abtastung 600 als auch das zykloide Muster 650 werden basierend auf der Bandbreite des Zielmechanismus 110 erzeugt, damit sich eine optimale Abdeckung des Unsicherheitsbereichs ergibt. An dem Umfang des Unsicherheitsbereichs OP geht die äußere Spirale in eine Spirale mit nach innen gerichteter Richtung über (14), oder die Spirale kann von der Mitte aus neu begonnen werden, wobei die Wahl im Sinne einer Minimierung der Gesamterfassungszeit getroffen wird. Unabhängig davon, ob die Abtastung mit einem Rosettenmuster 650 oder mit dem spiralförmigen Muster 600 erfolgt, wird die Geschwindigkeit der Abtastung beibehalten.
17 stellt eine normalisierte Intensitätsverteilung für einen Teil eines Quadranten des übertragenen Strahls 17 dar. Die Spiralwindungen, so wie 610 bis 612, überlappen geringfügig, wie in 17 gezeigt, so dass der gesamte Unsicherheitsbereich abgedeckt ist. Wenn die Sendelaserquelle über den Ort der entgegengesetzten Endeinrichtung streicht (z.B., wenn Strahl 16 an Endeinrichtung 12 vorbeistreicht), entsteht durch die schmale Gauß-Form des Strahls 16 – wie auch durch die Abtastung mit gleichbleibender Geschwindigkeit – ein Puls optischer Energie mit einer charakteristischen Zeitspanne und Einhüllenden der Intensität. Die Elektroniken des Verfolgungssensors 80 und Erfassungssensors 96 sind hochempfindlich für Energiepulse mit dieser charakteristischen Zeitspanne und Einhüllenden der Intensität und verhältnismäßig unempfindlich für Signale mit anderen Eigenschaften, wie jene Signale, die von solaren, planetaren und stellaren Körpern und Körperbewegung und internen optischen Signalen und Sensorrauschen entstehen. Wenn ein Signal mit den geeigneten Eigenschaften empfangen wird, und das Signal größer als der vorbestimmte Leistungspegelschwellenwert ist, legt der Erfassungssensor 96 den Detektorquadranten fest, in welchem der Puls entdeckt wurde.
Wenn ein Puls von dem von der Endeinrichtung 22 übertragenen Strahl 16 entdeckt wurde, kann die Erfassungslogik auf unterschiedlichen Zweigen fortfahren. Der erste Zweig beinhaltet den in 8 gezeigten Schritt S12. Steuerungsunterbaugruppe 200 schließt eine Logik ein, die die Zahl der Pulse zählt, die von dem Erfassungssensor 96 über die Zeit erkannt wurden (d.h. wie oft Strahl 16 in das Teleskop 14 eintritt). In Schritt S12, wenn weniger als die maximale Zahl von Pulsen erkannt wurde, geht die Logik zu Schritt S14, der eine Zeit für einen Stufenablauf einschließt. Nachdem die Zeit aufgebraucht ist, geht die Logik zu Schritt S16, der bestimmt, ob die minimale Zahl von Pulsen erkannt wurde und ob die Pulse miteinander vereinbar sind. Wenn weniger als eine vorgegebene Zahl von Pulsen erkannt wurde, kann die Erfassungsstufe zu einer vorhergehenden Erfassungsstufe übergehen, wie durch Schritte S18 und S20 gezeigt, oder, wenn sie sich in der ersten Erfassungsstufe befindet, kann die erste Stufe wiederholt werden, wie in Schritt S22 gezeigt. Wenn die Zahl von Wiederholungen der ersten Stufe über einer vorbestimmten Zahl liegt, kann der Satellit 10 darüber benachrichtigt werden, dass die Erfassung nicht gelang. Wenn mehr als die Minimalzahl der Pulse entdeckt wurde, aber die Pulse nicht miteinander vereinbar waren (d.h. die Pulse wurden in unterschiedlichen Quadranten auf entgegengesetzten Seiten des Erfassungssensors 96 oder in zwischen dem Erfassungssensor 96 und dem Verfolgungssensor 80 nicht vereinbaren Quadraten erkannt, was darauf hinweist, dass einer oder mehrere der Pulse eine Fehlerkennung waren), kann die Erfassungsstufe wiederholt werden, wie in Stufe 22 gezeigt. Wenn mehr als die minimale Zahl von Pulsen erkannt wurde und wenn die Pulse vereinbar waren, kann die Logik zu der nächsten Erfassungsstufe übergehen, wie in Stufe 24 gezeigt.
