DE69412227T2

DE69412227T2 - Retroreflektor für geodätischen Laser mit richtungsunabhängiger Korrektur der Geschwindigkeitsaberration

Info

Publication number: DE69412227T2
Application number: DE69412227T
Authority: DE
Inventors: Glenn Innes F-06440 Peillon Lund
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1993-12-31
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2014-12-28
Also published as: EP0661559B1; FR2714737A1; FR2714737B1; DE69412227D1; US5570230A; JPH07253463A; EP0661559A1

Description

Die Erfindung betrifft die Lasertelemetrie, insbesondere die Lasertelemetrie zwischen zwei künstlichen Körpern (beispielsweise Satelliten auf dem Orbit, Raumfahrzeuge) und/oder natürlichen Körpern (beispielsweise der Erde, dem Mond oder einem anderen Planeten), die sich relativ zueinander bewegen und deren transversale Relativgeschwindigkeit an einen Wert der Größenordnung von einem Kilometer pro Sekunde herankommt oder ihn sogar übersteigt.
Die Lasertelemetrie besteht heute darin, die Zeit zu messen, die von einem Laserimpuls benötigt wird, um zwischen einer Laserstation auf der Erde und einem Satelliten (oder dem Mond) hin und zurück zu gehen, und anschließend diese Zeitmessung in einen (momentanen) Abstand zwischen einem Bezugspunkt der Laserstation und dem Schwerpunkt des Satelliten (oder einem Bezugspunkt des Mondes) umzuwandeln (wobei die Korrektur verschiedener deterministischer Effekte berücksichtigt wird).
Die Lasertelemetrie erstreckt sich im folgenden auf den Fall, bei dem die Abstandsmessung in der einen oder anderen Richtung zwischen Satelliten untereinander oder, allgemeiner, zwischen natürlichen oder künstlichen Himmelsobjekten ausgeführt wird.
Es ist nützlich, daran zu erinnern, daß alle Lösungen von "Lasersatelliten", die zu diesem Zeitpunkt um die Erde kreisen (wie z. B. LAGEOS I und II, AJISAI, STARLETTE und STELLA), zu einer Zeit konstruiert wurden, zu der die Lasertelemetrie nur unpräzise war und die eingesetzten Laser von geringer Leistungsfähigkeit waren (im Verhältnis zu denen, die heute hergestellt werden können). Diese Satelliten wurden folglich so optimiert, daß sichergestellt wurde, daß zahlreiche kleine "kubuskeilförmige" Retroreflektoren existierten, die für jede Ausrichtung des Satelliten eine ausreichende Lichtmenge zur Emissionsstation zurücksenden konnten, um detektiert zu werden. Es war von geringer Bedeutung, daß sie nicht alle den genau gleichen Abstand von dieser Emissionsstation haben, wobei der Unterschied einige Zentimeter oder sogar Dezimeter beträgt.
Seit einigen Jahren hat sich die Situation insofern stark verändert, als mit den gegenwärtigen Lasertelemetriestationen die Dauer der Impulse bis zu einer Größenordnung von 10 Picosekunden herabreichen kann (1 ps = 10&supmin;¹² s) und die Meßgenauigkeit auf einzelnes Echo nicht weit davon entfernt ist, den Millimeter zu erreichen. Mit der Endgenauigkeit der ausgeführten Messungen verhält es sich nicht ebenso, insbesondere aufgrund der Vielfachheit der Echos (ein sichtbares Echo pro Retroreflektor, das für den Laseremitter im Moment des Abschusses sichtbar ist), die eine zeitliche Verbreiterung der Rückimpulse bewirkt, welche Echos nicht individuell und genau mit dem momentanen Abstand des Schwerpunktes des Satelliten von der Laserstation in Verbindung gebracht werden können.
Die Geschwindigkeit zwischen Satellit und Laserstation führt zu einem Geschwindigkeitsaberrationsproblem, das man bei den existierenden Satelliten dadurch zu korrigieren versucht hat, daß den Winkeln zwischen den reflektierenden Seiten der Elementarkubuskeile geringe Abweichungen in bezug auf den Nominalwert von 90º verliehen wurden.
Andererseits sind diese Kubuskeile, die im allgemeinen eben sind, absichtlich in kleiner Größe hergestellt (3 bis 4 cm Durchmesser), und zwar aus zwei Gründen:
- Die Beugungsfigur der Lichtwelle, die sie zurückschicken, wird aufgrund von Effekten, die durch die kleinen Winkelabweichungen erzeugt werden, anstatt aus sechs verschiedenen und getrennten Keulen aus einer Art kontinuierlichen Einfassung gebildet, deren Durchmesser und Breite den für eine adäquate Kompensation der Geschwindigkeitsaberration nötigen Werten entsprechen;
- Aufgrund der geringen Abmessungen der Kubuskeile bleiben die Temperaturgradienten, die im Inneren des Glases, das diese Kubuskeile bildet, auftreten können, niedrig, was geringe Degradationseffekte der entstehenden Beugungsfigur zur Folge hat.
Aus den vorstehend angeführten Gründen der Wahl der geringen Größe werden Reflektoren erhalten, deren Wirkungsgrad (gemessen als Bruchteil der Energie, die zum Emitter zurückgeschickt wird) gering ist. Angesichts der durchschnittlichen Energie der Impulse, die von den Lasertelemetriestationen von vor 10 bis 15 Jahren emittiert werden, war es notwendig, die Satelliten mit einer großen Anzahl an Reflektoren auszustatten, damit eine ausreichende Lichtmenge zum Empfangsteleskop zurückkehrt. Somit sind bei allen diesen Satelliten, die sich gegenwärtig auf dem Orbit befinden, dieselben Prinzipien angewendet, und es werden zahlreiche Kubuskeile (je nach Fall zwischen 60 und mehr als 2000) verwendet, so daß ihre optische Effizienz praktisch unabhängig von ihrer Ausrichtung in bezug auf die Emissionsstation ist. Die Folge davon ist zwingenderweise eine zeitliche Verbreiterung (gekennzeichnet durch eine "charakteristische Strahlung") des zurückgeschickten Impulses.
Selbst mit hochentwickelten Lasertelemetriewerkzeugen macht dieser Effekt der zeitlichen Verbreiterung die Bestimmung des Abstands der Lasersatelliten mit einer absoluten Genauigkeit, die besser als ein Zentimeter ist, ausgehend von einem einzelnen emittierten Impuls praktisch unmöglich.
Unter diesen Bedingungen bemerkt man die Notwendigkeit, im Rahmen des Möglichen folgende Bedürfnisse zu befriedigen:
- das Zurückbringen einer ausreichenden (Energie-) Flußmenge zum Empfänger der Emissionsstation mit Hilfe einer adäquaten Korrektur der Geschwindigkeitsaberration, wobei gleichzeitig die zeitliche "charakteristische Strahlung" minimiert wird (es wird angenommen, daß es nicht wesentlich ist, daß die Effizienz der Rückreflexion des Satelliten im Verlauf der Bewegungen desselben (die möglicherweise schlecht bekannt sind) konstant ist);
- die Eliminierung jeglichen Einflusses, der die vom Satelliten zurückgeschickten Impulse zeitlich verbreitern könnte;
