DE69413251T2

DE69413251T2 - Orientierungskorrektursystem für beobachtungsgerät

Info

Publication number: DE69413251T2
Application number: DE69413251T
Authority: DE
Inventors: Paul F-31810 Venerque Duchon; Georges F-31650 Auzielle Otrio
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2014-12-10
Also published as: DE69413251D1; JPH09509738A; EP0733226B1; CA2178624A1; FR2713785A1; US5773813A; WO1995016219A1; FR2713785B1; EP0733226A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Orientierungskorrektursystem für ein Beobachtungsgerät und kann vor allem in einen künstlichen Satelliten, ein Raumfahrzeug oder eine Raumstation eingebaut werden.
Die Beobachtungsinstrumente können insbesondere dazu dienen, Bilder aufzunehmen, die mit einer sehr großen Genauigkeit lokalisiert werden müssen. Nun, die Lage und die Ausrichtung des Geräts auf dem Element, das ihm als Träger dient, sind oft nicht mit einer ausreichenden Genauigkeit bekannt. Außerdem ist es oft notwendig oder vorteilhaft, Systeme zum Verstellen der Blickrichtung vorzusehen, d. h. Vorrichtungen, die die Ausrichtung der Blickrichtungsachse des Beobachtungsgeräts verändern. Diese Vorrichtungen sind erforderlich, wenn es nachteilig oder unmöglich ist, den ganzen das Gerät tragenden Flugkörper zu drehen, oder wenn man nicht abwarten kann, bis das Instrument auf natürliche Weise die gewünschte Ausrichtung wieder einnimmt, was sich bei nicht lagestabilisierten Satelliten periodisch ereignet. Die Blickrichtungsverstellvorrichtungen wirken auf das Beobachtungsgerät ein, indem sie es entweder selbst bewegen, oder - und diese Lösung ist bei Satelliten häufig -, indem sie seine Blickrichtung bewegen. Die Vorrichtung wird dann durch einen Drehspiegel gebildet.
Jede Blickrichtungsverstellvorrichtung ist eine Quelle zusätzlicher Ungenauigkeit bezüglich der Ausrichtung der Blickrichtungsachse wegen der Ungenauigkeit ihrer Montageposition oder ihrer Steuergenauigkeit, die sich z. B. durch eine Ausrichtungsungenauigkeit der Blickrichtungsverstellspiegel ausdrückt.
Schließlich können Wärmedehnungen die Trägerstrukturen des Geräts verformen, vor allem bei Satelliten, die sehr großen Temperaturunterschieden zwischen der von der Sonne beleuchteten Seite und der Schattenseite ausgesetzt sind.
Alle diese Umstände erklären, warum die Ausrichtung der Blickrichtungsachsen der Beobachtungsinstrumente nicht mit einer besseren Genauigkeit als ungefähr zwei Bogensekunden erzielt werden können, was bei einem Satelliten mit 800 km Höhe einer Lokalisierungs- bzw. Ortungsungenauigkeit von 800 m am Boden entspricht, während man einen Satelliten bis auf einige zehn Metern genau lokalisieren bzw. orten kann. Dieser Unterschied beweist, daß die Verbesserung der Lokalisierung einer Bodenansicht nun vor allem von der Qualität der Ausrichtung des Geräts oder seiner Blickrichtungsachse abhängt.
Die Erfindung hat genau die Aufgabe, diesen Nachteil der Ausrichtungsungenauigkeit mittels eines Systems zu beseitigen, das in seiner allgemeinsten Form umfaßt: eine fest mit dem Gerät verbundene Quelle eines ersten Lichtmusters, in der Nähe der Fokalebene des Geräts befindlich und durch wenigstens zwei Punkte gebildet; einen mit einer bekannten Ausrichtung an dem genannten, das Gerät und das System tragenden Raumflugkörper befestigten Sensor; und einen Rückstrahlspiegel, angebracht, um das Licht der Quelle auf den Sensor zu reflektieren, wobei dieser Spiegel entweder mit dem Sensor oder mit dem Blickrichtungsverstellspiegel fest verbunden ist (wenn dieser existiert).
Die Lage der Lichtmusterabbildung auf dem Sensor drückt die Ausrichtung des Geräts aus. Wenn das System kein anderes bekanntes Element umfaßt, muß die Ausrichtung des Rückstrahlspiegels - nicht zu verwechseln mit dem Blickrichtungsverstellspiegel - bestens bekannt sein, was z. B. möglich ist, wenn er mit Sorgfalt auf einen fest mit dem Sensor verbundenen Träger montiert ist.