Die erste Erfassungsstufe ist in den 9 und 10 dargestellt. Die Zahlen mit einem A als Endung beziehen sich auf gleich nummerierte Teile in Endeinrichtung 22. 9 stellt das Sichtfeld 56 des Teleskops 14 und das Sichtfeld 98 des Erfassungssensors 96 dar. Wie in 9 gezeigt, haben die Sichtfelder 56 und 98 ungefähr die gleiche Größe. 9 stellt auch ein Sichtfeld 56A mit Mittelpunkt 57A des Teleskops 24 der Endeinrichtung 22 und ein Sichtfeld 98A mit Mittelpunkt 100A des Erfassungssensors innerhalb Endeinrichtung 22 dar. Mit L22 ist ein beispielhafter Ort der Endeinrichtung 22 innerhalb des Sichtfeldes 56 gekennzeichnet. Mit L12 ist ein beispielhafter Ort der Endeinrichtung 12 innerhalb des Sichtfelds 56A gekennzeichnet.
Wie in 10 gezeigt, wird in Quadrant AQ1 des lichtempfindlichen Detektors des Erfassungssensors 96 ein von Endeinrichtung 22 ausgehender Puls des Empfangsstrahls 16 erkannt. Als ein Ergebnis dieses Pulses wird die Stellung des Spiegels 64 des Feinverfolgungsmechanismus 60 in Schritt S26 geändert (8), so dass Mittelpunkt 100 des Sichtfelds 98 des Erfassungssensors 96 auf den Raumbereich zielt, der durch Quadrant AQ1 vertreten wird, in dem der Ort der Endeinrichtung 22 erkannt wurde. Um diesen Punkt in 11 darzustellen, ist das umgelenkte Feld der Sicht 98' mit Mittelpunkt 100' des Erfassungssensors 96 dem ursprünglichen Sichtfeld 56 des Teleskops 14 überlagert.
In 14, welche den Anfangsbereich der Unsicherheit RU1 und die sich ergebende Abtastung des Strahls 17 durch Zielmechanismus 110 in einem spiralförmigen Muster zeigt, ist (in einer Dimension) dieselbe Betriebsart dargestellt. Das Abtastmuster legt einen spiralförmigen Ort von Abtastlinien fest, die beim Ursprung der Abtastung eine mittlere Abtastlinie entlang der horizontalen Achse 0 aufweisen.
Die in 10 dargestellte Beleuchtung der Endeinrichtung 12 durch Strahl 16 tritt zeitlich etwas vor der Vervollständigung der Stufe auf, welche zu der in 14 gezeigten Zeit T10 stattfindet. Zur Zeit T10 wird der Anfangsbereich der Unsicherheit RU1 auf einen zweiten Unsicherheitsbereich RU2 verringert, was auch durch das neue Abtastfeld der Sicht SC2 dargestellt ist (11 und 12). Zielmechanismus 110 und Feinverfolgungsmechanismus 60 zeigen die Mittellinie der Abtastung in Bereich RU2, wie sie durch den in Detektor-Quadrant AQ1 erkannten Puls bestimmt wurde. Zielmechanismus 110 beginnt, den Übertragungsstrahl 17 in Bereich RU2 beginnend mit Mittelpunkt 100' abzutasten. Wie in 14 gezeigt, ist der Unsicherheitsbereich RU2 kleiner als der Unsicherheitsbereich RU1. Das Abtasten des Übertragungsstrahls 17 in Bereich RU2 entspricht dem vorher beschriebenen Abtasten in RU1 mit der Ausnahme, dass der Durchmesser des Bereiches kleiner ist.
Wieder auf 8 Bezug nehmend, wird dann, wenn sich mit Schritt S20 eine Verringerung der Stufe ergibt, in Schritt 28 das Sichtfeld 98 der vorhergehenden Stufe in einer Weise geändert, die die Reihenfolge der 10 und 11 umkehrt.
Wie in 12 gezeigt, wird Teleskop 14 mittels Entladekreis 340 wiederausgerichtet (7), so dass Mittelpunkt 57 des Sichtfelds 56 mit dem neuen Sichtfeld des Erfassungssensors 96 ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass Mittelpunkte 57, 84, 91 und 100 ausgerichtet sind.