- das Erreichen einer Ungenauigkeit, die praktisch gleich Null ist (idealerweise kleiner oder gleich einem Millimeter), wie auch immer die Geometrie des Einfalls der Lichtimpulse auf den Satelliten sein mag, bei der Bestimmung des Abstands zwischen einem Bezugspunkt der Laserstation und dem Schwerpunkt des Satelliten ausgehend von Abstandsmessungen der Retroreflektoren.
Im Zusammenhang mit den vorstehend geschilderten Bedürfnissen der Geodäsie wurde bereits in den Druckschriften EP- A- 0 506 517 und EP- A- 0 571 256 vorgeschlagen, eine kleine Anzahl großer Retroreflektoren auf einer gemeinsamen Struktur zu vereinigen, so daß ein geodätischer Mikrosatellit gebildet wird, der es den bereits existierenden und zukünftigen Stationen ermöglicht, eine Meßgenauigkeit im Bereich von Millimetern bei der Messung großer Abstände zu erreichen.
Die Verwendung großer kubuskeilförmiger Retroreflektoren (abgekürzt RCC), die hohl sind (anstatt wie bei den gegenwärtigen Satelliten gefüllt zu sein), müßte eine adäquate Dimensionierung der Energiebilanz, die mit dem System Satellit + RCC erreicht wird, ermöglichen. Unter Berück sichtigung der Energie und der Zeitdauer der Impulse, die von den modernen Lasertelemetriestationen emittiert werden, unter der Annahme, daß die Orbithöhen für diese Art von Satellit zwischen 300 und 6000 km von der Erde aus betragen, und unter Berücksichtigung der Winkelverbreiterung der Energie, die von den RCC zurückgesendet wird, und der typischen Größe des Empfangsteleskops einer solchen Station (Pupillendurchmesser in der Größenordnung von 50 cm) kann gezeigt werden, daß ein einzelner Retroreflektor, der durch einen Eingangsdurchmesser, der typischerweise zwischen 10 und 20 cm liegt, gekennzeichnet ist, die Bedürfnisse des Systems bezüglich der Energiebilanz befriedigen kann.
Es wird angenommen, daß die Länge der emittierten Laserimpulse typischerweise zwischen 10 ps und 50 ps (bei einer Breite der halben Höhe) liegt und daß die Schärfe eines einzigen detektierten zurückgeworfenen Photons ausreichend ist, um einen RCC zu identifizieren und daraus den Abstand zu bestimmen (wie es gegenwärtig bei der Lasertelemetrie zwischen der Erde und dem Mond der Fall ist). Die Ungenauigkeit einer solchen Messung hängt von der Energie der detektierten Impulse ab; sie variiert in erster Näherung mit dem Kehrwert der Wurzel der Anzahl der detektierten Photonen, so daß, wenn beispielsweise ein emittierter Impuls mit einer Breite von 50 ps es ermöglicht, eine Meßungenauigkeit von 1 mm für 10 am Empfänger detektierten Photonen zu erreichen, dieses selbe Resultat wahrscheinlich für ein einziges Photon im Fall einer Impulsbreite von 15 ps erreicht wird. Es ist anzumerken, daß diese Art von Überlegung, die im Fall eines einzelnen Echos gültig ist, nicht auf den Fall herkömmlicher Lasersatelliten angewendet werden kann, da die Vielfachheit der Rückechos, die von jenen kommen, eine Mehrdeutigkeit bezüglich der Relation zwischen dem gemessenen Abstand zu den Reflektoren, die zu den detektierten Photonen gehören, und demjenigen (gewünschten) zum Schwerpunkt des Satelliten impliziert, wobei diese Abstände ausgehend vom Emitter- /Empfänger- Laser gemessen werden.
Es ist interessant, hier anzumerken, daß, wie dies bereits in der vorstehend erwähnten Druckschrift EP-0 506 517 angedeutet ist, wenn eine Nachbearbeitung der Abstandsmessungen vorgesehen ist, die Genauigkeit der korrigierten Messungen weit größer sein kann als ihre individuelle tatsächliche Genauigkeit.
Es ist möglich, einen Retroreflektordurchmesser zu finden, der ausreichend ist, um es zu vermeiden, der optischen Realisierung seiner reflektierenden Flächen zu enge Toleranzen auferlegen zu müssen. Tatsächlich können dieselben Bedürfnisse bezüglich der Energiebilanz (oder bezüglich der mittleren Anzahl der pro emittiertem Impuls detektierten Photonen) statt mit einer großen Anzahl an RCC geringer Abmessungen mit einer sehr kleinen Anzahl an hohlen RCC, die durch eine größere Abmessung gekennzeichnet sind, befriedigt werden. Man kann anmerken, daß es im Gegensatz zum Fall der gefüllten RCC, die gegenwärtig in den herkömmlichen Lasersatelliten verwendet werden, keine praktische Grenze für die Abmessung der hohlen RCC gibt.
Beispielsweise haben die Erfinder Kenntnis von der Herstellung eines RCC eines Durchmessers von 50 cm (R. I. S. genannt) für die Mission ADEOS der Japanischen Raumfahrtagentur.
Gemäß einem anderen Beispiel, das es ermöglicht, einzelne Rückechos ohne Mehrdeutigkeit zu gewährleisten, ist aus der vorstehend erwähnten Patentanmeldung EP- A- 0 571 256 eine Einheit aus 8 Kubuskeilen bekannt, die ihre Spitzen nahe beieinander haben.
Im Fall der hohlen Kubuskeile, die ihre Spitzen nahe beieinander haben, können nur die in bezug auf die reflektierende Seite eines der Kubuskeile streifend einfallenden Strahlen (die folglich bezüglich des Rückwegs zur Station eine Wirksamkeit gleich Null haben) möglicherweise in der Sichtbarkeitszone eines oder mehrere benachbarter RCC sein. Da es sich um einen seltenen Fall handelt, kann man annehmen, daß diese Konfiguration durch eine Nichtabdeckung des Gesichtsfeldes der Retroreflektoren gekennzeichnet ist, d. h., daß sie zu einem einzelnen detektierten Rückecho führt.
Somit stellt sich das Problem, die Geschwindigkeitsaberration im Fall eines einzelnen großen Reflektors zu korrigieren, wenn man danach strebt, sich von einer wie auch immer gearteten Forderung der Höhenkontrolle oder allgemeiner der Ausrichtung des Laseremitters/-empfängers (E/R) in bezug auf den RCC zu lösen.
Dies ist das Problem im vorstehend erwähnten Zusammenhang, das die Erfindung zu lösen anstrebt.
Es ist leicht verständlich, daß die allgemeinste Lösung für die Korrektur der Geschwindigkeitsaberration im Fall eines nicht stabilisierten Satelliten darin besteht, dem Beugungsdiagramm im Unendlichen jedes der Retroreflektoren eine einheitliche Ringform verleihen zu wollen, die von Grenzkurven eingefaßt ist, welche den Winkelabständen entsprechen, die gleich den Extremwerten der zu korrigierenden Geschwindigkeitsaberration sind (beispielsweise typischerweise zwischen 6 und 10 Bogensekunden für einen Satelliten auf einem Orbit in 800 km Höhe über der Erde).
In der Patentanmeldung EP- A- 0 571 256 wurde eine Lösung mit nur zwei Beugungskeulen vorgeschlagen, jedoch kann diese Lösung nur ins Auge gefaßt werden, wenn die Ausrichtung von E/R und RCC zueinander im voraus bekannt ist und wenn diese Ausrichtung zueinander im wesentlichen konstant bleibt.