Der Lichtsensor kann insbesondere aus einem bei Satelliten ziemlich häufig verwendeten Sternensensor bestehen. Er liefert dann selbst das Ausrichtbezugssystem, indem er zusammen mit der Lichtmusterabbildung das der Bezugssterne detektiert und indem er die Positionen der beiden Abbildungen auf seinem Schirm vergleicht. Das Ausrichtbezugssystem kann auch durch eine gyroskopische Einheit vervollständigt werden, die dann starr mit dem Lichtsensor verbunden ist.
Wenn die Ausrichtung des Rückstrahlspiegels nicht genau bekannt ist, entstehen neue Ungenauigkeiten. Dies kann dazu führen, daß man eine zweite mit dem Lichtsensor fest verbundene Quelle verwendet, die ein zweites Lichtmuster abstrahlt, dessen Licht durch den Rückstrahlspiegel auf den Sensor reflektiert wird, wobei die Position der Abbildung dieses zweiten Musters das Ausrichtbezugssystem des Sensors und die Position des durch das Gerät abgestrahlten Musters ergänzt, um dessen Ausrichtung mit einer Perfektion zu liefern, die nur noch durch die Ungenauigkeiten der Detektionsauflösung und der Projektionsrichtung der Lichtmuster beeinträchtigt wird, die man leicht auf ein geringes Niveau reduzieren kann.
Die Erfindung kann durch gewisse Verbesserungen bei ihren bevorzugten Ausführungen vervollständigt werden. Zunächst kann der Rückstrahlspiegel winklig sein und durch zwei ebene Facetten gebildet werden, die durch eine Kante getrennt werden, wobei der eine das Licht der ersten Quelle reflektiert und der andere das der zweiten, was ermöglicht, den Sensor in bezug auf das Gerät nahezu frei anzuordnen. Oder, wenn ein Blickrichtungsverstellspiegel vorhanden ist und wenn der Rückstrahlspiegel fest ist, kann dieser eine längliche, zur Drehachse des Blickrichtungsverstellspiegel senkrechte Facette umfassen, die das Lichtmuster der ersten Quelle auf eine der Seiten der Drehachse des Blickrichtungsverstellspiegels reflektiert, wo sich der Lichtsensor befindet. Bei einer solchen Anordnung befindet sich der Sensor seitlich des Blickrichtungswegs des Geräts und nicht in diesem, und der Lichtsensor ist für einen großen Winkelbereich des Blickwinkelverstellspiegels nützlich.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit diesen und anderen Objekten bzw. Zwecken und Merkmalen beschrieben, mit Hilfe folgender beigefügter, erläuternder und nicht einschränkender Figuren:
- die Fig. 1 stellt bestimmte wesentliche Elemente einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Systems dar,
- die Fig. 1a zeigt schematisch den Lichtsensorschirm,
- die Fig. 1b zeigt eine Detailveränderung der ersten Ausführung,
- die Fig. 2 zeigt die Installation des Lichtsensors,
- die Fig. 2a zeigt die Bildung der Abbildungen auf dem Lichtsensorschirm,
- die Fig. 3 zeigt einen Rückstrahlspiegel,
- die Fig. 4a und 4b stellen eine andere komplette Ausführung der Erfindung dar und zeigen insbesondere Rückstrahlspiegel nach Fig. 3,
- die Fig. 5 stellt einen anderen Aufbau der Erfindung mit einem unterschiedlichen Rückstrahlspiegel dar,
- die Fig. 6 und 7 zeigen einen in Verbindung mit der Erfindung benutzten beweglichen Schirm.
Bei den in der Folge beschriebenen Ausführungen wird angenommen, daß die Elemente der Erfindung auf bzw. in einen künstlichen Satelliten montiert sind. Zunächst betrachten wir die Fig. 1. Das Beobachtungsgerät 1, unbeweglich am Satelliten befestigt, ist partiell dargestellt und besitzt insbesondere eine Stirnfläche 2, die zusammenfällt mit seiner Fokalebene und die auf gleicher Höhe mit einer Beobachtungsdetektorenanordnung 3 und vier Leuchtdioden 4 ist (wobei, wie in der Folge zu sehen, zwei Lichtquellen genügen könnten), von denen jede einen Strahl eines Laserlichts emittiert, den Lichtsensoren erkennen können. Zwei der vier Dioden 4 befinden sich an den Enden der Detektorenanordnung 3 und die beiden anderen auf deren Seiten, mit halbem Abstand von den ersteren. Vorteilhafterweise kann man (nach Fig. 1b) nur eine Laserdiode 4 benutzen, die vor einem divergierenden Bündel optischer Fasern 41 abstrahlt, von denen jede einen Teil ihres Lichts auffängt und die mit Enden 42 in den genannten Emissionspunkten enden, so daß der Effekt derselbe ist.