Um den Übergang des Betriebs von der Anfangsstufe zu der nächsten Stufe zusammenzufassen, werden die Schätzung des Ortes der entgegengesetzten Endeinrichtung (z.B. L22, 9 bis 12), der Unsicherheitsbereich und das Suchmuster eingestellt. Wenn durch Endeinrichtung 12 auf einem bestimmten Quadranten ein von Endeinrichtung 22 ausgehender Puls erkannt wird (z.B. Quadrant AQ1), bedeutet dies, dass sich Endeinrichtung 22 innerhalb der Schnittfläche des Unsicherheitsbereichs RU1 und des Quadranten AQ1 befindet. Der neue Unsicherheitsbereich RU2 (14) wird als diese Schnittfläche angesehen. Der geschätzte Ort der Endeinrichtung 22 wird als Mitte eines neuen Unsicherheitsbereichs RU2 angesehen. Der Radius des Abtastmusters wird eingestellt, um den neuen Unsicherheitsbereich RU2 zu umgeben, und der Mittelpunkt 100 des Erfassungssensorsichtfeldes 98 und nachfolgend der Mittelpunkt 57 des Teleskopsichtfeldes 56 werden auf die Mitte des neuen Unsicherheitsbereiches RU2 ausgerichtet.
Feinverfolgungsmechanismus 60 wird benutzt, um Punktmittelpunkt 100 des Erfassungssensors 96 auf den Raumbereich auszurichten, der durch den Detektor-Quadranten (z.B. Quadrant AQ1) gekennzeichnet ist, in dem der Puls erkannt wurde. Die Erfassungslogik verzögert das Zielen des Mittelpunkts auf das Sichtfeld des Erfassungssensors, um die Lichtübertragungszeit zwischen Endeinrichtung 12 und Endeinrichtung 22 zu berücksichtigen und dem Feinverfolgungsmechanismus 60 zu erlauben, sich auf den neuen Ort einzustellen.
Zielmechanismus 110 ist verpflichtet, dem neuen Abtastmuster zu folgen, so dass der Mittelpunkt der Spiralabtastung des Strahls 17 und Mittelpunkt 100 ausgerichtet sind. Teleskop 14 folgt dann der Bewegung des Zielmechanismus 110, so dass Mittelpunkte 57 und 100 wieder ausgerichtet sind. Zielmechanismus 110 beginnt dann das zuvor beschriebene Abtastmuster für Übertragungsstrahl 17.
Das Ergebnis des Übergangs zu der neuen Erfassungsstufe ist, dass die Bestimmung des Ortes der entgegengesetzten Endeinrichtung (z.B. Endeinrichtung 22) verbessert ist und der Unsicherheitsbereich verringert ist. Aufgrund des verkleinerten Unsicherheitsbereichs, benötigt die Vervollständigung des Abtastmusters weniger Zeit, was zu einer erhöhten Pulsrate führt, die durch dem Erfassungssensor bei der entgegengesetzten Endeinrichtung erkannt wird. So benötigt jede Erfassungsstufe zur Vervollständigung weniger Zeit als die vorherige Erfassungsstufe.
Die Zahl der benötigten Erfassungsstufen hängt von der Größe des anfänglichen Unsicherheitsbereichs ab. Nach Durchgang durch eine Zahl von Erfassungsstufen ist die verbleibende Unsicherheit und die Schätzung des Ortes der entgegengesetzten Endeinrichtung kleiner als der Strahldurchmesser oder das Strahlgebiet. Dieser Unsicherheitsbereich ist ausreichend, um dem Verfolgungssensor 80 zu ermöglichen, den von Endeinrichtung 22 ausgehenden Strahl 16 fortlaufend zu verfolgen.
14 zeigt Erfassungsstufen, die Unsicherheitsbereiche RU1 bis RU6 beinhalten, welche zu den entsprechenden Zeiten T10 bis T15 enden, wenn ein von Strahl 16 ausgehender Puls durch den Erfassungssensor 96 erkannt wird. Jeder der Unsicherheitsbereiche RU1 bis RU6 ist kleiner als der vorherige Bereich. Der Übergang von einem Bereich zu dem nächsten kann anhand der Beschreibung des Übergangs von Bereich RU1 zu RU2 verstanden werden. So erreicht die Größe der Bereiche RU1 bis RU6 nacheinanderfolgend die Größe des Bereichs TU, bei dem die Verfolgung beginnen kann.