Im allgemeinen Fall, in dem diese Ausrichtung zueinander im Verlauf der Zeit variiert oder schlecht bekannt ist, scheint es notwendig, für die Beugungsfigur eine ringförmige Form zu bewahren, was man, wie dies vorstehend gezeigt wurde, nicht in Kombination mit dem Erreichen eines beträchtlichen empfangenen Energieflusses in bezug auf den emittierten Fluß für große Abstände zwischen E/R und RCC verwirklichen kann.
Erfindungsgemäß ist es hierzu vorgesehen, der Wellenoberfläche nach der Reflexion eine Umlaufform zu verleihen, die derjenigen eines Konus so nahe wie möglich ist. Um eine solche Deformation der reflektierten Lichtwelle zu erreichen, lehrt die Erfindung genauer ausgedrückt den Einsatz eines RCC, dessen Flächen eine reflektierende Oberfläche aufweisen, die zumindest näherungsweise, kontinuierlich oder diskret (Möglichkeit von Stufen), leicht konisch ist.
Genauer ausgedrückt schlägt die Erfindung einen kubuskeilförmigen Retroreflektor für Lasertelemetrie vor, der dazu bestimmt ist, den Winkel δ der Geschwindigkeitsaberration, die auf die relative Verschiebung zwischen dem Retroreflektor und der zugehörigen Laserstation zurückzuführen ist, zu korrigieren, wobei der Retroreflektor drei reflektierende Flächen aufweist, die im wesentlichen zueinander orthogonal sind und drei Kanten definieren, die im wesentlichen orthogonal sind und in einer Spitze konvergieren, wobei jede Kante zu derjenigen der Flächen gehört, die im wesentlichen orthogonal zu ihr ist, wobei alle drei Flächen in bezug auf das kubuskeilförmige Volumen des Retroreflektors entweder konvex oder konkav sind, dadurch gekennzeichnet, daß:
- jede Fläche eine Form aufweist, die zumindest näherungsweise derjenigen eines Konusabschnitts mit einer Achse, die mit der zugehörigen Kante zusammenfällt, entspricht, wobei jede der Erzeugenden dieses Konusabschnitts eine mittlere Neigung der Erzeugenden ungleich Null in bezug auf eine Ebene, die senkrecht zur Achse dieses Konusabschnitts ist, aufweist, wobei die mittlere Neigung der Fläche für die Gesamtheit der Erzeugenden ebenfalls in bezug auf die Ebene ungleich Null ist,
- die lokale (oder momentane) Neigung entlang jeder Erzeugenden jeder Fläche bis auf weniger als 20% konstant ist und
- die mittlere Neigung jeder Erzeugenden jeder Fläche unterhalb von 30% des Durchschnitts α&sub0; der mittleren Neigungen der drei Flächen liegt, wodurch der Retroreflektor eine ausreichende Korrektur des Wertes des Winkels 6 der Geschwindigkeitsaberration gewährleistet, die zumindest näherungsweise der Relation
α&sub0; = 0,2 · δ/k
gehorcht, wobei k ein intrinsischer Parameter des Retroreflektors ist, der von der Anzahl, der Geometrie und dem Brechungsindex oder den Brechungsindizes des Mediums oder der Medien, das (die) das Volumen des Retroreflektors bildet (bilden), abhängig ist.
Gemäß bevorzugter Anordnungen, die eventuell kombiniert werden können:
- ist mindestens eine Fläche aus mindestens zwei ebenen dreieckigen Unterflächen gebildet, die an einer Bruchlinie aneinanderstoßen, wobei die Ränder jeder Unterfläche in bezug auf die zur Achse der Fläche senkrechte Ebene im wesentlichen gleiche Neigungen aufweisen,
- wird jede Fläche aus im wesentlichen identischen Unterflächen gebildet,
- wird jede Fläche aus zwei identischen Unterflächen gebildet,
- sind die drei Flächen identisch,
- weist jede Fläche entlang ihren Erzeugenden mindestens eine Folge koaxialer Stufen auf, wobei aneinandergrenzende Stufen eine lokale Neigung der Erzeugenden definieren,
- weist die Fläche mindestens zwei Folgen paralleler Stufen auf, die durch einen Übergang getrennt sind, dessen Höhe parallel zur Achse der Fläche einem Phasensprung eines Vielfachen von 2 7t von mindestens 1 entspricht,
- variiert die lokale Neigung der Erzeugenden mindestens einer der Flächen als Funktion des Abstands von der Spitze,
- variiert diese lokale Neigung gleichförmig,
- variiert die Neigung der Erzeugenden einer Fläche umfangsseitig zwischen den Kanten, die an diese Fläche grenzen,
- ist das Volumen des Retroreflektors leer und ist der Koeffizient k gleich 1,
- wird das Volumen des Retroreflektors aus einem homogenen Material mit Brechungsindex n gebildet und lautet der Koeffizient k wie folgt:
k = n.cos [arc sin ((sin i&sub0;) /n]/cosi&sub0;
wobei 10 mindestens etwa 30º beträgt,
- weist das Volumen des Retroreflektors entlang den reflektierenden Oberflächen der Flächen homogene Platten mit einem Brechungsindex n auf und ist zwischen diesen Platten leer und lautet der Koeffizient k wie folgt:
Es kann angemerkt werden, daß bereits ein RCC mit gekrümmten Seiten vorgeschlagen wurde, der aus der Druckschrift RIS (vorstehend bereits zitiert) bekannt ist und der der Gegenstand des Artikels von MINATO, SUGIMOTO und SASANO- - Appl. Opt. Vol. 31, nº 28, S. 6015, 1992- - ist, welcher mit "Optical design of cube- corner rétroréflectors having curved mirror surfaces" tituliert ist. Es ist ein Mittel der Verbreiterung der Beugungskeulen beschrieben, das in Kombination eines Sphärisierung von einer bis zu drei der reflektierenden Flächen und die Korrektur eines der Winkel zwischen zwei Flächen eines hohlen Kubuskeils einsetzt. Aber diese Herangehensweise ist für die Verwendung eines RCC bestimmt, der an Bord einer stabilisierten Plattform ist, wo es die Kombination der Effekte der Sphärisierung der Flächen mit demjenigen (bekannten), der durch die Korrektur eines einzelnen Winkels zwischen zwei Flächen gegeben ist, ermöglicht, zwei verbreiterte Beugungskeulen auf dem Boden zu erhalten. Diese Lösung ist nicht für Anwendungen ohne Stabilisierung der Ausrichtung der Reflektoren bestimmt, und es sind weder die Verwendung konischer Oberflächen noch die Erzeugung einer ringförmigen Beugungskeule vorgesehen.
In der Realität ist die Abweichung der Form der reflektierenden Oberflächen in bezug auf eine vollkommene Ebene sehr gering, wobei typischerweise einige Vielfache der Wellenlänge der zu reflektierenden Strahlung erreicht werden (diese letztere liegt typischerweise im "sichtbaren" oder nahen infraroten Bereich des Lichts, nämlich zwischen 400 und 1200 Nanometer). Was die Herstellung der Kubuskeile mit konischen Flächen betrifft, so kann die Anwendung des Polierens, der Photogravur oder der Repliktechnik oder eine Kombination dieser Mittel in Betracht gezogen werden, um die nötige optische Qualität zu erreichen.