Ein optisches System 5 wird vor dem Beobachtungsgerät 1 angeordnet. Es wird symbolisiert durch eine Fokussierlinse, kann aber von irgendeiner bekannten Art sein, je nach Notwendigkeit und den Eigenschaften des Geräts 1. Eine ihrer Wirkungen ist die Defokussierung der von den Dioden 4 stammenden Strahlen, um ihr Licht Strahlen 8 entsprechend breit zu streuen, so daß sie eine Front mit einer ausgedehnten Fläche aufweisen.
Ein Blickrichtungsverstellspiegel 6 ist vor dem optischen System 5 angeordnet. Er dreht sich um eine Drehachse 7 und sein Gesamtausschlag kann z. B. 30º betragen. Die vom Beobachtungspunkt stammenden Strahlen gelangen einer Blickrichtungsachse L entsprechend zu dem Gerät 1, nachdem sie durch den Blickrichtungsverstellspiegel 6 reflektiert wurden. Die Strahlen 8 werden nicht obligatorisch durch den Blickrichtungsverstellspiegel 6 reflektiert, denn sie passieren ein in ihm oder seitlich von ihm hergstelltes Loch 44. Sie werden erst durch einen zweiten Spiegel reflektiert, Rückstrahlspiegel 9 genannt, der fest mit dem Blickrichtungsverstellspiegel 6 verbunden ist und der auf einer Seite des Lochs 44 angebracht ist. Sie enden bei einem Lichtsensor, Ausrichtsensor 43 genannt, der sich vor einem optischen System 11 befindet, das die Strahlen 8 auf eine sensible Fläche 12 des Ausrichtsensors 10 konvergiert, die durch ein Rechteck, hier ein Quadrat aus Detektoren 13 gebildet wird (Fig. 1a). Ein Computer (nicht dargestellt), in den Ausrichtsensor 43 integriert, zerlegt das global durch die Detektoren 13 aufgenommene Bild, um die globale Ausrichtung des Satelliten abzuleiten, an dem der Ausrichtsensor 43 mit einer bestens bekannten Ausrichtung befestigt ist. Tatsächlich ist er an einer Platte 45 befestigt, die mit dem Satelliten verbunden ist und an der ebenfalls ein Sternensensor 46 und ein Gyroskop 47 befestigt sind, die in einem festen Bezugssystem ein Ausrichtbezugssystem liefern. Diese Bildanalyse verursacht keine besonderen Probleme, denn man kann immer unterschiedliche Wellenlängen für die Lichter der Dioden 4 (z. B. 0,95 um) und diejenigen wählen, die den in dem Gerät 1 detektierten Wellenlängen entsprechen (ungefähr von 0,4 bis 0,9 um und 1 bis 2 um), wenn man über keine anderen Informationen verfügt, z. B. die Position oder Ausdehnung der jeweiligen Bilder.
Ausreichende Informationen werden immer erzeugt, wenn jedes der Bilder zwei Punkte enthält, denn ein einziger Punkt ermöglicht nicht, alle Drehungen der Elemente nachzuweisen, die für seine Position auf der sensiblen Fläche 12 verantwortlich sind. Die die Bilder zusammensetzenden Lichtmuster werden folglich im Prinzip durch wenigstens zwei Punkte gebildet, und in der Praxis zieht man oft vor, über mehr Punkte zu verfügen, was der Grund dafür ist, daß man bei der vorgeschlagenen Lösung vier Dioden 4 verwendet.
Das Defokussieren des Lichts der Dioden 4 ermöglicht dem Rückstrahlspiegel 9, bei allen Drehungen des Blickrichtungsverstellspiegels 6 eingeschlossen zu bleiben in die Front der Strahlen 8.
Die Fig. 2 und 2a liefern Informationen bezüglich der Herstellung eines verbesserten Ausrichtsensors 10, der gleichzeitig als Sternensensor dienen kann, von denen aber einige auch auf den vorhergehenden Ausrichtsensor 43 angewandt werden können. Ein Schirm 14 ist vor einer Optik 11 des Ausrichtsensors 10 angeordnet, um die Störlichter fernzuhalten. Ein Halbspiegel 15 ist in den Schirm 14 eingepaßt, der durch zwei Trichter gebildet wird, von denen der eine 16, der den Halbspiegel 15 trägt, sich in der Verlängerung der optischen Achse des Ausrichtsensors 10 befindet, und der andere 17 mit dem ersten verbunden ist und sich vor dem Halbspiegel 15 befindet. Der Halbspiegel 15 wird benutzt, damit der Ausrichtsensor 10 das Licht sammelt, das die Bilder von zwei verschiedenen Richtungen bildet. Noch genauer: er ist durchlässig für die Wellenlänge der Strahlen 8 der Dioden 4, die ihn folglich durchqueren, indem sie den Trichter 16 durchlaufen, aber er reflektiert die Wellenlängen der detektierten Sterne, deren Strahlen 18 folglich den anderen Trichter 17 durchlaufen, um beim Ausrichtsensor 10 anzukommen. Dieser andere Trichter kann mit einem Filter der Wellenlängen der Dioden 4 ausgestattet sein, um sofort die Unterscheidung der oben erwähnten Bilder vorzunehmen. Der Halbspiegel 15 spielt also die Rolle eines Filters für jede der Meßrichtungen und ermöglicht, ohne Fehlerrisiko die Bilder der Sterne und der Dioden 4 auf der empfindlichen Fläche 12 aufgrund ihrer Farben zu unterscheiden.
Eine sehr vorteilhafte Ausführung der Erfindung wird nun in Verbindung mit den Fig. 3, 4a und 4b beschrieben. Sie zeigt die konkrete Anwendung von bestimmten vorhergehenden Überlegungen. Die Beschreibung der Fig. 1 bleibt gültig bezüglich des Beobachtungsgeräts 1, des Blickrichtungsverstellspiegels 6 und verbundenen Teile. Aber das bisher beschriebene System stellt nicht zwangsläufig zufrieden, denn die Drehungen des Rückstrahlspiegels 9 um eine zu seiner Reflexionsebene senkrechte Achse werden durch den Ausrichtsensor 10 nicht detektiert. Man hat den Ausrichtsensor 10 am Rand des Quadrats der Detektoren 13 mit zwei zusätzlichen Leuchtdioden 19 versehen (Fig. 2a), deren Strahlen 20 auf den Rückstrahlspiegel 9 gerichtet sind und die durch diesen reflektiert werden und fast zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren, in das Quadrat der Detektoren 13. Das Bild dieses Lichtmusters liefert durch seine Position auf dem Quadrat der Detektoren 13 die Ausrichtung des Rückstrahlspiegels 9. Es wird durch zwei Punkt P20 gebildet, die leicht zu unterscheiden sind von dem Lichtmuster P8, erzeugt von den Strahlen 8, die von den Dioden 4 stammen, die sich in dem Gerät 1 befinden, und das durch vier Punkte gebildet wird, selbst dann, wenn die Lichter dieselbe Wellenlänge aufweisen, denn sie befinden sich in verschiedenen Zonen der empfindlichen Fläche 12: das Lichtmister P8 bewegt sich auf einer Linie L8 entsprechend den Drehungen des Blickrichtungsverstellspiegels 6, wobei die Linie eine Diagonale des Quadrats der Detektoren 13 sein kann, und die Punkte P20 sind von ihr beabstandet.
Der Rückstrahlspiegel 56 dieser Ausführung ist komplex und wird durch drei verschiedene Facetten gebildet, von denen eine, mit 21 bezeichnet, ein schräges Plättchen ist, um 45º geneigt und dazu bestimmt, die Strahlen 8 rechtwinklig zu reflektieren. Die beiden anderen Facetten 22 und 23 sind nahezu senkrecht zur Drehachse 7 angeordnet (mit einem Winkel, der in der Praxis jedoch von ungefähr 60º bis 120º variieren kann), an den Enden der vorhergehenden 21 und dazu bestimmt, die Strahlen 20 der Dioden 19 auf die Sternen- und Ausrichtsensoren 10a und 10b zu reflektieren, die aus weiter unten erläuterten Gründen bei dieser Ausführung zwei an der Zahl sind.
Wenn der Blickrichtungsverstellspiegel 6 dreht, bewegen sich die Reflexionsspuren der durch die Sensoren 10a oder 10b aufgefangenen Strahlen 8 über die ganze Länge der Facette 21, die die entsprechende Ausdehnung haben muß. Die Lichtspuren, die sie auf dem Quadrat der Detektoren 12 bilden, bewegen sich ebenfalls, und dann tritt das Problem auf, daß die üblicherweise verfügbaren empfindlichen Flächen 12 eher klein sind in bezug auf den üblichen Ausschlag der Blickrichtungsverstellspiegel 6. Dieses Problem ist weniger groß, wenn man das Quadrat der Detektoren 13 so anordnet, daß die Lichtspuren darauf im wesentlichen eine Diagonale von einem Ende zum anderen durchlaufen, d. h. die Linie L8 der Fig. 2a.
Ein anderes Mittel, um die großen Ausschläge des Blickrichtungsverstellspiegels 6 mit der Erfindung kompatibel zu machen, besteht darin, das Ortungssystem zu verdoppeln. Diese Lösung ist hier effektiv dargestellt und sichtbar in den Fig. 4a und 4b, wo man zwei verschiedene Rückstrahlspiegel 56a und 56b sieht, die die Strahlen 6 in seitliche und entgegengesetzte Richtungen reflektieren, parallel zur Drehachse 7, auf zwei Ausrichtsensoren 10a und 10b, die sich im wesentlichen gegenüberstehen.
Bei dieser Ausführung sind die Rückstrahlspiegel 56a und 56b unabhängig vom Blickrichtungsverstellspiegel 6 und mit dem Satellitengehäuse verbunden durch Auflageflächen 57a und 57b. Sie sind parallel und leicht versetzt, in Querrichtung vor dem Blickrichtungsverstellspiegel 6, damit die Strahlen 20, die sie auf die Ausrichtsensoren 10a und 10b reflektieren, nicht abgefangen werden durch den Rückstrahlspiegel 56, und in Längsrichtung, um den gesamten Winkelausschlag des Blickrichtungsverstellspiegels 6 abzudecken. Noch genauer: in einer extremen Winkelstellung von diesem, mit 61 bezeichnet, wird ein Teil der Strahlen 8, ein Bündel 8i bildend, auf dem Blickrichtungsverstellspiegel 6 reflektiert, indem er einen Lichtfleck 58i bildet, und auf dem Rückstrahlspiegel 56b, indem er einen Lichtfleck 59 i bildet, nahe der Auflagefläche 57b, wobei die entsprechenden Strahlen 8 auf den Ausrichtsensor 10b reflektiert werden, um die Abbildung der Dioden 4 zu bilden. Wenn sich der Blickrichtungsverstellspiegel 6 dreht, bewegen sich die Lichtflecke 58 und 59, erzeugt durch die Reflexionen des nützlichen Teils der Strahlenfront 8, auf ihm und auf der länglichen Facette 21b, und man erreicht eine Situation, wo sie die Positionen 58j und 59j einnehmen (diese letztere gegen das Ende der länglichen Facette 21b gegenüber der Auflagefläche 57b), wobei die Stellung des Blickrichtungsverstellspiegels 6 mit 6j bezeichnet ist und sich in der Mitte des Winkelausschlags befindet. Die betreffenden Strahlen 8 sind selbstverständlich nicht mehr dieselben wie vorhergehend, aber sind trotzdem fähig, die Abbildung der Dioden 4 auf der empfindlichen Fläche 12 des Ausrichtsensors 10b zu bilden. Außerdem bilden weitere Strahlen 8 simultan Lichtflecke 58k und 59k auf dem Blickrichtungsverstellspiegel 6 und einem Ende der länglichen Facette 21a des Rückstrahlspiegels 55a, der beginnt, nützlich zu werden und eine Abbildung der Dioden 4 auf dem entsprechenden Ausrichtsensor 10 zu bilden.
Um richtig zu begreifen, wie das optische System funktioniert, muß man verstehen, daß die Strahlen 8 immer auf der ganzen Facette 21a oder 21b reflektiert werden, daß aber diejenigen, die sich außerhalb des Lichtflecks 29 befinden, seitlich vom Ausrichtsensor 10 reflektiert werden und infolgedessen verloren sind je nach Schrägheit, die ihnen durch die Winkelstellung des Blickrichtungsverstellspiegels 6 verliehen wird und die in Form einer variablen Komponente erscheint, nach links nach der Fig. 4b (vertikal zu dem Fleck 58 und horizontal zu dem Fleck 59).
Wenn die Drehung des Blickrichtungsverstellspiegels 6 bis ans andere Ende seines Ausschlags erfolgt, der mit 6m bezeichneten Stellung, verschieben sich die Lichtflecke in die Positionen 58m und 59m, wobei letztere sich am anderen Ende der länglichen Facette 21a befindet, und der andere Rückstrahlspiegel 55b wird von den Strahlen 8 nicht mehr getroffen.
Die Tatsache, daß das Licht der Dioden 4, bezogen auf das Licht des Beobachtungsgeräts 1, den umgekehrten Weg nimmt (von der Fokalebene des Geräts, wo sich die Dioden 4 befinden, zum Blickrichtungsverstellspiegel 6), ist eine Garantie für die Leistungsfähigkeit der Erfindung.
In einem konkreten Beispiel hat der Blickrichtungsverstellspiegel 6 einen Gesamtwinkelausschlag von 30º, was ermöglicht, die Blickrichtungsachse L um 60º zu verstellen, einem unter den bekannten Satellitenausführungen nahe beim Maximum befindlichen Winkel. Man wählt als sensible Fläche 12 ein Detektorenquadrat 13 mit 1024 Bildpunkten pro Seite für einen Blickwinkel von 26º, was bedeutet, daß der Blickwinkel 2.26º beträgt, also 37º auf einer Diagonalen (die Linie L8). Die Facette 21 ist auf der Drehachse 7 um 45º geneigt, was jedoch weder unerläßlich ist noch notwendigerweise das beste. Die sensible Fläche 22 detektiert Sterne zwischen den Größenordnungen von ungefähr -2,5 und +4,5, was ermöglicht, immer wenigstens einen zu orten. Zudem bilden die Sternenblickrichtungsachsen (S in der Fig. 2, der Achse des Trichters 17 entsprechend) der Ausrichtsensoren 10 miteinander einen Winkel von ungefähr 60º (vorteilhafterweise annähernd 90º und wenigstens 45º), um mit optimaler Präzision die Ausrichtung des Satelliten mit Hilfe der beiden Ausrichtsensoren 10 ableiten zu können, was möglich ist, da jeder von ihnen immer einen Stern beobachtet.
Wenn das Detektorenquadrat 13 eine Seitenlänge von 19,5 mm aufweist oder wenn die Bildpunkte 1,9 um Seitenlänge haben, erscheinen die Bildpunkte P20 und die des Musters P8 in Form von Flecken, die sich aufgrund der Defokkussierung, der Aberration und der Diffraktion über zwei, drei oder vier Bildpunkte erstrecken. Das optische System 11 ist nämlich nicht konzipiert, um die Strahlen 8 perfekt zu fokussieren, sondern um kleine getrennte Lichtflecke zu bilden, von denen jeder dem Licht einer der Dioden 4 entspricht. Es wird dann die baryzentrische Ermittlungsmethode der Fleckenposition der Sternensensoren für jeden Lichtfleck (von den Dioden 4, 19 und den detektierten Sternen) benutzt, um das Zentrum des Flecks zu berechnen, assimiliert an die Projektion der zugeordneten Lichtquelle und punktförmig angenommen. Sie wird wiederholt bei den Zentren der Lichtflecken der Dioden 4, um die Ausrichtung des Beobachungsgeräts 1 zu berechnen. Diese Methode, angewandt von dem dem Ausrichtsensor 10 zugeordneten Computer und dem Stand der Technik entsprechend, führt in neun von zehn Fällen bei der Ausrichtung der Blickrichtungsachse zu einer Ausrichtenauigkeit von weniger als 10 Bogensekunden.
Dies entspricht einer Ortungsungenauigkeit am Boden von 40 m für einen Satelliten mit 800 km Höhe. Wenn die Positionungenauigkeit des Satelliten 25 m beträgt, beträgt die kumulierte Ungenauigkeit (quadratisch) ungefähr 50 m, was verglichen werden muß mit den 800 m die man unter denselben Bedingungen erhält, ohne die Erfindung zu benutzen.
Weitere Systeme können für die Erfindung konzipiert werden. So kann der Rückstrahlspiegel kleiner sein, wenn das Instrument keinen Blickrichtungsverstellspiegel hat. Er ist bei einer Ausführung dieser Art, dargestellt in Fig. 5, mit 25 bezeichnet und wird durch zwei Facetten 26 und 27 gebildet, die durch eine Winkelkante 28 begrenzt werden und wovon die erste die Strahlen 8 der Dioden 4 des Geräts 1 auf den Ausrichtsensor 10 reflektiert (mit einem kleinen Blickfeld im Gegensatz zu der dem Blickrichtungsverstellspiegel entsprechenden Lösung) und die zweite die Strahlen 20 der Dioden 19 des Ausrichtsensors 10 reflektiert. Mit 29 ist ein einziger Schirm bezeichnet, der das Blickfeld des Geräts und die einfallende Ströhrstrahlung begrenzt. Die durch den Spiegel 25 reflekierten Strahlen 8 sowie Strahlen 20 durchqueren ein Loch 55, das dort hergestellt wurde. Wie vorhergehend wird die Ausrichtung des Geräts 1 ermittelt, indem die Positionen der Flecke der verschiedenen Dioden 4 und 19 auf der sensiblen Fläche des Ausrichtsensors 10 gemessen und mit der Orientierung des Ausrichtsensors 10 korreliert werden, abgeleitet von einem stellaren oder anderen oder im voraus bekannten Bezugssystem. Auch hier können die Dioden 19 und die Facette 27 weggelassen werden, wenn die Ausrichtung des Rückstrahlspiegels 25 bekannt ist.
Diese Ortungen sind noch genauer, denn unter denselben Bedingungen wie bei der vorhergehenden Ausführung und insbesondere mit einem gleichen Ausrichtsensor 10 beträgt die Ausrichtungenauigkeit der Blickrichtungsachse nur noch 3". Daraus kann man für einen Satelliten mit 800 km Höhe eine Ortungsungenauigkeit am Boden von 12 m ableiten (einzig zurückzuführen auf den Ausrichtfehler), und von 30 m (durch quadratische Kumulierung), wenn man zudem eine Positionsungenauigkeit des Satelliten von 25 m in Betracht zieht.
Nun wird ein anderere Aspekt der Erfindung beschrieben. Es handelt sich um ein System mobiler Schirme für ein optisches Beobachtungsgerät mit Blickrichtungsverstellspiegel. Die Fig. 6 zeigt bei einer Konstruktion mit zwei dieser Spiegel 30a und 30b, die aus einer Membran bestehen, in die ein Loch 31 geschnitten ist. Die Form der Löcher 31, hier elliptisch, und ihre Fläche sind an die Breite des Blickfeldes des Geräts 1 angepaßt. Da die Schirme vor dem Blickrichtungsverstellspiegel 6 angeordnet sind, müssen sie in Übereinstimmung mit diesem bewegt werden, damit die Löcher 31 das Blickfeld freigeben. Dazu erstreckt sich die Membran jedes Schirms 30 zwischen zwei Spulen 32 und 33, um die ihre Enden gewickelt sind und von denen wenigstens eine durch einen Motor 34 angetrieben wird und die andere durch einen weiteren Motor angetrieben werden kann, um ein redundantes System zu bilden.
Die Spulen 32 und 33 sitzen auf Achsen 35, die in einem Rahmen 36 gelagert sind (der auch den Ausrichtsensor 10 und die Achse 7 des Blickrichtungsverstellspiegels 6 trägt), und eine Feder 37 belastet eine der Achsen 35 in eine Drehrichtung, die den Schirm 30 spannt. Die Feder 37 kann eine Schrauben- oder Spiralfeder sein und weist eine ausreichend geringe Steifigkeit auf, die sich bei den Umdrehungen der Spule 33, auf die sie wirkt, nur wenig verändert. Wenn jede der Spulen 32 und 33 durch einen Motor 34 ausgerüstet ist, kann man ebenfalls an jeder der Spulen 32 und 33 eine Feder 37 anbringen, um gleichzeitig nur einen Motor 34 zu steuern und die Spannung durch die Achse 35 sicherzustellen, die nicht angetrieben wird.
Zwischen den Spulen 32 und 33 sind Kabel 38 gespannt, parallel zum Schirm 30 und vorzugsweise auf beiden Seiten von diesem. Ihre Enden sind um Rollen 39 gewickelt, von denen die einen (eine pro Kabel) starr auf die Achsen 35 montiert sind und die anderen gleitend auf die Achsen 35 montiert sind und durch nicht dargestellte Federn, ähnlich den Federn 37, belastet werden, um die Kabel 38 zusammen mit dem Schirm 30 zu spannen.
Die Kabel 38 haben die Aufgabe, die beiden Spulen 33 mit einem einzigen Motor 34 anzutreiben und dabei die Bewegungen des Schirms 30 dynamisch zu kompensieren.
Wenn sich der Motor 34 dreht, wird der Schirm 30 in die eine Richtung verschoben und die Kabel 38 bewegen sich in die andere, weshalb man sie mit ähnlichen längenbezogenen Massen wählt, so daß die Bewegungsgrößen des Schirms 30 und der Kabel 38 sich ausgleichen; notfalls kann man den Schirm 30 neben dem Loch 31 mit Verstärkungen 40 belasten, um die längenbezogenen Massen zu egalisieren.
Außerdem stellt man fest, daß die Ausdehnungsrichtungen des Schirms 30 und der Kabel 38 sich gemäß der Ansicht der Fig. 6 kreuzen (gesehen in der Richtung der Achsen 35). Damit hebt man zudem die kinetischen Momente der Spulen 32 und 33 und der Rollen 39 auf, die sich in umgekehrten Richtungen drehen.
Die kinetischen Momente des Blickrichtungsverstellspiegels 6, seines nicht dargestellten Motors und des Motors 34 können auch annuliert werden, indem man das in dem französischen Patent 93 04953 beschriebene Prinzip anwendet, wo gezeigt wird, daß es genügt, Getriebezüge vorzusehen, deren Anzahl, Verzahnungsverhältnisse und Zahnrädermassen passen.

Claims

1. Orientierungskorrektursystem für ein an Bord eines Raumfahrzeugs befindliches Beobachtungsgerät (1), wobei besagtes Gerät eine Fokalebene und einen Spiegel zum wahlweisen Verstellen der Blickrichtung (6) umfaßt und das genannte System dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt:

- eine Quelle (4) eines ersten, in der Nähe der genannten Fokalebene befindlichen und durch wenigstens zwei Punkte gebildeten Lichtmusters;

- einen mit einer bekannten Ausrichtung an dem genannten Raumfahrzeug befestigten Lichtsensor (10, 43); und

- einen Rückstrahlspiegel (9, 25, 56), entweder mit dem genannten Spiegel zum wahlweisen Verstellen der Blickrichtung (6) oder mit dem genannten Sensor (10, 43) verbunden und so angeordnet, daß er das Licht der genannten Quelle auf den genannten Sensor reflektiert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Quelle (19) eines zweiten Lichtmusters umfaßt, verbunden mit dem Sensor (10), wobei der Rückstrahlspiegel (25, 56) so angeordnet ist, daß er das Licht der Quelle (19) des zweiten Lichtmusters auf den Sensor (10) reflektiert.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das erste Lichtmuster durch Enden (42) eines divergierenden Bündels leuchtender optischer Fasern (41) gebildet wird.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (43) mit einem Sternensensor (46) zusammengefügt ist, der fest bzw. starr mit ihm verbunden ist.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (10) auch ein Sternensensor ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor einen semireflektierenden Spiegel (15) umfaßt, der eine erste Kategorie von Wellenlängen reflektiert und transparent ist für eine andere Kategorie, wobei die detektierten Sterne ein Licht von einer der Kategorien abstrahlen und die Quellen ein Licht von der anderen Kategorie.

7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel durch zwei ebene Facetten (26, 27) gebildet wird, die einen Winkel bilden und von denen jede eines der Lichtmuster empfängt.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstrahlspiegel (9) mit dem Blickrichtungs-Verstellspiegel (6) fest bzw. starr verbunden ist.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstrahlspiegel auf einer Fläche eines Lochs (55) des Blickrichtungs-Verstellspiegels hergestellt wird.

10. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstrahlspiegel (56) fest ist und wenigstens eine längliche Facette (21) umfaßt, die senkrecht zu einer Drehachse (7) des Blickrichtungs-Verstellspiegels ist und die Quelle des ersten Lichtmusters in Richtung einer der Seiten der Drehachse (7) des Blickrichtungs-Verstellspiegels (6) reflektiert, und eine Facette (22, 23) die annähernd senkrecht zu der genannten Drehachse ist und die die zweite Quelle reflektiert.

11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zweiten Rückstrahlspiegel (56) umfaßt, wobei die beiden Rückstrahlspiegel fest sind und jeder eine längliche Facette (21) umfaßt, senkrecht zu einer Drehachse (7) des Blickrichtungs- Verstellspiegels, von denen jede die Quelle des ersten Lichtmusters in Richtung einer der jeweiligen Seiten der Drehachse reflektiert, und einen zweiten Lichtsensor (10), mit einer bekannten Ausrichtung an dem Raumfahrzeug befestigt, auf den der zweite Rückstrahlspiegel die Quelle des ersten Lichtmusters reflektiert, wobei die Rückstrahlspiegel und die Lichtsensoren so angeordnet sind, daß die Lichtsensoren das Licht der Quelle des ersten Lichtmusters für komplementäre und sich überlappende Teile des Winkelhubs bzw. -bereichs des Blickrichtungs-Verstellspiegels (6) empfangen.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsensoren (10) Sternensensoren sind, die stellare Beobachtungsachsen haben, die einen Winkel von wenigstens 45º bilden.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor eine empfindliche Fläche (12) mit der Form eines Rechtecks (13) umfaßt, auf der das Licht der Quelle (4) des ersten Lichtmusters eine Diagonale (L8) durchläuft, entsprechend den Drehungen des Blickrichtungs-Verstellspiegels.

14. System nach nach den Ansprüchen 2 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstrahlspiegel so ausgerichtet ist, daß die zweite Quelle mit Abstand von der Diagonalen der ersten Quelle auf die empfindliche Fläche reflektiert wird.

15. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsgerät (1) mit Blickrichtungs-Verstellspiegel vervollständigt wird durch einen vor dem Blickrichtungs-Verstellspiegel beweglichen, durchbrochenen (13) Schirm (30).

16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche durchbrochene Schirm auf zwei Rollen gespannt ist, ebenso wie Kabel (38) derselben linearen Masse wie der Schirm, die auf entgegengesetzte Seiten der Rollen gespannt sind.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel und der Schirm gekreuzt bzw. überkreuzt auf die Rollen gespannt sind.

18. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel mittels Scheiben (39) auf die Rollen gespannt sind, die um die Rollen herum drehbar sind und mit den Rollen durch Federn verbunden sind.