Die durch den Unsicherheitsbereich FS in 14 gezeigten Endstufen der Erfassung verlassen die zuvor beschriebene spiralförmige Abtastung zugunsten eines geänderten zykloiden Abtastmusters, wie das in 16 gezeigte Muster 650. Solche Muster sind dazu vorgesehen, den Sendelaserstrahl über den Ort der entgegengesetzten Endeinrichtung – im Gegensatz zum mittleren Teil des Abtastmusters 632 – weniger häufig über die Kante des Abtastmusters 630 streichen zu lassen. Bei der entgegengesetzten Endeinrichtung führt dieser Betrieb zu einer niedrigeren Pulsrate an den Kanten des Unsicherheitsbereichs 630 und zu einer höheren Pulsrate in der Mitte des Unsicherheitsbereichs 632.
Während der Endstufen der Erfassung wird die Erfassungslogik geändert, um den Schätzwert des Ortes der entgegengesetzten Endeinrichtung um einen festen Betrag in die zu dem Quadranten des Verfolgungssensors 80, in dem der allerletzte Puls des Strahls 16 erkannt wurde, passende Richtung zu verschieben, und damit den Mittelpunkt 84 des Verfolgungssensors 80.
Weil die Wirkung einer fehlerhaften Erkennung während der Endstufen der Erfassung weniger kritisch ist, kann der Leistungspegel, bei dem der Puls erkannt wird, eingestellt werden, um die Gesamterfassungszeit zu minimieren. Der Schwellenwert wird in der Schaltung für den Erfassungssensor 96 eingestellt.
Ein Übergang zu einer vorherigen Erfassungsstufe tritt auf, wenn weniger als die vorbestimmte mittlere Zahl von Pulsen pro Sekunde empfangen wurde oder wenn eine Stufenzeit überschritten wurde. Das deutet darauf hin, dass die entgegengesetzte Endeinrichtung einen größeren Unsicherheitsbereich aufweist und deshalb mehr Zeit benötigt, um ihre Schätzung des aktuellen Ortes der Endeinrichtung zu verbessern. Die Stufenzeiten berücksichtigen Lichtausbreitungszeiten und werden durch Hinzufügen eines Zufallszeitabstands zu jeder Stufenzeit ausgewählt, um die Möglichkeit zu minimieren, dass die zwei Endeinrichtungen (z.B. Endeinrichtung 12 und Endeinrichtung 22) zwischen Stufen hin- und herpendeln. Wenn mehr als eine bestimmte mittlere Zahl von Pulsen empfangen wurde, geht die Endeinrichtung zu der nächsten Erfassungsstufe mit einem kleineren zykloiden Muster über, was bei der entgegengesetzten Endeinrichtung zu einer höheren Erkennungspulsrate führt.
Bei der durch den Unsicherheitsbereich TU in 14 dargestellten zykloiden Enderfassungsstufe, wird das zykloide Muster aus den zu dem Zielmechanismus gesendeten Befehlen entfernt (z.B. Zielmechanismus 110), wenn die mittlere Pulsrate einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, was bei dem entgegengesetzten Verfolgungssensor (z.B. Verfolgungssensor 80) zu einem Strahl mit gleichbleibender Leistung führt. Bei der entgegengesetzten Endeinrichtung nutzen die zweiten Geräte der Verfolgungssensorelektronik diesen Konstantleistungsstrahl, um Verfolgungsfehlersignale zu erzeugen, die benutzt werden, um die Verfolgung der entgegengesetzten Endeinrichtung weiter zu berichtigen. Die Erfassung ist vervollständigt, wenn die zweiten Geräte der Verfolgungselektronik bei beiden Endeinrichtungen den Empfang ausreichender Signalleistung zum Aufrechterhalten der Verfolgung anzeigen. Wenn die zweiten Geräte der Verfolgungselektronik nach einer vorbestimmten Stufenzeit keine ausreichende Signalleistung anzeigen, fällt die Erfassungslogik auf die vorherige zykloide Erfassungsstufe für diese Endeinrichtung zurück. Die Stufenzeiten berücksichtigten die Lichtausbreitungszeit und werden durch Hinzufügen einer Zufallszeitspanne zu jeder Stufenzeit ausgewählt, um die Möglichkeit zu minimieren, dass zwei Endeinrichtungen zwischen Stufen hin- und herpendeln.