Eine andere mögliche Herangehensweise besteht darin, die Form der Flächen der RCC aufzugliedern, indem eine oder mehrere der drei Flächen in eine Anordnung von ebenen, nebeneinander liegenden Unterflächen "zerschnitten" werden. So können die Flächen aus ebenen dreieckigen Unterflächen gebildet werden (oder jeder anderen Form mit zwei in einer Spitze zusammenlaufenden Kanten), die auf die Spitze des RCC zentriert sind und zueinander geneigt sind, wobei sie sich an ihren Rändern so berühren, daß eine kontinuierliche Oberfläche gebildet wird, die mit einem Abschnitt eines sehr abgeflachten chinesischen Schirms mit umfangsseitigen Varia tionen der Neigung vergleichbar ist. Dies ist tatsächlich eine diskretisierte Annäherung an die konische (und kontinuierliche) Form, die vorstehend beschrieben wurde.
Die gesamte Beugungsfigur, die so erhalten wird, ist eine Lichtenergieverteilung, die eine Art polygonalen Ring bildet, der eine annehmbare Annäherung an einen idealen einheitlichen Ring darstellt.
Man kann auch unvollkommene Lösungen gelten lassen, die zu Beugungsfiguren führen, welche gemäß dem Einfallswinkel auf den Kubuskeil unvollständig oder teilweise ringförmig sind; wenn der hohe Takt (typischerweise in der Größenordnung von 10 Hz) der heute in der Telemetrie bei großen Abständen verwendeten Laserschüssen und die Tatsache, daß der Einfallswinkel der Impulse in bezug auf die Normale der RCC im Verlauf der Zeit aufgrund der Relativbewegung zwischen diesen RCC und dem Emitter/Empfänger E/R variieren kann, berücksichtigt werden, wird es im allgemeinen zugestanden, daß ein vernünftiger Anteil (50% oder sogar mehr) von Rückläufen, die gleich Null sind oder eine geringe Energie aufweisen, akzeptiert werden kann, unter der Bedingung, daß es von Zeit zu Zeit (mindestens in der Größenordnung von 1 Mal/Sekunde) Rücksignale gibt, die für die Bedürfnisse der Messungen ausreichend energiereich sind (dies ist mit dem Fall der Telemetrie zwischen Bodenstationen und Reflektorfeldern auf dem Mond zu vergleichen, obwohl bei dieser Anwendung die Frequenz der "guten" Rückläufe (welche nämlich mindestens aus einem Photon bestehen) typischerweise kleiner ist als einmal alle 5 Sekunden).
Auf diese Weise kann das Prinzip einer unvollständigen Ringform in der Beugungsfigur der RCC, was im Verlauf der Zeit eine Folge von Rückechos, die manchmal energiereich, manchmal schwach sind, je nach der momentanen Ausrichtung zwischen E/R und RCC zueinander, zur Folge hat, zugestanden werden.
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben ist, in denen:
- Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen kubuskeilförmigen Retroreflektors ist,
- Fig. 2 die Beugungsfigur des Retroreflektors von Fig. 1 für einen senkrechten Einfall und eine Korrektur der Geschwindigkeitsaberration von 9 Bogensekunden im Mittel ist,
- Fig. 3 die gleiche Beugungsfigur ist, die einem Einfall von 15º in bezug auf die Normale entspricht,
- Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Retroreflektorfläche ist, die aus zwei ebenen Unterflächen gebildet ist,
- Fig. 5 eine Beugungsfigur eines Retroreflektors, dessen Seiten jeweils entsprechend der Fig. 4 sind, für einen senkrechten Einfall ist,
- Fig. 6 eine Beugungsfigur für denselben Retroreflektor für einen Einfall von 15º ist,
- Fig. 7 eine Beugungsfigur für einen anderen Retroreflektor mit Flächen, die verschiedene Neigungen aufweisen, für einen senkrechten Einfall ist,
- Fig. 8 eine Beugungsfigur für einen senkrechten Einfall im Fall eines Retroreflektors mit Flächen, die noch stärker verschiedene Neigungen als in Fig. 7 aufweisen, ist,
- Fig. 9 eine Ansicht einer Retroreflektorfläche, die aus parallelen ringförmigen Stufen gebildet ist, von oben ist,
Fig. 10 eine Schnittansicht der Fläche von Fig. 9 entlang der Linie X- X ist, und
- Fig. 11 eine Schnittansicht einer anderen Fläche mit mehreren Gruppen von Stufen ist.
Der kubuskeilförmige Retroreflektor (abgekürzt RCC), der in Fig. 1 unter dem allgemeinen Bezugszeichen 1 dargestellt ist, kann auf einem Mikrosatelliten (Satellit mit weniger als 100 bis 200 kg), der z. B. für eine geodätische Mission bestimmt ist, auf einem größeren Satelliten, der für beliebige Missionen bestimmt ist (beispielsweise für die Observation und dessen Position und Orbit man im Verlauf der Zeit mit Genauigkeit folgen können möchte (beispielsweise, um seine Beobachtungsinstrumente neu zu kalibrieren)), auf einem anderen Himmelskörper wie dem Mond oder auch auf der Erde in Kombination mit einer Emissions-/Empfangsstation, die an Bord eines Satelliten ist, angebracht sein.
Dieser Retroreflektor 1 ist vorteilhafterweise hohl, was im Vergleich zu einer vollen Geometrie zu einer geringeren Masse, zu einer Eliminierung des Großteils der optischen Verschlechterungen, die durch das Problem der thermischen Gradienten im Glas verursacht werden, und zu einer größeren Einfachheit der Herstellung führt, selbst wenn diesem Retroreflektor große Abmessungen verliehen werden ("Eingangsdurchmesser" mindestens gleich 10 cm).
Es sei 8 der Wert des Geschwindigkeitsaberrationswinkels, den man zu kompensieren wünscht, aufgrund der schnellen relativen Verschiebung zwischen diesem Retroreflektor und der zugehörigen Laserstation, und es sei λ die mittlere Wellenlänge der mit dem Retroreflektor zu reflektierenden Laserstrahlung.
Um eine ungerichtete Korrektur, die einem vorgegebenen Wert der Geschwindigkeitsaberration entspricht, zu gewährleisten, strebt man danach, der Beugungsfigur des RCC eine ringförmige Form mit einem Winkelradius δ und einer Energieverteilung, die so homogen wie möglich ist, zu verleihen.
In der Praxis variiert die zu korrigierende Geschwindigkeitsaberration im Verlauf der Zeit als Funktion der momentanen relativen Ausrichtungen des Vektors der Relativgeschwindigkeit und der Richtung, die den Emitter/Empfängerlaser und den RCC verbindet. Aus diesem Grund muß die Korrektur der Geschwindigkeitsaberration für ein Band von Werten, die sich typischerweise zwischen 0,8 δ und 1,2 δ erstrecken, wenn δ der mittlere Wert der zu kompensierenden Geschwindigkeitsaberration ist, durchgeführt werden.
Beispielsweise ist der mittlere Wert δ von der Größenordnung von 3,5 Bogensekunden für einen geostationären Orbit (Höhe 36.000 km) und von der Größenordnung von 9 Bogensekunden für einen niedrigen Orbit von 400 km Höhe (über der Erdoberfläche).
Um diese ringförmige Form zu erhalten, lehrt die Erfindung, jeder der Flächen dieses RCC eine Form zu verleihen, die an jedem Punkt gegenüber einer fiktiven streng ebenen Fläche eine Abweichung aufweist (bis auf Vielfache der Wellenlänge λ), die um so bedeutender ist, je mehr man sich von der Spitze S des RCC entfernt.
Genauer ausgedrückt weist dieser RCC drei fiktive Kanten z1, z2 und z3, die an der Spitze S zusammenlaufen, und drei reflektierende Flächen F1, F2 und F3 auf, deren Form zumindest näherungsweise ein Konusabschnitt C1, C2 oder C3 ist, mit einer Achse, die mit der Kante z1, z2 bzw. z3 zusammenfällt, auf.
Wenn man mit P1, P2 und P3 die fiktiven Ebenen bezeichnet, die senkrecht zu den fiktiven Kanten z1, z2 bzw. z3 sind und durch die beiden anderen Kanten verlaufen, bilden alle Erzeugenden von C1 (die durch S verlaufen) einen Winkel (oder eine Neigung) α&sub1; mit P1, wobei alle Erzeugenden von C2 einen Winkel α&sub2; mit P2 und alle Erzeugenden von C3 einen Winkel α&sub3; mit P3 bilden.
Mit anderen Worten: Die Flächen F1, F2 und F3 sind jeweils durch eine Neigung α&sub1;, α&sub2; und α&sub3; gekennzeichnet.
Vorzugsweise sind die Werte von α&sub1;, α&sub2; und α&sub3; auf der Gesamtheit der betrachteten Fläche konstant (die Erzeugenden werden hier als geradlinig angenommen) und sind gleich demselben Wert α&sub0;.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Beugungsfiguren, die durch Simulation für exakt konische und identische Flächen erhalten werden, mit einem Wert von α&sub0;, der gleich 1,8" für Strahlungseinfallswinkel von 0º und von 15º in bezug auf die Normale dieses RCC (d. h. der Richtung, die durch S verläuft und gegenüber den drei Kanten den gleichen Winkel einschließt). Der RCC war hohl und hatte einen Eingangsdurchmesser von 100 mm; die Einfallsstrahlung hatte eine Wellenlänge von 500 nm.
Man erhält gemäß diesen Figuren etwa den gleichen Wert für δ sowie:
α&sub0; = 0,20 δ
Diese Relation kann bewiesen werden.
Man kann obige Relation unter der Form
α&sub0; = 0,2 δ/k
verallgemeinern, wobei k ein vorgegebener geometrischer Parameter ist, der von der Anzahl, der Geometrie und dem Brechungsindex des Materials (oder der Materialien), das (die) das Volumen des Retroreflektors bildet (bilden), abhängt.
Im vorstehend erwähnten Fall eines vollständig hohlen RCC ist der Koeffizient k gleich dem Brechungsindex des Vakuums, d. h. gleich 1.
Es kann bewiesen werden, daß, wenn die Strahlung zwischen den drei Flächen ein homogenes transparentes Material mit einem Brechungsindex (in bezug auf das Vakuum) kreuzt, beispielsweise im Fall, wenn der RCC gefüllt ist, die vorstehende Relation wie folgt lautet:
k = n.cos[Arc sin ((sini&sub0;)/n] cos i&sub0;
wobei i&sub0; der mittlere Einfallswinkel der einfallenden Strahlen in bezug auf die Normale des RCC ist; für einen maximalen Einfallswinkel von 40º findet man, daß i&sub0; etwa 30º beträgt; ein Näherungsausdruck für die vorstehend erwähnte Relation lautet:
k 1,09 n
Hingegen kann für den Fall, in dem die Retroreflektor beispielsweise im allgemeinen hohl ist, in dem jedoch die reflektierenden Oberflächen (Flächen) auf der Rückseite homogener Platten desselben Brechungsindex n ausgebildet sind, wie folgt gerechnet werden:
Die Breite der ringförmigen Form der vorstehend erwähnten Beugungsfiguren (Fig. 2 und 3) beträgt etwa 1,5" (sie ist um so schmäler, je größer der Durchmesser des RCC ist).
Wenn man diese ringförmige Form vergrößern möchte, kann man den laufenden (oder lokalen) Wert α der Neigung der Erzeugenden im Inneren jeder Fläche variieren lassen, beispielsweise indem die Erzeugenden des Konus "bombardiert" werden (beispielsweise indem ihrer lokalen Neigung eine parabolische Variation gegeben wird) oder indem den Flächen eine Wellenform gegeben wird (die Erzeugenden sind geradlinig, weisen jedoch von einer Erzeugenden zur nächsten verschiedene Neigungen auf). Wenn die Extremwerte von α αmin und αmax sind, kann gezeigt werden, daß die zusätzliche Verbreiterung Δ des Rings im Fall einer monotonen Variation der Neigung α im Fall eines hohlen RCC durch folgende Näherungsrelation gegeben ist:
Δ ~ 5 (αmax - αmin)
Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß die Einfachheit der vorstehend erwähnten Relation eine strengere aber komplexere Form der Berechnung der Beugung verbirgt, die eine FOURIER- Transformation beinhaltet.
Die Parameter α&sub1;, α&sub2; und α&sub3; bezeichnen somit die mittleren Neigungen der Flächen F1, F2 und F3.
In Fig. 1 sind die Winkel α&sub1;, α&sub2; und α&sub3; so, daß die Flächen ihre konvexe Seite gegen die Normale des RCC gerichtet haben, d. h. gegen die zurückzureflektierenden Strahlen.
Dieselben Resultate werden erhalten, wenn alle Flächen ihre konkaven Seiten gegen die Normale gerichtet haben.
Es ist tatsächlich nicht notwendig, daß die Winkel α&sub1;, a&sub2; und α&sub3; genau gleich sind (α&sub0; bezeichnet somit den Durchschnitt der mittleren Neigungen der Flächen a&sub1;, α&sub2;, α&sub3;). Dies wird nachstehend detaillierter ausgeführt.
Es scheint in der Praxis, daß die Realisierung der konischen polierten Oberflächen nicht sehr einfach ist. Dies ist der Grund, weshalb verschiedene Herangehensweisen durch die Erfindung vorgeschlagen werden.
Zunächst kann die konische Form durch das Nebeneinandersetzen, Seite an Seite, mehrerer ebener Unterflächen, von denen jede einen Winkelabstand von ungleich Null (vorzugsweise identisch) gegenüber der fiktiven Ebene P1, P2 oder P3 aufweist, angenähert werden. Selbstverständlich beträgt die gesamte Winkelausdehnung der Unterflächen einer Fläche 90º (die sich ergebende Geometrie ähnelt derjenigen eines - sehr flachen - Regenschirms mit geradlinigen Stäbchen).
Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Unterflächen identisch mit derselben Winkelausdehnung (90º/N, wenn es N Unterflächen gibt) und derselben mittleren Neigung αsfij, , wobei der Index i die Nummer der betreffenden Unterfläche und der Index j die Nummer der betreffenden Fläche kennzeichnet.
Es ist leicht zu verstehen, daß die Annäherung der gewünschten konischen Oberfläche um so besser ist, je höher die Anzahl an Unterflächen ist.