In Bezug auf 8 erfolgt der Eintritt in die zuvor beschriebenen Enderfassungsstufen durch Schritt S32. Weil die Endstufen der Erfassung vorzugsweise nicht zeitlich festgelegt sind, fährt die Logik mit Schritt S34 fort, in dem Endeinrichtung 12 eine Echtzeitaktualisierung berechnet und sie auf die Schätzung für Endeinrichtung 22 anwendet. Diese Logik setzt dann mit Schritt S36 fort, in dem eine Schaltung die mittlere Rate berechnet, bei der Strahl 16 Endeinrichtung 12 trifft. Wenn der Treffer oder die Trefferrate über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, überträgt S40 die Logik zu Schritt S42, der bestimmt, ob die Trefferrate ausreicht, um in die Verfolgungsstufe bei Schritt S44 einzutzeten. Wenn die Trefferrate unzureichend ist, geht die Logik zu Schritt S46 über, in dem der Bereich der Unsicherheitsstufe um 1 erhöht wird und die Schätzung des Ortes der entgegengesetzten Endeinrichtung um einen vorbestimmten Betrag geändert wird.
Zurückkehrend zu Schritt S40 geht die Logik zu Schritt S48 über, wenn die Trefferrate nicht über dem Schwellenwert für ein Fortschreiten liegt, um zu bestimmen, ob die Trefferrate unter dem Schwellenwert für ein Rückschreiten liegt, welches eine Herabsetzung der Stufe erfordert. Wenn die Trefferrate unter dem Schwellenwert liegt, dann wird die Stufe um 1 herabgesetzt, und die Einstellung der Schätzung des Ortes der entgegengesetzten Endeinrichtung wird auch herabgesetzt, so dass der Unsicherheitsbereich in Schritt S50 um einen vorbestimmten Betrag vergrößert wird.
Zurückkehrend zu Schritt S48 wird die aktuelle Stufe in Schritt S52 fortgesetzt, wenn die Trefferrate nicht unter dem Rückkehrschwellenwert liegt.
Ein Vergleich der 14 und 15 zeigt, dass die Zahl der Stufen in Abhängigkeit von den Umständen wechseln kann, so wie die Größe eines Anfangsbereichs des Unsicherheitsbereichs RU1. Wie in 14 gezeigt, gibt es sechs zunehmend kleinere Unsicherheitsbereiche, bevor Endeinrichtung 12 über die Schritte S32 und S34 in die Enderfassungsstufen FS eintritt (8). Wenn in die Verfolgungsstufe bei Schritt S44 eingetreten wird, dann ist der Unsicherheitsbereich, der in 14 und 15 gezeigt wird, der Verfolgungsbereich TU, in dem der Unsicherheitsbereich weniger ausmacht, als ein Durchmesser oder ein Bereich der empfangenen Strahlweite. 15 zeigt eine Erfassung, in der nur drei Unsicherheitsbereiche (RU1 bis RU3) nacheinander beschritten werden, bevor die Endstufe FS betreten wird.
Während Endeinrichtung 12 auf Strahl 16 ausgerichtet ist, ist Endeinrichtung 22 in gleicher Weise gleichzeitig auf Strahl 17 ausgerichtet. 13 zeigt die Änderung im Zielen auf den Mittelpunkt des Sichtfeldes des Erfassungssensors auf Endeinrichtung 22, wenn Übertragungsstrahl 17 diese Endeinrichtung trifft. Die Teile der in Endeinrichtung 22 festgelegten Sichtfelder werden durch gleiche Nummern ermittelt, die in Verbindung mit der Vorrichtung der Endeinrichtung 12 benutzt werden, aber denen eine Endung "A" gegeben wurde. Im Ergebnis kann der Betrieb in Endeinrichtung 22 anhand der vorangegangenen Erörterung des Betriebs in Endeinrichtung 12 in Verbindung mit 11 und 12 verstanden werden. Insbesondere ist das umgelenkte Sichtfeld 98' mit Mittelpunkt 100A' des Erfassungssensors 96A dem ursprünglichen Sichtfeld 56A des Teleskops 24 überlagert.
Wenn die Signalleistung während der Verfolgungsbetriebsart unter diejenige fällt, die zur Verfolgung erforderlich ist, geht Endeinrichtung 12 selbsttätig zu der Endstufe der Erfassungslogik über und folgt der Erfassungslogik entweder zur Benachrichtigung, dass die Erfassung und damit die Verbindung fehlgeschlagen ist oder dass die Verfolgung wiederhergestellt wurde. Dies führt zu einem leistungsfähigen Betrieb und minimiert die Auswirkungen von Unterbrechungen in der Verbindung zwischen den Endeinrichtungen.
Der Fachmann wird erkennen, dass die bevorzugten Ausführungsformen geändert und verändert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den begleitenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Eine Vorrichtung in einer ersten Endeinrichtung (12) zum Ausrichten und Aussenden eines ersten Datenübertragungsstrahls (16) von der ersten Endeinrichtung, die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten (10) befindet, zu einem Strahlempfänger (25), der sich auf einer zweiten Endeinrichtung (22) befindet, und für ein Ausrichten eines von der zweiten Endeinrichtung ausgesendeten zweiten Datenübertragungsstrahls (17) mit einem ersten Strahlempfänger, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um eine Verfolgung des zweiten Strahls mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, um Datenübertragung mit dem zweiten Strahl zu ermöglichen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Optik (12), die dazu vorgesehen ist, ein erstes Sichtfeld (56) mit einem ersten Mittelpunkt (57) zu bestimmen, das einen Empfang des zweiten Datenübertragungsstrahls ermöglicht, wobei die Optik einen Strahlablenker (74) umfasst, der beweglich ist, um den ersten Datenübertragungsstrahl über einem zweiten Sichtfeld (82), das einen zweiten Mittelpunkt (84) aufweist, innerhalb des ersten Sichtfeldes (56) abzutasten; einen Stellmechanismus (150), der beweglich ist, um die Optik (12) auf den Ort der zweiten Endeinrichtung zu richten und zur Bewegung des Strahlablenkers; einen Erfassungssensor (96), der dazu vorgesehen ist, ein drittes Sichtfeld (98) mit einem dritten Mittelpunkt zu bestimmen, um wenigstens einen Teil des zweiten Strahls zu empfangen und um den Ort der zweiten Endeinrichtung durch Erfassen des zweiten Datenübertragungsstrahls innerhalb eines Teils des dritten Sichtfeldes zu ermitteln; und eine Steuerung in der ersten Endeinrichtung (12), die angeschlossen ist, um nacheinander den Stellmechanismus (150) in Erwiderung auf den durch den Erfassungssensor (96) bestimmten Ort zu steuern, um den Stellmechanismus zu veranlassen, nacheinander den ersten und zweiten Mittelpunkt auf einen Mittelpunkt eines Bereiches zu richten, der durch einen Teil einer Schnittfläche des dritten Sichtfeldes (98) und des zweiten Sichtfeldes (82) dargestellt wird, in der sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet, um den Verfolgungsbeginn zu erleichtern.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung den Strahlablenker (74) bewegt, um mit dem ersten Datenübertragungsstrahl (16) mit einem spiralförmigen Muster abzutasten, bis das zweite Sichtfeld (82) auf eine vorbestimmte Größe verkleinert ist, und dann ein abgewandeltes zykloides Suchmuster (650) aussendet.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung nacheinander den Stellmechanismus (150) in Reaktion auf eine Ortung der zweiten Endeinrichtung (22) innerhalb eines Quadranten (AQ1–AQ4) des Erfassungssensors (96) in Erwiderung auf einen Empfang des zweiten Datenübertragungsstrahls (17) steuert, um den Stellmechanismus zu veranlassen, nacheinander den ersten, zweiten und dritten Mittelpunkt auf einen Mittelpunkt eines Bereiches neu auszurichten, der durch einen Quadranten der Schnittfläche des dritten Sichtfeldes (98) und des zweiten Sichtfeldes (82) dargestellt wird, in dem sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Steuerung den Strahlablenker (74) bewegt, um den ersten Datenübertragungsstrahl (16) über ein Suchmuster abzusuchen, das in Erwiderung auf jedes Mal wiederholt wird, wenn der Stellmechanismus (150) den ersten, zweiten und dritten Mittelpunkt auf einen Mittelpunkt eines Bereichs neu ausrichtet, der durch einen Quadranten der Schnittfläche des dritten Sichtfeldes (98) und des zweiten Sichtfeldes (82) dargestellt wird, in dem sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei ein erstes Suchmuster ein spiralförmiges Suchmuster ist und folgende Suchmuster abgewandelte zykloide Suchmuster sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei jedes folgende Suchmuster kleiner ist, als das vorhergehende Suchmuster, so dass jeder folgende Bereich kleiner ist als der vorhergehende Bereich.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei ein erster Datenübertragungsstrahl (16) als ein Konstantleistungsstrahl gesendet wird, wenn eine durchschnittliche Pulsrate des durch den Erfassungssensor (96) erfassten zweiten Datenübertragungsstrahls (17) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, ferner umfassend einen Verfolgungssensor (80), der dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Teil des zweiten Datenübertragungsstrahls (17) zu empfangen und ein viertes Sichtfeld (82) mit einem vierten Mittelpunkt zu bestimmen, und wobei die Steuerung auf die Ortung der zweiten Endeinrichtung (22) innerhalb eines Quadranten (AQ1) des Erfassungssensors (96) reagiert, um den Stellmechanismus (150) nacheinanderfolgend zu steuern, um den ersten, zweiten, dritten und vierten Mittelpunkt auf einen Bereich zu richten, der durch den Quadranten der Schnittfläche des dritten Sichtfeldes und des zweiten Sichtfeldes dargestellt wird, in dem sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet, bis sich die zweite Endeinrichtung innerhalb des vierten Sichtfeldes (82) befindet.