Es scheint in jedem Fall, daß eine Annäherung durch zwei Unterflächen für einen RCC- Durchmesser der Größenordnung von 10 cm und für Wellenlängen im sichtbaren Bereich (400 bis 700 nm) bereits völlig ausreichend ist. Im Fall eines RCC- Durch messers, der wesentlich größer ist, kann sich eine Vergrößerung der Anzahl der Unterflächen als notwendig erweisen, um den Beugungsring umfangsseitig ausreichend gleichmäßig zu halten.
Fig. 4 zeigt eine solche Fläche F1, die eine Bruchstelle K aufweist, welche zwei Unterflächen SF1 und SF2 teilt.
Die Winkel (oder Neigungen), die die verschiedenen Ränder der ebenen Unterflächen mit der fiktiven Ebene Pj der Fläche F'j einschließen, werden mit αkij bezeichnet, wobei i entweder Null ist (für eine der Kanten der Fläche j) oder die Nummer der betrachteten Unterfläche (für alle Ränder - beispielsweise die rechten Ränder - der Unterflächen). In gleicher Weise wird die Neigung der Unterfläche i der Fläche j gegenüber Pj mit αbij bezeichnet. Im Fall von Fig. 4 betrachtet man somit nacheinander, von links nach rechts, die Winkel αk&sub0;&sub1;, αb&sub1;&sub1;, αk&sub1;&sub1; αb&sub2;&sub1; und αk&sub2;&sub1;.
Vorzugsweise sind die Winkel αkij im Inneren jeder Fläche (und somit für denselben Wert von j) gleich demselben Wert αkj; wenn außerdem für die Unterflächen dieselbe Winkelamplitude gewählt wird, wird erreicht, daß die Winkel αbij vorzugsweise im Inneren jeder Fläche gleich demselben Wert αbs sind. Es kann verifiziert werden, daß αkj < αj < αbj, wobei αj wie vorstehend die mittlere Neigung der betrachteten Fläche ist. Die Abweichungen sind gering. Somit kann im hier betrachteten Fall zweier identischer Unterflächen gezeigt werden, daß folgendes gilt:
αkj = 0,948 αj
αbj = 1,026 αj
Im folgenden wird angenommen, daß die vorstehend erwähnten bevorzugten Bedingungen eingehalten werden, und die Notationen werden dadurch vereinfacht, daß der Index j unterdrückt wird (diese vereinfachte Notation wird im Fall, in dem angenommen wird, daß die Flächen identisch sind, genau).
Wenn der Winkel, den die Winkelhalbierende einer Unterfläche mit jedem ihrer Ränder einschließt, mit φ&sub0; bezeichnet wird, erhält man:
φ&sub0; = 90º/2N
Es kann gezeigt werden, daß für eine beliebige Anzahl von Unterflächen der Schnittwinkel zwischen zwei identischen benachbarten Unterflächen wie folgt lautet:
γ = 2 αk.tg φ&sub0;
Selbstverständlich geht dieser Winkel gegen Null, wenn zunimmt.
In der Praxis ermöglichen es die herkömmlichen Interferometrietechniken, den Schnittwinkel zwischen zwei benachbarten Unterflächen auf einfache Weise zu kontrollieren. Es kann verifiziert werden, daß für jeden Wert von folgendes geschrieben werden kann:
αk = αb cos φ&sub0;
Daraus wird abgeleitet, daß mit zwei Unterflächen, was φ&sub0; = 22,5º entspricht, eine Abweichung der Größenordnung von 7,6% zwischen den Werten dieser beiden Winkel αb und αk erhalten wird. Dies bestätigt, daß eine Anzahl von nur zwei Unterflächen pro Fläche bereits eine gute Näherung einer konischen Oberfläche gibt, ebenso, wie man gesehen hat, daß ein Interesse daran bestehen kann (um den Beugungsring zu verbreitern), Neigungsfluktuationen beim Übergang von einer Kante einer gegebenen Fläche zur nächsten zu haben.
Folglich ist es, selbst wenn es logischer scheint, sich bei der Konstruktion auf αj zu beziehen, näherungsweise gleichwertig zu versuchen, einem beliebigen der Winkel αb oder αk den vorstehend im Zusammenhang mit der konischen Form angegebenen Wert (0,2 δ/k) zu geben.
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Beugungsfiguren, die durch Simulation mit einem Retroreflektor erhalten wurden, bei dem jede der drei Flächen von zwei ebenen Unterflächen gebildet wird, bei denen die Neigung der Ränder α&sub1; = 1,8" beträgt. Wie im Fall der Fig. 2 und 3 betrug der Durchmesser des RCC 10 cm, und die Wellenlänge der Strahlung betrug 500 nm.
Für einen senkrechten Strahlungseinfall erhält man (s. Fig. 5) eine Beugungsfigur, die derjenigen der Fig. 2 und 3 sehr ähnlich ist; sie ermöglicht schon eine Korrektur einer Geschwindigkeitsaberration von 9".
Für einen Einfall von 15º in bezug auf die Normale des RCC zerfällt die Beugungsfigur in zwei Halbringe eines Radius von hier wiederum nahe 9". Die Korrektur der Geschwindigkeitsaberration ist nicht mehr vollkommen ungerichtet; es ist in jedem Fall anzumerken, daß man Echos für eine sehr große Anzahl an Ausrichtungen der Relativgeschwindigkeit zwischen E/R und RCC erhält.
Noch geringfügig bessere Ergebnisse werden für drei Unterflächen pro Fläche erhalten.
Die Flächen (und die Unterflächen) sind hier dreieckig, gemäß der gewöhnlichen Geometrie der Retroreflektoren. In jedem Fall ist es wohl klar, daß die hier gezeigten Ergebnisse nicht wesentlich verändert werden, wenn die Flächen oder Unterflächen eine andere Form aufweisen, polygonal oder abgerundet (im Sektor) sind.
Wie vorstehend erwähnt, kann man zulassen, daß die Flächen Neigungsunterschiede aufweisen (beim Übergang von einer Erzeugenden zur nächsten oder entlang derselben Erzeugenden), sobald der Durchschnitt der Neigungen der Flächen gegenüber δ die vorstehend erwähnte Relation einhält (d. h., daß der mittlere Wert α&sub0; zumindest näherungsweise 0,20 δ für einen hohlen RCC beträgt).
So zeigt Fig. 7 die Beugungsfigur, die für einen senkrechten Einfall mit einem Retroreflektor mit zwei Unterflächen pro Fläche erhalten wird, wobei die Neigungen wie folgt sind:
α&sub1; = 0,7 α&sub0; für eine der Flächen,
α&sub2; = α&sub3; = 1,15 α&sub0; für die anderen beiden Flächen
wobei α&sub0; der Nominalwert ist, der ausgehend von 8 durch die vorstehend erwähnte Relation gegeben ist:
α&sub0; = 0,2 δ/k
Es kann verifiziert werden, daß dieser Wert a&sub0; der Durchschnitt der vorstehend erwähnten Neigungen für die drei Flächen ist.
Man beobachtet, daß die so erhaltene Beugungsfigur leicht elliptisch ist, mit einer Energieverteilung den gesamten Ring entlang (selbst wenn man deutlich sechs Lappen unterscheidet).
Was Fig. 8 betrifft, so zeigt sie die Beugungsfigur eines Retroreflektors mit zwei Unterflächen pro Fläche für einen senkrechten Einfall mit folgenden Neigungen:
α&sub1; = 0 für eine der Flächen
α&sub2; = α&sub3; = 1,5 α&sub0; für die anderen Flächen
wobei α&sub0;, wie zuvor, der theoretische Wert der Neigung ist.
Man beobachtet, daß die Beugungsfigur noch stärker elliptisch ist, mit einer stärkeren Heterogenität der Energie (man beobachtet zwei Hauptlappen).
Es scheint vernünftig, aus diesen Figuren zu schließen, daß man für die Flächen oder Unterflächen Abweichungen der Neigung von bis zu etwa 30% des Nominalwertes α&sub0;, zulassen kann (wenn der Fall von Fig. 7 als zufriedenstellend betrachtet wird), unter der Bedingung, daß der tatsächliche Durchschnitt der verschiedenen Neigungen der Flächen im wesentlichen gleich (beispielsweise bis auf weniger als 10%) diesem Nominalwert ist. Dem kann hinzugefügt werden, daß für eine gegebene Fläche die lokale Neigung jeder Erzeugenden, die durch die Spitze verläuft, nahe dem mittleren Wert dieser Fläche (in der Praxis bis auf 20%) sein muß.
Es muß an dieser Stelle daran erinnert werden, daß, wenn der tatsächliche mittlere Wert der Neigungen größer als der Nominalwert α&sub0; ist, der Retroreflektor tatsächlich dafür geeignet ist, größere Geschwindigkeitsaberrationen zu korrigieren. Eine Korrektur, die an kleinere Werte der Aberration angepaßt ist, reicht aus, wenn der mittlere Wert der drei Werte α&sub1;, a&sub2; und α&sub3; kleiner ist als α&sub0;.
Es ist an dieser Stelle anzumerken, daß die Schrägen oder Neigungen αkij gemäß identischen Vorzeichenübereinkünften gegenüber der Normalen des RCC gemessen werden, so daß, wie dies insbesondere bereits erwähnt wurde, die Flächen entweder alle konkav oder alle konvex sind.
Tatsächlich scheint es, daß das Erhalten einer Beugungsfigur gewünschter Größe von der Differenz des optischen Weges abhängt, die bei jeder Reflexion durch den Abstand, den der Reflexionspunkt in bezug auf die Ebene der idealen Fläche (d. h. eben und senkrecht zur Achse 21 an der Spitze S. d. h. in bezug auf die Ebene P1) aufweist, induziert wird. Hingegen ist die lokale Ausrichtung der Normalen zur Fläche am Reflexionspunkt bedeutend weniger wichtig. Aus diesem Grund kann die lokale oder gegenwärtige Neigung der Erzeugenden der Flächen durch eine Folge von Absätzen angenähert werden.
Die Fig. 9 und 10 zeigen somit eine Fläche, die aus einer Folge von ringförmigen koaxialen Stufen M1, M2 ... gebildet sind, welche parallel zur Ebene des Blattes sind, jedoch gegeneinander senkrecht zur Ebene des Blattes verschoben sind, so daß die gewünschte lokale Neigung α angenähert wird.
In einer Variante sind die Flächen oder Unterflächen aus nicht ringförmigen sondern geradlinigen Stufen gebildet.
Fig. 11 zeigt eine andere Variante, bei der die Erzeugende der Unterflächen in Abschnitte zerfällt, die im allgemeinen die gewünschte Neigung α aufweisen und die durch Übergänge getrennt sind, deren Höhe eine Phasenverschiebung (aufgrund der Differenz des optischen Weges) von einem Vielfachen von 2π induziert.
Tatsächlich kann gemäß einer "diffraktiven" oder "holographischen" Annäherung über die räumliche Phasenverteilung der durch den fraglichen RCC reflektierten (oder übertragenen) Lichtwelle nachgedacht werden. Die Berechnungen der Beugung berücksichtigen die Phase der zu beugenden Welle bis auf Vielfache von 2π.
Mit anderen Worten: Wenn beispielsweise die für die konische ideale Oberfläche gewünschte Neigung entlang einer Erzeugenden eine Variation des optischen Gangunterschieds zwischen 0 und 2λ impliziert (was einer Phasenvariation zwischen 0 und 4π entspricht), erhält man dieselben Phasenvariationen mit zwei Übergängen der Höhe 2π.
Die vorstehend erwähnten Wege können beispielsweise durch Bearbeitung in einer Maschine mit Diamantwerkzeug (beispielsweise einer "MOORE"- Maschine) oder durch Photogravur verwirklicht werden.
Beispielsweise gilt folgendes:
- δ = 10"
- die globale Neigung αo der gebildeten Stufen der Wege beträgt 2"
- die Länge der Seiten der Flächen beträgt 10 cm
- die Höhe des Übergangs (Phasenverschiebung von 2π für eine Wellenlänge von 500 nm) liegt in der Größenordnung von 500 nm.
In dem gesamte bisher gesagten wurde mit Bezug auf fiktive Kanten gerechnet.
Wie dies beispielsweise aus Fig. 1 hervorgeht, bewirken die Abweichungen, die die Flächen bezüglich einer Ebene aufweisen, daß die Ränder dieser Flächen nicht aneinander stoßen, wenn die Winkelamplitude dieser Flächen ganz genau 90º ist. In der Praxis erstrecken sich die Flächen oberhalb von 90º (oder unterhalb von 90º, wenn die Flächen konkav sind), bis sie die anderen Flächen an reellen Kanten schneiden; es ist anzumerken, daß sich diese Flächen entlang diesen reellen Kanten nicht genau im rechten Winkel aneinander anschließen. In dem Fall, in dem die drei Werte von α&sub1;, α&sub2; und α&sub3; identisch und gleich α&sub0; sind, ist diese Abweichung von der Orthogonalität gleich dem Winkel γ, der durch den vorstehend angegebenen Ausdruck gegeben ist.
Es versteht sich von selbst, daß die vorstehende Beschreibung nur als nicht beschränkendes Beispiel gegeben wurde und daß zahlreiche Varianten vom Fachmann vorgeschlagen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Im Fall einer allgemeineren Anwendung dieses Konzepts des RCC zur ungerichteten Korrektur der Geschwindigkeitsaberration kann man sich verschiedene Szenarien vorstellen, bei denen Reflektoren auf dem Boden der Erde oder eines anderen Himmelskörpers deponiert werden und eine Emissions- Empfangsstation auf dem Orbit um diesen Körper. Das Interesse, eine ringförmige Beugungsfigur zu erzeugen, entsteht, sobald man die relative Ausrichtung des RCC (um seine Normale herum) in bezug auf die scheinbare Bewegung des ER (Emitter- Empfängers) auf dem Orbit nicht bekannt ist oder nur schlecht bekannt ist.
Diese Nichtkennen der Relativbewegung kann sich beispielsweise in einer der folgenden Situationen ergeben:
- Im Zusammenhang mit einem ER auf dem Orbit um einen Planeten (Erde oder anderer Planet) gemäß einer bekannten Neigung, werden die RCCs ohne genaue Ausrichtung in bezug auf die Relativbewegung zwischen dem ER und dem Planeten ausgesetzt.
- RCCs werden auf dem Boden eines Planeten (Erde oder anderer Planet) - selbst auf vollständig bekannte und kontrollierte Weise - in großen Höhen angeordnet und werden anschließend von einem ER-Satelliten anvisiert, der einen polaren oder quasipolaren Orbit beschreibt. In diesem Fall der Figur wird der Vektor der Relativgeschwindigkeit zwischen RCC und ER im Verlauf der Zeit seine Ausrichtung verändern.
- CCs werden auf dem Boden eines Planeten - selbst auf vollständig bekannte und kontrollierte Weise - auf einer beliebigen Höhe angeordnet und werden anschließend von mehreren ER-Satelliten aus anvisiert, die Orbite beschreiben, welche durch verschiedene und variierte Neigungen gekennzeichnet sind.