Ein Verfahren zum Ausrichten eines ersten Datenübertragungsstrahls (16) von einer ersten Endeinrichtung (12), die sich auf einem erdumkreisenden Satelliten (10) befindet, mit einem zweiten Strahlempfänger (25), der sich auf einer von der ersten Endeinrichtung entfernten zweiten Endeinrichtung (22) befindet, und zum Ausrichten eines zweiten von der zweiten Endeinrichtung gesendeten Datenübertragungsstrahls (17) mit einem ersten Strahlempfänger, der sich auf der ersten Endeinrichtung befindet, um eine Verfolgung des zweiten Strahls mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, um Datenübertragung zwischen der ersten Endeinrichtung und der zweiten Endeinrichtung zu ermöglichen, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines ersten Sichtfeldes (56) mit einem ersten Mittelpunkt (57), das einen Empfang des zweiten Datenübertragungsstrahls (17) ermöglicht; Übertragen eines Suchmusters mit dem ersten Datenübertragungsstrahl (16) über ein zweites Sichtfeld (82) mit einem zweiten Mittelpunkt (84) innerhalb des ersten Sichtfeldes (56); Bestimmen eines dritten Sichtfeldes (98) mit einem dritten Mittelpunkt in dem ersten Sichtfeld zum Empfangen wenigstens eines Teils des zweiten Strahls (17); nacheinanderfolgendes Ermitteln des Ortes der zweiten Endeinrichtung (22) innerhalb eines Teiles des dritten Sichtfeldes (98); und nacheinanderfolgendes Ausrichten des ersten und zweiten Mittelpunkts auf einen Mittelpunkt eines Bereichs, der durch einen Teil einer Schnittfläche des dritten Sichtfeldes (98) und des zweiten Sichtfeldes (82) dargestellt wird, das – basierend auf dem Empfang des zweiten Datenübertragungsstrahls (17) – als dasjenige ermittelt wurde, in dem sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet, um den Verfolgungsbeginn zu erleichtern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Ausrichten nacheinanderfolgendes Neuausrichten des ersten, zweiten und dritten Mittelpunkts auf einen Mittelpunkt eines Bereichs umfasst, der durch einen Quadranten der Schnittfläche des dritten Sichtfeldes (98) und des zweiten Sichtfeldes (82) dargestellt wird, in welchem sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Übertragen eines Suchmusters in Erwiderung auf jedes Mal wiederholt wird, wenn der erste, zweite und dritte Mittelpunkt auf einen Mittelpunkt eines Bereichs neu ausgerichtet wird, der durch den Quadranten der Schnittfläche des dritten Sichtfeldes (98) und des zweiten Sichtfeldes (82) dargestellt wird, in dem sich die zweite Endeinrichtung (22) befindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei ein erstes Suchmuster ein spiralförmiges Suchmuster ist und folgende Suchmuster abgewandelte zykloide Suchmuster (650) sind und jedes folgende Suchmuster kleiner ist als ein vorausgehendes Suchmuster, so dass jeder folgende Bereich kleiner ist als der vorausgehende Bereich.