Claims

1. Kubuskeilförmiger Retroreflektor für Lasertelemetrie, der dazu bestimmt ist, den Winkel δ der Geschwindigkeitsaberration, die auf die relative Verschiebung zwischen dem Retroreflektor und der zugehörigen Laserstation zurückzuführen ist, wobei der Retroreflektor drei reflektierende Flächen (F1, F2, F3) aufweist, die im wesentlichen zueinander orthogonal sind und drei Kanten (z1, z2, z3) definieren, die im wesentlichen orthogonal sind und in einer Spitze (S) konvergieren, wobei jede Kante zu derjenigen der Flächen gehört, die im wesentlichen orthogonal zu ihr ist, wobei alle drei Flächen in bezug auf das kubuskeilförmige Volumen des Retroreflektors entweder konkav oder konvex sind, dadurch gekennzeichnet, daß:

- jede Fläche eine Form aufweist, die zumindest näherungsweise derjenigen eines Konusabschnitts (C1) mit einer Achse, die mit der zugehörigen Kante zusammenfällt, entspricht, wobei jede der Erzeugenden dieses Konusabschnitts eine mittlere Neigung der Erzeugenden (α&sub1;, α&sub2;, α&sub3;) ungleich Null in bezug auf eine Ebene (P1, P2), die senkrecht zur Achse dieses Konusabschnitts ist, aufweist, wobei die mittlere Neigung der Fläche für die Gesamtheit der Erzeugenden ebenfalls in bezug auf die Ebene ungleich Null ist,

- die lokale Neigung entlang jeder Erzeugenden jeder Fläche bis auf weniger als 20% konstant ist und

- die mittlere Neigung jeder Erzeugenden jeder Fläche unterhalb von 30% des Durchschnitts α&sub0; der mittleren Neigungen der drei Flächen liegt,

wodurch der Retroreflektor eine ausreichende Korrektur des Wertes des Winkels δ der Geschwindigkeitsaberration gewährleistet, die zumindest näherungsweise der Relation

α&sub0; = 0,2 · δ/k

gehorcht, wobei k ein intrinsischer Parameter des Retroreflektors ist, der von der Anzahl, der Geometrie und dem Brechungsindex oder den Brechungsindizes des Mediums oder der Medien, das (die) das Volumen des Retroreflektors bildet (bilden), abhängig ist.

2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fläche (F'1) aus mindestens zwei ebenen dreieckigen Unterflächen (SF1, SF2) gebildet sind, die an einer Bruchlinie (K) aneinanderstoßen, wobei die Ränder jeder Unterfläche in bezug auf die Achse (Z1) der Fläche senkrechte Ebene (P1) im wesentlichen gleiche Neigungen (αb&sub1;&sub1;, αb&sub2;&sub1;) aufweisen.

3. Retroreflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fläche aus im wesentlichen identischen Unterflächen gebildet wird.

4. Retroreflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fläche aus zwei identischen Unterflächen gebildet wird.

5. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Flächen identisch sind.

6. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fläche entlang ihren Erzeugenden mindestens eine Folge koaxialer Stufen (M1, M2) aufweist, wobei aneinandergrenzende Stufen eine lokale Neigung der Erzeugenden (α) definieren.

7. Retroreflektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche mindestens zwei Folgen paralleler Stufen aufweist, die durch einen Übergang getrennt sind, dessen Höhe parallel zur Achse der Fläche einem Phasensprung eines Vielfachen von 2 π von mindestens 1 entspricht.

8. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Neigung der Erzeugenden mindestens einer der Flächen als Funktion des Abstands von der Spitze variiert.

9. Retroreflektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese lokale Neigung gleichförmig variiert.

10. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Erzeugenden einer Fläche umfangsseitig zwischen den Kanten, die an diese Fläche grenzen, variiert.

11, Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Retroreflektors leer ist und der Koeffizient k gleich 1 ist.

12. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Retroreflektors aus einem homogenen Material mit Brechungsindex n gebildet wird und der Koeffizient k wie folgt lautet:

k = n · cos [arc sin ((sin i&sub0;) /n)]/cosi&sub0;

wobei 10 mindestens etwa 30º beträgt.

13. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Retroreflektors entlang den reflektierenden Oberflächen der Flächen homogene Platten mit einem Brechungsindex n aufweist und zwischen diesen Platten leer ist und der Koeffizient k wie folgt lautet: