EP4669580A1 - Verfahren, computer-programm-produkt und datenverarbeitungssystem zur bestimmung einer position eines objekts im weltraum - Google Patents

Verfahren, computer-programm-produkt und datenverarbeitungssystem zur bestimmung einer position eines objekts im weltraum

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Publication number
EP4669580A1
EP4669580A1 EP24700287.6A EP24700287A EP4669580A1 EP 4669580 A1 EP4669580 A1 EP 4669580A1 EP 24700287 A EP24700287 A EP 24700287A EP 4669580 A1 EP4669580 A1 EP 4669580A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
image
delay
corrected
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700287.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Wagner
Ranga Dario Rosok
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4669580A1 publication Critical patent/EP4669580A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G3/00—Observing or tracking cosmonautic vehicles
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/10—Segmentation; Edge detection
    • G06T7/174—Segmentation; Edge detection involving the use of two or more images
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/66—Arrangements or adaptations of apparatus or instruments, not otherwise provided for
    • B64G1/68—Arrangements or adaptations of apparatus or instruments, not otherwise provided for of meteoroid or space debris detectors

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, as well as a computer program product and data processing system for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space.
  • Such a system usually includes a camera connected to a lens that observes the starry sky.
  • DE 20 2017 101 831 U1 describes a system for determining and/or predicting a position and/or a trajectory of orbital objects in space, in particular in near-Earth space, comprising a first optical image recording device for recording first images of space, an image processing device for processing the first images recorded with the first image recording device and for determining position coordinates of orbital objects by comparing at least two recorded first images.
  • the system comprises a second optical image recording device, which is aligned with the position coordinates of an orbital object determined with the image processing device and is tracked to track the same.
  • the object of the invention is to provide a method for determining a position of an object in space, in particular in near-Earth space, which allows a more precise position determination.
  • a further object of the invention is to provide a computer program product for determining at least one position of an object in space, in particular in near-Earth space, which allows a more precise position determination.
  • a further object of the invention is to provide a data processing system for executing a data processing program, which comprises computer-readable program instructions for carrying out such a method.
  • a method for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, in which an image recording device is used, comprising at least one camera system, a time synchronization unit, and a computing unit. At least one image of the object is recorded with the camera system using a predetermined exposure time.
  • the time synchronization unit assigns a start time and an end time to the image. A start position and an end position of the object are determined on the image.
  • the computing unit determines a corrected start time from the start time with at least one predetermined switch-on delay of the camera system and a corrected end time from the end time with at least one predetermined switch-off delay of the camera system.
  • the corrected start time is assigned to the start position of the object and the corrected end time is assigned to the end position of the object.
  • the start time and end time of the image are correlated with the exposure time. Except for system-related latencies in an electronic control of the image recording device, the exposure time corresponds to a difference between the end time and the start time.
  • the switch-on delay represents a time delay, in particular a position-dependent one, when the camera system records the image relative to a start signal to the camera system
  • the switch-off delay represents a time delay, in particular a position-dependent one, when the camera system stops recording the image relative to an end signal.
  • the starting position and the end position can be the same.
  • the object can in particular be an orbital object that circles the earth.
  • the at least one position can be a current position of the object and/or a future position of the object.
  • the at least one position of the object can comprise several positions that, when joined together, result in a trajectory of the object in space. In terms of time, the trajectory can have a starting point in the past or the present and an end point in the present or the future.
  • the accuracy of passive optical object detection in space is increased by assigning precise times to the positions of the object via calibration, namely corrected start and end times for the start and end positions of the object when the image is taken.
  • This calibration includes delay times both for activating or opening a shutter of a detector of the camera system in the form of at least one predetermined switch-on delay, and for deactivating or closing the shutter in the form of at least one predetermined switch-off delay relative to a start signal or end signal of the camera system.
  • the proposed method can significantly reduce errors in determining at least one position of an object in space, for example a trajectory of an orbital object in near-Earth space.
  • a measurement error in the trajectory direction of the object can be favorably reduced.
  • a switch-on delay dependent on the start position in order to determine the corrected start time, can be selected from the at least one predetermined switch-on delay depending on the start position, and in order to determine the corrected end time, a switch-off delay dependent on the end position can be selected from the at least one predetermined switch-off delay depending on the end position.
  • the corrected start time can advantageously be determined as the sum of the start time and a switch-on delay dependent on the start position from the at least one predetermined, positive or negative, switch-on delay and the corrected end time as the sum of the end time and the at least one predetermined, positive or negative, switch-off delay.
  • the switch-on delay for a position of the camera system's detector is positive if the camera system starts recording the image with a start signal and a camera shutter only releases the corresponding position of the detector for exposure with this switch-on delay.
  • a negative switch-on delay can occur if the image is already displayed on the detector and only then does the start signal for the camera system come.
  • the switch-off delay for a position of the camera system's detector is positive if the camera system ends its image capture with an end signal and a camera shutter only covers the corresponding position of the detector with this switch-off delay.
  • a negative switch-off delay can occur if the exposure of the position on the detector has already ended and only then does the end signal for the camera system come.
  • These at least one switch-on delay and switch-off delay can be predetermined, for example, depending on the position of the object, in particular row and column in the image on an area detector of the camera system.
  • Such position-dependent delay times can be conveniently recorded in a table and used to correct the start times and end times of objects. Both positive and negative delay times depending on a position of the object on the image can be added to the start times and end times to determine the corrected start times and end times.
  • the camera system can have at least one optical imaging device, in particular a telescope, and an optical detector, which is designed as a two-dimensional area detector with pixels arranged in rows and columns for spatially resolved recording of image data.
  • the predetermined switch-on delay and switch-off delay are predetermined depending on the pixel.
  • the time synchronization unit such as a so-called GPS timer
  • the position-dependent or pixel-dependent delay time between this trigger signal and the actual activation and deactivation times of the camera system's detector or the opening and closing times of the detector's shutter can be taken into account.
  • This delay time depends on the position of a pixel in rows and columns on the detector surface and can be influenced by the shape and operation of a mechanical or electronic shutter or the response behavior and readout method of the digital area detector.
  • the at least one image of the object can be recorded with an exposure time that is long enough for the object to be imaged as a streak and short enough for stars to be imaged as points.
  • the initial position of the object can correspond to the beginning of the streak and the final position of the object can correspond to the end of the streak.
  • Such a long exposure time can be, for example, one second, depending on the image recording device used and the movement of the object.
  • the at least one switch-on delay and the at least one switch-off delay can be used depending on a position of the start and end of the streak on the detector. Position-dependent delay times can thus advantageously be used to correct the start times and end times of images from the image recording device.
  • the start position and end position of the streak trail are expediently determined.
  • the angular coordinates of these positions can be determined using an astrometric calibration based on stars.
  • the stars shown in the image are detected and compared with a star catalog in order to convert the image coordinates into equatorial coordinates.
  • the start time and end time of the streak trail are determined via the time synchronization unit. This is done by generating a start signal which starts the long exposure and an end signal which ends the recording of the image. This start of the long exposure can occur by opening a mechanical shutter or by starting data recording using an electronic trigger signal.
  • the start signal and end signal are then also sent to the time synchronization unit and the exact time, preferably a UTC time, is recorded.
  • the corrected start time and the corrected end time are determined via the computing unit and assigned to the start position and end position.
  • At least one image of the object can be taken with an exposure time that is short enough that both the object and the stars are imaged as points.
  • the initial position and the final position of the object are the same.
  • Another way to detect objects in space is to take and process images with a relatively short exposure time. Instead of taking images with relatively long exposure times, images are taken with a shorter exposure time. In these images, an object in near-Earth space can then appear as a point or a shorter line trail, depending on the exposure time. It is particularly preferable for the object to only expose one pixel of the camera system during the exposure time. However, the point or the shorter line trail may be faint.
  • a series of images of the object are taken with a time shift between the images.
  • a precise trajectory of the object in the orbit can be determined. It may also be advantageous if the end of a streak trace is used with the beginning of the streak trace from the following image with the respective corrected end times and start times assigned as a further streak trace, not actually shown, when calculating the trajectory of the object in the orbit.
  • the images can be shifted against each other in at least one direction and superimposed to form at least one composite image.
  • the images can be superimposed to form a composite image with maximum intensity.
  • the images can be shifted and superimposed until a point or line trace with maximum intensity can be recognized.
  • the starting position and end position of the object can be determined from the composite image.
  • the images can be systematically shifted by a certain number of pixels in an x and y direction and superimposed to form at least one composite image. If the correct shift direction and shift width have been found, the object appears in this superimposed image as a very bright point or, in the case of a somewhat longer exposure time, as a bright, short line, while the brightness of stationary or otherwise moving objects becomes very weak.
  • the advantage of this procedure is that the sensitivity for detecting weakly reflective, i.e. small, objects can be increased. According to estimates, this method can be used to detect objects with a size of 14 cm or more, depending on the image recording device used.
  • the corrected start time of the first image of the series of images can be selected as the corrected start time of the initial position of the object in the combined image
  • the corrected end time of the last image of the series of images can be selected as the corrected end time of the final position of the object in the combined image.
  • An image can be generated with a virtual longer exposure time, whereby the corrected start time can correspond to the corrected start time of the starting position of the object in the first image of the series of images and the corrected end time can correspond to the corrected end time of the ending position of the object in the last image of the series of images.
  • the starting point of this calculated line trace can advantageously be assigned to the starting time of the first image from the evaluated image series.
  • the end point of the calculated line trace corresponds to the end time of the last image from the image series.
  • the optical imaging device can be defocused, in particular slightly, so that the object exposes several pixels of the optical detector.
  • a focal point of the image of the object can be determined, which leads to a higher resolution accuracy than is possible when focusing on just a single pixel. This allows a higher accuracy in determining the initial position and final position of the object to be achieved.
  • the at least one switch-on delay and/or the at least one switch-off delay of the camera system can be determined during a calibration measurement by time-delayed switching of a light source when recording an image by the camera system.
  • a calibration measurement can be carried out in this way to determine the at least one position-dependent switch-on delay and/or the at least one position-dependent switch-off delay.
  • the switching of the light source when recording an image by the camera system can take place with a variable time delay and can be carried out repeatedly until the at least one switch-on delay and/or the at least one switch-off delay is determined for all areas of the image.
  • the method can comprise at least the steps of: sending a first trigger signal to a delay generator when the camera system starts recording the image; sending a time-delayed signal with a time delay to the light source; switching off the light source based on the time-delayed signal; determining a transition area between a bright area and a dark area of the image; assigning the time delay of the time-delayed signal as a switch-on delay to the areas of the image that lie in or around the transition area between the bright area and the dark area.
  • the steps are repeated with an increased or reduced time delay of the time-delayed signal until all areas of the image are assigned a switch-on delay.
  • the method may further comprise: sending a second trigger signal to the delay generator when the camera system stops capturing the image; sending the time-delayed signal to the light source; turning on the light source based on the time-delayed signal; determining a transition region between the dark region and the bright region of the image; assigning a time delay of the time-delayed signal as a turn-off delay to the regions of the image that lie in or around the transition region between the bright region and the dark region. The steps are repeated with increased or decreased time delay of the time-delayed signal until all areas of the image are assigned a switch-off delay.
  • the time-delayed signal can cause the light source to be switched on or off directly or indirectly, for example via a light control unit.
  • a computer unit sends the camera system the command to take a new picture, whereupon the camera system begins to do so as soon as possible.
  • the light source illuminates a screen, which is then focused by the camera system.
  • the camera system sends out a first trigger signal. This is passed through a variable delay generator and delayed accordingly.
  • the resulting signal is sent to the light source, e.g. an LED, which then changes its state from on to off. Pixels that are only exposed after the delay time appear dark, the other pixels that have already been exposed can be seen as light.
  • the transition area between the light and dark areas then corresponds to the line that has the corresponding switch-on delay.
  • the time delay of the time-delayed signal is varied and the recording of the image is repeated until all areas of the image are assigned a switch-on delay and/or switch-off delay.
  • the at least one switch-on delay and/or the at least one switch-off delay can be assigned to the pixels of the optical detector of the camera system that are located in the transition area between the bright area and the dark area of the image or are immediately adjacent. Position-dependent values for the switch-on delay and/or switch-off delay can advantageously be determined in this way.
  • the position of the object can be determined as angular coordinates via an astrometric calibration based on stars and/or constellations captured in the image. This advantageously allows precise position determinations of orbital objects in particular to be carried out.
  • the position of the object can be saved together with the corrected start time and the corrected end time.
  • the position of the object can be saved together with the corrected start time and the corrected end time as data for course tracking, in particular in a web-based database.
  • the position data of the object can be saved together with weather data.
  • the result of the position determination can advantageously consist of a data set for the overflight of an object through the field of view of the lens, which contains two UTC times for each long-exposure image, namely the corrected start time and the corrected end time, and two angles for each of these two times, which are specified in a geocentric coordinate system.
  • This information can be combined to form a so-called Tracking Data Message (TDM). This information can then be used to carry out an initial trajectory calculation.
  • TDM Tracking Data Message
  • a computer program product for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, in which an image recording device is used, comprising at least one camera system, a time synchronization unit, and a computing unit. At least one image of the object is recorded with the camera system using a predetermined exposure time.
  • the time synchronization unit assigns a start time and an end time to the image. A start position and an end position of the object are determined on the image.
  • the computer program product comprises at least one computer-readable storage medium which contains program instructions which can be executed on a computer system and which cause the computer system to carry out a method, wherein the computing unit determines a corrected start time from the start time with at least one predetermined switch-on delay of the camera system and a corrected end time from the end time with at least one predetermined switch-off delay of the camera system.
  • the corrected start time is assigned to the start position of the object and the corrected end time is assigned to the end position of the object.
  • the object can in particular be an orbital object that circles the earth.
  • the at least one position can be a current position of the object and/or a future position of the object.
  • the at least one position of the object can comprise several positions that, when joined together, result in a trajectory of the object in space. In terms of time, the trajectory can have a starting point in the past or the present and an end point in the present or the future.
  • the accuracy of passive optical object detection in space can be increased by assigning precise start times and end times to the images via calibration.
  • This calibration includes delay times both for activating or opening a shutter of a detector of the camera system in the form of at least one predetermined switch-on delay, and for deactivating or closing the shutter in the form of at least one predetermined switch-off delay relative to a trigger signal. These delay times can advantageously be determined depending on the position, particularly row and column on an area detector of the camera system.
  • the computer program product comprises software code sections loadable directly into the memory of a digital computer, which carry out the method when the software code sections are executed by the computer.
  • the computer program product can be formed by a computer program or can comprise at least one additional component in addition to the computer program.
  • the at least one additional component can be designed as hardware and/or as software.
  • An example of the at least one additional component embodied as hardware is a storage medium that is readable by the digital computer and/or on which the software code portions are stored.
  • An example of the at least one additional component embodied as software is a cloud application program that is designed to distribute the software code sections to different processing units, in particular different computers, of a cloud computing system, wherein each of the processing units is designed to execute one or more software code sections.
  • the software code sections can be used to carry out the method as described above when the software code sections are executed by the processing units of the cloud computing system.
  • a data processing system for executing a data processing program comprises computer-readable program instructions in order to carry out a method for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space.
  • Examples include:
  • Fig. 1 shows an image recording device for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, using a method according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a calibration setup for determining a switch-on delay and/or a switch-off delay according to an embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows an image of an object in space taken with the image recording device according to Fig. 1;
  • Fig. 4 an explanation of a method for generating a
  • FIG. 5 shows a superposition of three images to produce a sum image according to the further embodiment of the invention
  • Fig. 6 an evaluation of a series of images by superimposing them to form a sum image according to the further embodiment of the invention.
  • Fig. 7 is a flow chart of the method for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows an image recording device 100 for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, using a method according to an embodiment of the invention.
  • the image recording device 100 comprises at least one camera system 10, a time synchronization unit 30, and a computing unit 40.
  • Incident light 11 is imaged by an optical imaging device 12, in particular a telescope, onto a detector 14 of the camera system 10.
  • the detector 14 is designed as a two-dimensional area sensor with pixels 20 arranged in rows 16 and columns 18 for spatially resolved recording of image data.
  • a digital image 22 is shown in the enlarged area.
  • the pixels 20 can be addressed in the rows 16 from 0 to y and in the columns 18 from 0 to x, so that the pixel coordinates range from 0.0 to x.y.
  • the exposure time of the camera system 10 can be set, for example, by a mechanical shutter or an electronic, in particular digital shutter.
  • Digital image data 44 are sent from the camera system 10 to the computing unit 40, which may be part of a data processing system 1000.
  • the image data 44 are also sent to the time synchronization unit 30, which receives a time signal 46 from a GPS receiver 32.
  • Time synchronization data 48 are also sent from the time synchronization unit 30 to the computing unit 30.
  • a data processing system 1000 can advantageously be used to execute a data processing program which comprises computer-readable program instructions in order to carry out the method for determining at least one position of an object in space, in particular in near-Earth space.
  • the camera system 10 can produce at least one image 22 with a predetermined exposure time.
  • the time synchronization unit 30 can be used to assign a start time 50 and an end time 60 to the image 22 and thus to the object depicted therein.
  • Position data of the object can be determined from the image 22.
  • the computing unit 40 can determine a corrected start time 54 from the start time 50 with a predetermined switch-on delay 52 of the camera system 10 depending on the position data of the object and a corrected end time 64 from the end time 60 with a predetermined switch-off delay 62 of the camera system 10.
  • the predetermined switch-on delay 52 and switch-off delay can be dependent on the position of a pixel 20 on the detector 14 of the camera system 10.
  • the corrected start time 54 and the corrected end time 64 can be assigned to the position data of the object.
  • FIG. 2 shows a calibration setup 200 for determining a switch-on delay 52 and/or a switch-off delay 62 according to an embodiment of the invention.
  • the camera system 10 with the imaging device 12 is arranged in a darkened room 82.
  • the camera system 10 receives light 11 from an imaging screen 84, which is sharply imaged onto the detector 14.
  • the imaging screen 84 can be illuminated with a light source 34.
  • the imaging screen 84 can be seen in section in the upper part of the schematic representation and is shown again from the front, marked with an arrow.
  • the switch-on delay 52 and/or the switch-off delay 62 of the camera system 10 can be determined, depending on a position of a pixel 20 on the detector 14, during the calibration measurement by time-delayed switching of the light source 34 when recording an image 22 by the camera system 10.
  • the switch-on delay 52 can be determined as a time delay when starting the recording of the image 22 by the camera system 10 relative to a first trigger signal 56 and the switch-off delay 62 can be determined as a time delay when ending the recording of the image 22 by the camera system 10 relative to a second trigger signal 66.
  • a first trigger signal 56 is first sent to a delay generator 36 when the camera system 10 starts recording the image 22. This sends a time-delayed signal 38 to the light source 34. The time-delayed signal 38 switches off the light source 34, which has illuminated the image screen 84 until then. A transition between a bright area 28 and a dark area 29 on the image 22 is then determined. The switch-on delay 52 can then be determined as the time delay of the time-delayed signal 38, which corresponds to the transition between the bright area 28 and the dark area 29.
  • a second trigger signal 66 is first sent to the delay generator 36 when the camera system 10 finishes recording the image 22.
  • the time-delayed signal 38 switches on the light source 34, which was switched off until then.
  • a transition between the dark area 29 and the light area 28 on the image 22 is then determined.
  • the switch-off delay 62 can then be determined as the time delay of the time-delayed signal 38, which corresponds to the transition between the dark area 29 and the light area 28.
  • the switch-on delay 52 and/or the switch-off delay 62 can advantageously be determined with this method depending on a position of a pixel 20 of the optical detector 14 of the camera system 10.
  • a table can then be created which contains a specific delay time as switch-on delay 52 and/or switch-off delay 62 for each pixel position of the detector 14.
  • Table 1 Delay time when switching on in microseconds for a number of y rows and x columns:
  • Table 2 Delay time when switching off in microseconds for a number of y rows and x columns:
  • Figure 3 shows an image 22 of an object in space taken with the image recording device 100 according to Figure 1.
  • the image shows an object which, due to the relatively long exposure time, is shown as a line trace 70 in the image 22.
  • the start 72 of the line trace 70 is assigned the start time 50 and the end 74 is assigned the end time 60.
  • stars can be seen in the image 22 as dark points, of which selected reference stars 80 can be used to determine the angular coordinates of the object.
  • the position data of the object can thus advantageously be determined as angular coordinates via an astrometric calibration based on stars and/or constellations recorded in the image 22.
  • the exposure time of the image 22 is selected such that the object is depicted as a line trace 70 in the image 22.
  • the corrected start time 54 can then be assigned to a start 72 of the line trace 70 and the corrected end time 64 can be assigned to an end 74 of the line trace 70.
  • the image 22 of the object was recorded with an exposure time which is long enough that the object is imaged as a streak trail 70 and short enough that stars are imaged as points.
  • the corrected start time 54 of the start position 72 of the object can be determined as the sum of the start time 50 and the position-dependent switch-on delay 52 and the corrected end time 64 of the end position 74 of the object can be determined as the sum of the end time 60 and the position-dependent switch-off delay 62.
  • the switch-on delay 52 and the switch-off delay 62 can be determined depending on the start position 72 of the object in the image 22 and the end position 74 of the streak trail 70 on the detector 14 to determine the corrected start time 54 and the corrected end time 64, as shown in the two tables 1 and 2 shown above.
  • an image 22 of the object can be taken with an exposure time that is short enough that the object is imaged as a point.
  • Another way to detect orbital objects in space is to take and process images with a relatively short exposure time. Instead of taking images with relatively long exposure times, at least one image is taken with an exposure time that is short enough for the object to be imaged as a point. In these images, an object in near-Earth space can then appear as a point or a shorter line trail, depending on the exposure time. However, the point or the shorter line trace may be faint. In order to be able to evaluate such images 22, a series of images 22, 23, 24, 25 of an object can be recorded according to a further embodiment.
  • Figure 4 shows an explanation of a method for generating a composite image 26 from a series of recorded images 22, 23, 24, 25 of an object according to the further embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a superposition of three images 22, 23, 24 to generate a composite image 26, while
  • Figure 6 shows an evaluation of a series of images 22, 23, 24, 25 by superimposing them to form a composite image 26.
  • a series of images 22, 23, 24, 25 of the object is produced with a relatively short exposure time with a time shift 58 between the recording of the images 22, 23, 24, 25, as shown, for example, in step S2 in Figure 6.
  • a corrected start time 54 and a corrected end time 64 can be determined from the summation image 26.
  • the images 22, 23, 24, 25 can be shifted against each other in at least one direction and superimposed to form at least one composite image 26.
  • the images 22, 23, 24, 25 can be superimposed to form a composite image with maximum intensity.
  • the images 22, 23, 24, 25 can be shifted and superimposed until a point or a line trace with maximum intensity can be recognized.
  • the starting position 72 and the end position 74 of the object can be determined from the composite image.
  • Figure 5 shows three images 22, 23, 24, each of which contains an object depicted as a point 76.
  • the images 22, 23, 24 can be positioned such that the object points 76 lie on top of each other and can therefore be seen more clearly.
  • step S1 an image 22 of the object taken with a relatively long exposure time is shown for comparison, in which the object is depicted as a line trace 70 as in Figure 3.
  • this line track 70 is too weak for small objects and therefore not visible. In order to increase the sensitivity, several images are therefore taken, as shown in step S2.
  • each of the individual images 22, 23, 24, 25 is shifted by a time shift 58 because the images 22, 23, 24, 25 are taken one after the other. In step S2, such a series of images 22, 23, 24, 25 is shown with a time shift 58 between the images 22, 23, 24, 25.
  • the individual images 22, 23, 24, 25 can now be moved in a suitable manner in different directions and with different pixel offsets and superimposed to form a composite image 26.
  • the aim is for the signals of the object in the images 22, 23, 24, 25 to be summed up to a point or, as shown, to a short line trace.
  • the composite image 26 can be recognized in step S3 with a clear, short line trace 70 of the object.
  • the superimposition creates a bright point or a bright line trace that stands out from the background and for which the pixel positions of the start position and end position can be precisely determined.
  • the images 22, 23, 24, 25 can now be shifted in the path direction of the object according to the superposition of the sum image 26, taking into account the time shift 58.
  • an image 27 can be generated with a virtual longer exposure time, in which the object is again shown as a longer line trace 70, corresponding to the image 22 in step S1.
  • Such a virtual image 27 is shown in step S4.
  • the corrected start time 54 of the initial position 72 of the object corresponds to the corrected start time 54 of the first image 22 of the series of images 22, 23, 24, 25 and the corrected end time 64 of the final position 74 of the object corresponds to the corrected end time 64 of the last image 25 of the series of images 22, 23, 24, 25.
  • the determined position of the object can be stored together with the corrected start time 54 and the corrected end time 64.
  • the position of the object can be stored together with the corrected start time 54 and the corrected end time 64 as data for course tracking, in particular in a web-based database 42. It is also possible to store the position data of the object together with weather data.
  • Figure 7 shows a flow chart of the method for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space, according to an embodiment of the invention.
  • the image 22 is recorded by the camera system 10 in an image recording process S100 and provided with the time stamp using the time synchronization unit 30 and the GPS receiver 32.
  • the image 22 is then saved, for example, in the so-called Flexible Image Transport System (FITS) format.
  • FITS Flexible Image Transport System
  • This image 22 is then loaded by the image processing software S106 via an image processing process S102. This recognizes the streaks of the objects and the stars.
  • the image processing software S106 also starts an astrometry program S108, which determines the coordinates of the recognized objects.
  • the stars shown in the image 22 are detected and compared with a star catalog in order to convert the image coordinates into equatorial coordinates.
  • the astrometry program S108 receives the image data via the astrometry process S104.
  • the determined result is then time-corrected in step S110 and then stored in a Tracking Data Message (TDM) file 94. All other blocks are used to control the system.
  • a recording program S120 which includes general settings 96, controls the sequence of processes and also a housing 98 of the image recording device 100.
  • a storage program S122 controls the storage of the data in the web database 42.
  • Weather data can also be saved.
  • data from a weather station 90 is saved in a weather data file 92 via an environmental data program S130 and can also be stored in the web database 42.
  • the method can advantageously be implemented in a computer program product for determining at least one position of an object in space, in particular an orbital object in near-Earth space.
  • the computer program product comprises at least one computer-readable storage medium which comprises program instructions which can be executed on a computer system and cause the computer system to carry out the method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, bei dem eine Bildaufnahmevorrichtung (100) eingesetzt wird, umfassend wenigstens ein Kamerasystem (10), eine Zeitsynchronisationseinheit (30), eine Recheneinheit (40). Mit dem Kamerasystem (10) wird wenigstens ein Bild (22, 23, 24, 25) des Objekts mit einer vorgegebenen Belichtungszeit aufgenommen. Mit der Zeitsynchronisationseinheit (30) werden dem Bild (22, 23, 24, 25) eine Anfangszeit (50) und eine Endzeit (60) zugeordnet. Auf dem Bild werden eine Anfangsposition (72) und eine Endposition (74) des Objekts bestimmt. Mit der Recheneinheit (40) werden aus der Anfangszeit (50) mit wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung (52) des Kamerasystems (10) eine korrigierte Anfangszeit (54) und aus der Endzeit (60) mit wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung (62) des Kamerasystems (10) eine korrigierte Endzeit (64) ermittelt. Die korrigierte Anfangszeit (54) der Anfangsposition (72) des Objekts und die korrigierte Endzeit (64) der Endposition (74) des Objekts zugeordnet werden.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN, COMPUTER-PROGRAMM-PRODUKT UND DATENVERARBEITUNGSSYSTEM ZUR BESTIMMUNG EINER POSITION EINES OBJEKTS IM WELTRAUM
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, sowie ein Computer-Programm-Produkt und Datenverarbeitungssystem zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum.
Eine passiv optische Detektion von Weltraumobjekten ist bekannt. Ein solches System umfasst üblicherweise eine an ein Objektiv angeschlossene Kamera, welche den Sternenhimmel beobachtet.
Messungen einer Position eines Objekts, welche mit einem solchen System aufgenommen werden, weisen üblicherweise einen relativ geringen Messfehler quer zur Flugbahn auf, jedoch einen relativ großen Messfehler entlang der Bahnrichtung. Die DE 20 2017 101 831 U1 beschreibt ein System zur Bestimmung und/oder Vorhersage einer Position und/oder einer Flugbahn von orbitalen Objekten im Weltraum, insbesondere im erdnahen Weltraum, umfassend eine erste optische Bildaufnahmevorrichtung zum Aufnehmen von ersten Bildern des Weltraums, eine Bildverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der mit der ersten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenen ersten Bilder und zum Bestimmen von Positionskoordinaten orbitaler Objekte durch Vergleich von mindestens zwei aufgenommenen ersten Bildern. Das System umfasst eine zweite optische Bildaufnahmevorrichtung, welche auf die mit der Bildverarbeitungsvorrichtung bestimmten Positionskoordinaten eines orbitalen Objekts ausgerichtet und zum Verfolgen desselben nachgeführt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere im erdnahen Weltraum, anzugeben, welche eine genauere Positionsbestimmung erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Computer-Programm- Produkt zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere im erdnahen Weltraum, zu schaffen, welches eine genauere Positionsbestimmung erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms zu schaffen, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein solches Verfahren auszuführen.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, vorgeschlagen, bei dem eine Bildaufnahmevorrichtung eingesetzt wird, umfassend wenigstens ein Kamerasystem, eine Zeitsynchronisationseinheit, eine Recheneinheit. Mit dem Kamerasystem wird wenigstens ein Bild des Objekts mit einer vorgegebenen Belichtungszeit aufgenommen. Mit der Zeitsynchronisationseinheit werden dem Bild eine Anfangszeit und eine Endzeit zugeordnet. Auf dem Bild werden eine Anfangsposition und eine Endposition des Objekts bestimmt. Mit der Recheneinheit werden aus der Anfangszeit mit wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung des Kamerasystems eine korrigierte Anfangszeit und aus der Endzeit mit wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung des Kamerasystems eine korrigierte Endzeit ermittelt. Dabei die korrigierte Anfangszeit der Anfangsposition des Objekts und die korrigierte Endzeit der Endposition des Objekts zugeordnet.
Anfangszeit und Endzeit des Bildes sind mit der Belichtungszeit korreliert. Die Belichtungszeit entspricht, bis auf systembedingte Latenzen einer elektronischen Steuerung der Bildaufnahmevorrichtung, einer Differenz zwischen Endzeit und Anfangszeit. Die Einschaltverzögerung stellt dabei eine, insbesondere positionsabhängige, zeitliche Verzögerung beim Aufnehmen des Bildes durch das Kamerasystem relativ zu einem Startsignal an das Kamerasystem und die Ausschaltverzögerung stellt eine, insbesondere positionsabhängige, zeitliche Verzögerung beim Beenden des Aufnehmens des Bildes durch das Kamerasystem relativ zu einem Endsignal dar.
Bei im Vergleich zur Bewegung des Objektes kurzen Belichtungszeiten, können die Anfangsposition und Endposition gleich sein.
Das Objekt kann insbesondere ein orbitales Objekt sein, das um die Erde kreist. Die wenigstens eine Position kann eine aktuelle Position des Objekts sein und/oder eine zukünftige Position des Objekts sein. Ferner kann die wenigstens eine Position des Objekts mehrere Positionen umfassen, die aneinander gefügt, eine Flugbahn des Objekts im Weltraum ergeben. Zeitlich kann die Flugbahn einen Startpunkt in der Vergangenheit oder der Gegenwart haben und einen Endpunkt in der Gegenwart oder der Zukunft.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Genauigkeit der passiv optischen Objektdetektion im Weltraum, insbesondere in Bezug auf den Messfehler in Bahnrichtung des Objekts, dadurch erhöht, dass den Positionen des Objektes über eine Kalibration präzise Zeiten zugeordnet werden, nämlich jeweils korrigierte Anfangs- und Endzeiten für die Anfangsund Endposition des Objektes bei der Aufnahme des Bildes. Diese Kalibration umfasst Verzögerungszeiten sowohl für das Aktivieren bzw. Öffnen eines Verschlusses eines Detektors des Kamerasystems in Form wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung, als auch für das Deaktivieren bzw. Schließen des Verschlusses in Form wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung relativ zu einem Startsignal bzw. Endsignal des Kamerasystems. Vorteilhaft können mit dem vorgeschlagenen Verfahren Fehler bei der Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, beispielsweise einer Bahnkurve eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, signifikant verringert werden. Insbesondere kann ein Messfehler in Bahnrichtung des Objekts günstig reduziert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zur Ermittlung der korrigierten Anfangszeit eine von der Anfangsposition abhängige Einschaltverzögerung aus der wenigstens einen vorbestimmten Einschaltverzögerung abhängig von der Anfangsposition ausgewählt wird und zur Ermittlung der korrigierten Endzeit eine von der Endposition abhängige Ausschaltverzögerung aus der wenigstens einen vorbestimmten Ausschaltverzögerung abhängig von der Endposition ausgewählt werden.
Die korrigierte Anfangszeit kann vorteilhaft als Summe aus der Anfangszeit und einer von der Anfangsposition abhängigen Einschaltverzögerung aus der wenigstens einen vorbestimmten, positiven oder negativen, Einschaltverzögerung und die korrigierte Endzeit als Summe aus der Endzeit und der wenigstens einen vorbestimmten, positiven oder negativen, Ausschaltverzögerung bestimmt werden.
Positiv ist die Einschaltverzögerung für eine Position des Detektors des Kamerasystems, wenn das Aufnehmen des Bildes durch das Kamerasystem mit einem Startsignal gestartet wird und ein Verschluss der Kamera erst mit dieser Einschaltverzögerung die entsprechende Position des Detektors zur Belichtung freigibt. Eine negative Einschaltverzögerung kann auftreten, wenn das Bild bereits auf dem Detektor abgebildet ist und erst danach das Startsignal für das Kamerasystem kommt. Positiv ist die Ausschaltverzögerung für eine Position des Detektors des Kamerasystems, wenn das Aufnehmen des Bildes durch das Kamerasystem mit einem Endsignal beendet wird und ein Verschluss der Kamera erst mit dieser Ausschaltverzögerung die entsprechende Position des Detektors abdeckt. Eine negative Ausschaltverzögerung kann auftreten, wenn die Belichtung der Position auf dem Detektor bereits beendet ist und erst danach das Endsignal für das Kamerasystem kommt.
Diese wenigstens einen Einschaltverzögerungen und Ausschaltverzögerungen können beispielsweise abhängig von der Position des Objekts, insbesondere Zeile und Spalte in dem Bild auf einem Flächendetektor des Kamerasystems vorbestimmt werden.
Zweckmäßigerweise können solche positionsabhängigen Verzögerungszeiten in einer Tabelle erfasst und zur Korrektur der Anfangszeiten und Endzeiten von Objekten verwendet werden. Dabei können sowohl positive als auch negative Verzögerungszeiten abhängig von einer Position des Objekts auf dem Bild zu den Anfangszeiten und Endzeiten addiert werden, um die korrigierten Anfangszeiten und Endzeiten zu bestimmen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Kamerasystem wenigstens eine optische Abbildungseinrichtung, insbesondere ein Teleskop, und einen optischen Detektor aufweisen, welcher als zweidimensionaler Flächendetektor mit in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln zur ortsaufgelösten Aufnahme von Bilddaten ausgebildet ist. In diesem Fall werden die vorbestimmte Einschaltverzögerung und Ausschaltverzögerung pixelabhängig vorbestimmt. Vorteilhaft kann nach dem vorgeschlagenen Verfahren so, wenn ein Startsignal zum Kamerasystem gesendet wird, welches wiederum Zeitsignale der Zeitsynchronisationseinheit, wie beispielsweise einem sogenannten GPS-Timer, mit einem Triggersignal triggert, die positionsabhängige bzw. pixelabhängige Verzögerungszeit zwischen diesem Triggersignal und den realen Aktivierungs- und Deaktivierungszeiten des Detektors des Kamerasystems bzw. den Öffnungs- und Schließzeiten des Verschlusses des Detektors berücksichtigt werden. Diese Verzögerungszeit ist dabei abhängig von einer Position eines Pixels in Zeilen und Spalten auf der Detektorfläche und kann durch die Formgebung und Arbeitsweise eines mechanischen oder elektronischen Verschlusses bzw. dem Ansprechverhalten und Ausleseverfahren des digitalen Flächendetektors beeinflusst sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das wenigstens eine Bild des Objekts mit einer Belichtungszeit, aufgenommen werden, welche lang genug ist, dass das Objekt als Strichspur abgebildet wird und kurz genug ist, dass Sterne punktförmig abgebildet werden. Dabei kann die Anfangsposition des Objekts einem Anfang der Strichspur und die Endposition des Objekts einem Ende der Strichspur entsprechen. Eine solch lange Belichtungszeit kann, abhängig von der verwendeten Bildaufnahmevorrichtung und der Bewegung des Objekts, beispielsweise eine Sekunde betragen. Zur Bestimmung der korrigierten Anfangszeit und der korrigierten Endzeit können die wenigstens eine Einschaltverzögerung und die wenigstens eine Ausschaltverzögerung abhängig von einer Position von Anfang und Ende der Strichspur auf dem Detektor herangezogen werden. Vorteilhaft können so positionsabhängige Verzögerungszeiten zur Korrektur der Anfangszeiten und Endzeiten von Bildern der Bildaufnahmevorrichtung verwendet werden. Vorteilhaft lässt sich so für das Objekt anhand der Strichspur eine zeitabhängige Positionsbestimmung durchführen. Dafür werden zweckmäßigerweise die Startposition und Endposition der Strichspur ermittelt. Die Winkelkoordinaten dieser Positionen können über eine astrometrische Kalibration anhand von Sternen erfolgen. Hierbei werden die in dem Bild abgebildeten Sterne detektiert und mit einem Sternenkatalog abgeglichen, um die Bildkoordinaten in äquatoriale Koordinaten umzurechnen. Zusätzlich werden die Anfangszeit und Endzeit der Strichspur über die Zeitsynchronisationseinheit ermittelt. Dies erfolgt so, dass ein Startsignal erzeugt wird, welches die Langzeitbelichtung startet und ein Endsignal, welches das Aufnehmen des Bildes beendet. Dieser Start der Langzeitbelichtung kann durch das Öffnen einen mechanischen Verschlusses bzw. durch Start der Datenaufnahme durch ein elektronisches Triggersignal erfolgen. Startsignal und Endsignal werden dann ebenfalls an die Zeitsynchronisationseinheit geleitet und die genaue Zeit, vorzugsweise eine UTC Zeit, erfasst. Zusätzlich werden wie oben beschrieben die korrigierte Anfangszeit und die korrigierte Endzeit über die Recheneinheit ermittelt und der Anfangsposition und Endposition zugeordnet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein Bild des Objekts mit einer Belichtungszeit aufgenommen wird, welche kurz genug ist, dass sowohl das Objekt als auch Sterne punktförmig abgebildet werden. In diesem Fall sind Anfangsposition und Endposition gleich des Objektes gleich.
Eine weitere Möglichkeit zur Detektion von Objekten im Weltraum besteht im Aufnehmen und Bearbeiten von Bildern mit einer relativ kurzen Belichtungszeit. Statt Bildern mit relativ langen Belichtungszeiten aufzunehmen, werden hierbei Bilder mit kürzerer Belichtungszeit aufgenommen. In diesen kann ein Objekt im erdnahen Weltraum dann als Punkt bzw. kürzere Strichspur, je nach Belichtungszeit, erscheinen. Besonders bevorzugt belichtet das Objekt während der Belichtungszeit nur ein Pixel des Kamerasystems. Möglicherweise kann dabei der Punkt, bzw. die kürzere Strichspur, jedoch lichtschwach sein.
Nach einer weiteren günstigen Ausgestaltung des Verfahrens eine Serie von Bildern des Objekts mit einer Zeitverschiebung zwischen den Bildern aufgenommen werden.
Vorteilhaft lässt sich so für das Objekt anhand mehrerer Strichspuren eine zeitabhängige Positionsbestimmung durchführen. Dafür werden zweckmäßigerweise Anfang und Ende jeder Strichspur und damit Startposition und Endposition des Objekts ermittelt. Die Winkelkoordinaten dieser Positionen können über eine astrometrische Kalibration anhand von Sternen erfolgen. Hierbei werden die in dem Bild abgebildeten Sterne detektiert und mit einem Sternenkatalog abgeglichen, um die Bildkoordinaten in äquatoriale Koordinaten umzurechnen. Zusätzlich können die korrigierte Anfangszeit und korrigierte Endzeit der Strichspur erfasst werden.
Aus der Summe von Anfang und Ende jeder einzelnen Strichspur und der erfassten korrigierten Anfangs- und Endzeiten für die Startpositionen und Endpositionen des Objekts kann eine präzise Bahn des Objektes im Orbit bestimmt werden. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn das Ende einer Strichspur mit dem Anfang der Strichspur aus dem nachfolgenden Bild mit den jeweils zugewiesenen korrigierten Endzeiten und Anfangszeiten als weitere, eigentlich nicht abgebildete, Strichspur bei der Berechnung der Bahn des Objektes im Orbit herangezogen wird.
Dabei können die Bilder in wenigstens einer Richtung gegeneinander verschoben und zu wenigstens einem Summenbild überlagert werden. Insbesondere können die Bilder zu einem Summenbild mit maximaler Intensität überlagert werden. Die Bilder können dabei so lange verschoben und überlagert werden, bis ein Punkt bzw. eine Strichspur mit maximaler Intensität erkennbar ist. Dabei kann aus dem Summenbild die Anfangsposition und Endposition des Objekts bestimmt werden.
Beim beschriebenen sogenannten Synthetic Tracking können die Bilder systematisch um eine bestimmte Pixelzahl in einer x- und y-Richtung verschoben und zu wenigstens einem Summenbild überlagert werden. Wenn die richtige Verschiebungsrichtung und Verschiebungsweite gefunden wurde, dann erscheint das Objekt in diesem überlagerten Bild als sehr heller Punkt oder im Falle einer etwas längeren Belichtungszeit als heller kurzer Strich, während die Helligkeit von unbeweglichen oder anders bewegten Objekten sehr schwach wird. Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass die Empfindlichkeit zur Detektion schwach reflektierender, d.h. kleiner, Objekte erhöht werden kann. Nach Abschätzungen können mit diesem Verfahren, abhängig von der verwendeten Bildaufnahmevorrichtung, beispielsweise Objekte mit einer Größe ab 14 cm detektiert werden. Flugrichtung und Fluggeschwindigkeit des Objektes ergeben sich dann aus der ermittelten Anfangsposition und Endposition mit der korrigierten Anfangszeit und der korrigierten Endzeit. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können als korrigierte Anfangszeit der Anfangsposition des Objekts in dem Summenbild die korrigierte Anfangszeit des ersten Bildes der Serie von Bildern und als korrigierte Endzeit der Endposition des Objekts in dem Summenbild die korrigierte Endzeit des letzten Bildes der Serie von Bildern gewählt werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Zwischenbilder zeitlich zu korrigieren.
Dabei kann ein Bild mit einer virtuellen längeren Belichtungszeit generiert werden, wobei die korrigierte Anfangszeit der korrigierten Anfangszeit der Anfangsposition des Objekts in dem ersten Bild der Serie von Bildern und die korrigierte Endzeit der korrigierten Endzeit der Endposition des Objekts in dem letzten Bild der Serie von Bildern entsprechen kann. Dabei kann vorteilhaft der Startpunkt dieser berechneten Strichspur der Anfangszeit des ersten Bildes aus der ausgewerteten Bilderserie zugeordnet werden. Der Endpunkt der berechneten Strichspur entspricht der Endzeit des letzten Bildes aus der Bilderserie.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die optische Abbildungseinrichtung, insbesondere leicht, defokussiert werden, sodass das Objekt mehrere Pixel des optischen Detektors belichtet. In diesem Fall kann ein Schwerpunkt der Abbildung des Objekts ermittelt werden, der zu einer höheren Auflösungsgenauigkeit führt, als dies bei Fokussierung auf nur ein einziges Pixel möglich ist. Damit kann eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der Anfangsposition und Endposition des Objekts erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die wenigstens eine Einschaltverzögerung und/oder die wenigstens eine Ausschaltverzögerung des Kamerasystems bei einer Kalibrationsmessung durch zeitverzögertes Schalten einer Lichtquelle beim Aufnehmen eines Bildes durch das Kamerasystem bestimmt werden. Vorteilhaft kann so eine Kalibrationsmessung zur Bestimmung der wenigstens einen positionsabhängigen Einschaltverzögerung und/oder der wenigstens einen positionsabhängigen Ausschaltverzögerung durchgeführt werden. Insbesondere kann dabei das Schalten der Lichtquelle beim Aufnehmen eines Bildes durch das Kamerasystem mit variabler Zeitverzögerung erfolgen und wiederholt durchgeführt werden, bis die wenigstens eine Einschaltverzögerung und/oder die wenigstens eine Ausschaltverzögerung für alle Bereiche des Bildes bestimmt ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann das Verfahren wenigstens die Schritte umfassen: Senden eines ersten Triggersignals beim Starten eines Aufnehmens des Bildes durch das Kamerasystem an einen Verzögerungsgenerator; Senden eines zeitverzögerten Signals mit einer Zeitverzögerung an die Lichtquelle; Ausschalten der Lichtquelle aufgrund des zeitverzögerten Signals; Bestimmen eines Übergangsbereichs zwischen einem hellen Bereich und einem dunklen Bereich des Bildes; Zuordnen der Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals als Einschaltverzögerung zu den Bereichen des Bildes, die in oder um den Übergangsbereich zwischen dem hellen Bereich und dem dunklen Bereich liegen. Dabei werden die Schritte mit vergrößerter oder verkleinerter Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals solange wiederholt, bis allen Bereichen des Bildes eine Einschaltverzögerung zugeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren weiter umfassen: Senden eines zweiten Triggersignals beim Beenden des Aufnehmens des Bildes durch das Kamerasystem an den Verzögerungsgenerator; Senden des zeitverzögerten Signals an die Lichtquelle; Einschalten der Lichtquelle aufgrund des zeitverzögerten Signals; Bestimmen eines Übergangsbereichs zwischen dem dunklen Bereich und dem hellen Bereich des Bildes; Zuordnen einer Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals als Ausschaltverzögerung zu den Bereichen des Bildes, die in oder um den Übergangsbereich zwischen dem hellen Bereich und dem dunklen Bereich liegen. Dabei werden die Schritte mit vergrößerter oder verkleinerter Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals solange wiederholt, bis allen Bereichen des Bildes eine Ausschaltverzögerung zugeordnet ist.
Dabei kann das zeitverzögerte Signal mittelbar oder unmittelbar, beispielsweise über eine Lichtsteuerungseinheit, das Ausschalten oder Anschalten der Lichtquelle bewirken.
Eine Rechnereinheit sendet beispielsweise dem Kamerasystem den Befehl, ein neues Bild aufzunehmen, woraufhin das Kamerasystem baldmöglichst damit beginnt. Die Lichtquelle bestrahlt bei Beginn des Aufnehmens des Bildes einen Schirm, welcher von dem Kamerasystem scharf abgebildet wird. Bei Beginn der Belichtung, dem Öffnen des Verschlusses, sendet das Kamerasystem ein erstes Triggersignal aus. Dieses wird über einen variablen Verzögerungsgenerator geleitet und entsprechend verzögert. Das daraus folgende Signal wird an die Lichtquelle, z.B. eine LED, geleitet, die daraufhin ihren Zustand von an auf aus ändert. Pixel, die erst nach der Verzögerungszeit belichtet werden, erscheinen dunkel, die anderen Pixel, welche bereits belichtet wurden, sind als hell zu erkennen. Der Übergangsbereich zwischen hellem und dunklem Bereich entspricht dann der Zeile, welche die entsprechende Einschaltverzögerung aufweist.
Die Funktionsweise ist unabhängig von der Art des Verschlusses. Durch Wiederholung und statistische Mittelung für viele Messungen lässt sich dann eine Tabelle erstellen, die für jede Pixelposition des Detektors eine spezifische Einschaltverzögerungszeit enthält. Diese Verzögerungszeit ist in ähnlicher Weise auch für das Ausschalten zu bestimmen. Die Kamera sendet ein zweites Triggersignal bei Ende der Belichtungszeit zum Schließen des Verschlusses aus. Mit diesem Signal kann dann auf analoge Weise verfahren werden, wobei hierbei die Lichtquelle von aus auf an geschaltet wird. Damit kann die Ausschaltverzögerung für die Pixel, die im Übergangsbereich zwischen dem dunklen Bereich und dem hellen Bereich liegen, vorteilhaft bestimmt werden.
Vorteilhaft wird die Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals solange variiert und das Aufnehmen des Bildes wiederholt, bis allen Bereichen des Bildes eine Einschaltverzögerung und/oder Ausschaltverzögerung zugeordnet ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die wenigstens eine Einschaltverzögerung und/oder die wenigstens eine Ausschaltverzögerung den Pixeln des optischen Detektors des Kamerasystems zugeordnet werden, die im Übergangsbereich zwischen dem hellen Bereich und dem dunklen Bereich des Bildes liegen oder unmittelbar angrenzen. Vorteilhaft können so positionsabhängige Werte für die Einschaltverzögerung und/oder Ausschaltverzögerung bestimmt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Position des Objekts als Winkelkoordinaten über eine astrometrische Kalibration anhand von in dem Bild erfassten Sternen und/oder Sternbildern bestimmt werden. Damit lassen sich vorteilhaft präzise Positionsbestimmungen von insbesondere orbitalen Objekten durchführen. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Position des Objekts zusammen mit der korrigierten Anfangszeit und der korrigierten Endzeit abgespeichert werden. Insbesondere kann die Position des Objekts zusammen mit der korrigierten Anfangszeit und der korrigierten Endzeit als Daten zur Kursverfolgung, insbesondere in einer Web-basierten Datenbank abgespeichert werden. Zusätzlich können die Positionsdaten des Objekts zusammen mit Wetterdaten abgespeichert werden.
Das Ergebnis der Positionsbestimmungen kann vorteilhaft für den Überflug eines Objekts durch das Sichtfeld des Objektivs aus einem Datensatz bestehen, welcher pro langzeitbelichtetem Bild zwei UTC-Zeiten, nämlich die korrigierte Anfangszeit und die korrigierte Endzeit und zu diesen beiden Zeiten jeweils zwei Winkel enthält, die in einem geozentrischen Koordinatensystem angegeben werden. Diese Informationen können zu einer sogenannten Tracking Data Message (TDM) zusammengeführt werden. Mit diesen Informationen kann dann eine initiale Bahnberechnung erfolgen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computer-Programm- Produkt zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, vorgeschlagen, bei dem eine Bildaufnahmevorrichtung eingesetzt wird, umfassend wenigstens ein Kamerasystem, eine Zeitsynchronisationseinheit, und eine Recheneinheit. Mit dem Kamerasystem wird wenigstens ein Bild des Objekts mit einer vorgegebenen Belichtungszeit aufgenommen. Mit der Zeitsynchronisationseinheit werden dem Bild eine Anfangszeit und eine Endzeit zugeordnet. Auf dem Bild werden eine Anfangsposition und eine Endposition des Objekts bestimmt. Dabei umfasst das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium, welches Programmbefehle, die auf einem Computersystem ausführbar sind und das Computersystem dazu veranlassen, ein Verfahren auszuführen, wobei mit der Recheneinheit aus der Anfangszeit mit wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung des Kamerasystems eine korrigierte Anfangszeit und aus der Endzeit mit wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung des Kamerasystems eine korrigierte Endzeit ermittelt werden. Dabei werden die korrigierte Anfangszeit der Anfangsposition des Objekts und die korrigierte Endzeit der Endposition des Objekts zugeordnet.
Das Objekt kann insbesondere ein orbitales Objekt sein, das um die Erde kreist. Die wenigstens eine Position kann eine aktuelle Position des Objekts sein und/oder eine zukünftige Position des Objekts sein. Ferner kann die wenigstens eine Position des Objekts mehrere Positionen umfassen, die aneinander gefügt eine Flugbahn des Objekts im Weltraum ergeben. Zeitlich kann die Flugbahn einen Startpunkt in der Vergangenheit oder der Gegenwart haben und einen Endpunkt in der Gegenwart oder der Zukunft.
Vorteilhaft kann so die Genauigkeit der passiv optischen Objektdetektion im Weltraum, insbesondere in Bezug auf den Messfehler in Bahnrichtung des Objekts, dadurch erhöht werden, dass den Bildern über eine Kalibration präzise Anfangszeiten und Endzeiten zugeordnet werden. Diese Kalibration umfasst Verzögerungszeiten sowohl für das Aktivieren bzw. Öffnen eines Verschlusses eines Detektors des Kamerasystems in Form wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung, als auch für das Deaktivieren bzw. Schließen des Verschlusses in Form wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung relativ zu einem Triggersignal. Diese Verzögerungszeiten können vorteilhaft abhängig von der Position, insbesondere Zeile und Spalte auf einem Flächendetektor des Kamerasystems bestimmt werden. Das Computer-Programm-Produkt umfasst direkt in den Speicher eines digitalen Computers ladbare Softwarecodeabschnitte, mit denen das Verfahren ausgeführt wird, wenn die Softwarecodeabschnitte von dem Computer ausgeführt werden.
Das Computer-Programm-Produkt kann durch ein Computerprogramm gebildet sein oder neben dem Computerprogramm mindestens einen zusätzlichen Bestandteil umfassen. Der mindestens eine zusätzliche Bestandteil kann als Hardware und/oder als Software ausgebildet sein.
Ein Beispiel für den mindestens einen zusätzlichen Bestandteil, der als Hardware ausgebildet ist, ist ein Speichermedium, das von dem digitalen Computer lesbar ist und/oder auf dem die Softwarecodeabschnitte gespeichert sind.
Ein Beispiel für den mindestens einen zusätzlichen Bestandteil, der als Software ausgebildet ist, ist ein Cloud-Anwendungs-Programm, welches zum Verteilen der Softwarecodeabschnitte auf verschiedene Verarbeitungseinheiten, insbesondere verschiedene Computer, eines Cloud-Computing-Systems ausgebildet ist, wobei jede der Verarbeitungseinheiten zum Ausführen eines oder mehrerer Softwarecodeabschnitte ausgebildet ist.
Insbesondere kann mit den Softwarecodeabschnitten das Verfahren wie oben beschrieben ausgeführt werden, wenn die Softwarecodeabschnitte von den Verarbeitungseinheiten des Cloud-Computing-Systems ausgeführt werden. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Datenverarbeitungssystem zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms vorgeschlagen, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum auszuführen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 eine Bildaufnahmevorrichtung zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, mit einem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Kalibrationsaufbau zum Bestimmen einer Einschaltverzögerung und/oder einer Ausschaltverzögerung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 ein mit der Bildaufnahmevorrichtung nach Figur 1 aufgenommenes Bild eines Objekts im Weltraum;
Fig. 4 eine Erläuterung eines Verfahrens zum Erzeugen eines
Summenbildes aus einer Serie von aufgenommenen Bildern eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 5 eine Überlagerung von drei Bildern zur Erzeugung eines Summenbildes nach dem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 eine Auswertung einer Serie von Bildern durch Überlagerung zu einem Summenbild nach dem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 7 ein Ablaufschema des Verfahrens zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Figur 1 zeigt eine Bildaufnahmevorrichtung 100 zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, mit einem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Bildaufnahmevorrichtung 100 umfasst wenigstens ein Kamerasystem 10, eine Zeitsynchronisationseinheit 30, eine Recheneinheit 40. Einfallendes Licht 11 wird durch eine optische Abbildungseinrichtung 12, insbesondere ein Teleskop, auf einen Detektor 14 des Kamerasystems 10 abgebildet. Der Detektor 14 ist als zweidimensionaler Flächensensor mit in Zeilen 16 und Spalten 18 angeordneten Pixeln 20 zur ortsaufgelösten Aufnahme von Bilddaten ausgebildet. Ein digitales Bild 22 ist in dem vergrößerten Bereich dargestellt. Die Pixel 20 sind in den Zeilen 16 von 0 bis y und in den Spalten 18 von 0 bis x adressierbar, sodass die Pixelkoordinaten von 0,0 bis x,y reichen.
Die Belichtungszeit des Kamerasystems 10 kann beispielsweise durch einen mechanischen Verschluss oder einen elektronischen, insbesondere digitalen Verschluss eingestellt werden.
Digitale Bilddaten 44 werden von dem Kamerasystem 10 an die Recheneinheit 40, welche Teil eines Datenverarbeitungssystems 1000 sein kann, gesendet. Die Bilddaten 44 werden auch an die Zeitsynchronisationseinheit 30 gesendet, welche ein Zeitsignal 46 von einem GPS-Empfänger 32 erhält. Zeitsynchronisationsdaten 48 werden von der Zeitsynchronisationseinheit 30 ebenfalls an die Recheneinheit 30 gesendet. Ein Datenverarbeitungssystem 1000 kann vorteilhaft zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms dienen, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um das Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere im erdnahen Weltraum, auszuführen.
Mit dem Kamerasystem 10 kann wenigstens ein Bild 22 mit einer vorgegebenen Belichtungszeit angefertigt werden. Mit der Zeitsynchronisationseinheit 30 kann dem Bild 22 und damit dem darin abgebildeten Objekt eine Anfangszeit 50 und eine Endzeit 60 zugeordnet werden.
Positionsdaten des Objekts können aus dem Bild 22 bestimmt werden. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann dabei mit der Recheneinheit 40 aus der Anfangszeit 50 mit einer vorbestimmten Einschaltverzögerung 52 des Kamerasystems 10 abhängig von den Positionsdaten des Objekts eine korrigierte Anfangszeit 54 und aus der Endzeit 60 mit einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung 62 des Kamerasystems 10 eine korrigierte Endzeit 64 ermittelt werden. Die vorbestimmte Einschaltverzögerung 52 und Ausschaltverzögerung kann dabei abhängig von der Position eines Pixels 20 auf dem Detektor 14 des Kamerasystems 10 sein. Die korrigierte Anfangszeit 54 und die korrigierte Endzeit 64 können den Positionsdaten des Objekts zugeordnet werden.
In Figur 2 ist ein Kalibrationsaufbau 200 zum Bestimmen einer Einschaltverzögerung 52 und/oder einer Ausschaltverzögerung 62 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Für die Bestimmung der positionsabhängigen Einschaltverzögerung 52 und/oder Ausschaltverzögerung 62 ist das Kamerasystem 10 mit der Abbildungsvorrichtung 12 in einem abgedunkelten Raum 82 angeordnet. Das Kamerasystem 10 empfängt Licht 11 von einem Abbildungsschirm 84, welcher scharf auf den Detektor 14 abgebildet wird. Der Abbildungsschirm 84 kann mit einer Lichtquelle 34 beleuchtet werden. Der Abbildungsschirm 84 ist im oberen Teil der Schemadarstellung im Schnitt zu sehen und ist, mit einem Pfeil gekennzeichnet, nochmal frontal dargestellt.
Die Einschaltverzögerung 52 und/oder die Ausschaltverzögerung 62 des Kamerasystems 10 können, abhängig von einer Position eines Pixels 20 auf dem Detektor 14, bei der Kalibrationsmessung durch zeitverzögertes Schalten der Lichtquelle 34 beim Aufnehmen eines Bildes 22 durch das Kamerasystem 10 bestimmt werden.
Dazu kann die Einschaltverzögerung 52 als eine zeitliche Verzögerung beim Starten des Aufnehmens des Bildes 22 durch das Kamerasystem 10 relativ zu einem ersten Triggersignal 56 und die Ausschaltverzögerung 62 als eine zeitliche Verzögerung beim Beenden des Aufnehmens des Bildes 22 durch das Kamerasystem 10 relativ zu einem zweiten Triggersignal 66 bestimmt werden.
Zum Bestimmen der Einschaltverzögerung 52 wird zunächst ein erstes Triggersignal 56 beim Starten eines Aufnehmens des Bildes 22 durch das Kamerasystem 10 an einen Verzögerungsgenerator 36 gesendet. Dieser sendet ein zeitverzögertes Signal 38 an die Lichtquelle 34. Durch das zeitverzögerte Signal 38 wird die Lichtquelle 34, welche bis dahin den Abbildungsschirm 84 beleuchtet hat, ausgeschaltet. Anschließend wird ein Übergang zwischen einem hellen Bereich 28 und einem dunklen Bereich 29 auf dem Bild 22 bestimmt. Die Einschaltverzögerung 52 kann dann als die Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals 38, welche dem Übergang zwischen dem hellen Bereich 28 und dem dunklen Bereich 29 entspricht, bestimmt werden. Zum Bestimmen der Ausschaltverzögerung 62 wird zunächst ein zweites Triggersignal 66 beim Beenden des Aufnehmens des Bildes 22 durch das Kamerasystem 10 an den Verzögerungsgenerator 36 gesendet. Dieser sendet das zeitverzögerte Signal 38 an die Lichtquelle 34. Durch das zeitverzögerte Signal 38 wird die Lichtquelle 34, welche bis dahin ausgeschaltet war, eingeschaltet. Anschließend wird ein Übergang zwischen dem dunklen Bereich 29 und dem hellen Bereich 28 auf dem Bild 22 bestimmt. Die Ausschaltverzögerung 62 kann dann als Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals 38, welche dem Übergang zwischen dem dunklen Bereich 29 und dem hellen Bereich 28 entspricht, bestimmt werden.
Die Einschaltverzögerung 52 und/oder die Ausschaltverzögerung 62 können mit diesem Verfahren vorteilhaft abhängig von einer Position eines Pixels 20 des optischen Detektors 14 des Kamerasystems 10 bestimmt werden.
Durch Wiederholung und statistische Mittelung für viele Messungen lässt sich dann eine Tabelle erstellen, die für jede Pixelposition des Detektors 14 eine spezifische Verzögerungszeit als Einschaltverzögerung 52 und/oder Ausschaltverzögerung 62 enthält.
Beispielhaft sind in den folgenden Tabellen gemessene Verzögerungszeiten des Belichtungsstarts bzw. des Belichtungsendes im Vergleich zu den ausgesandten ersten und zweiten Triggersignalen 56, 66 des Kamerasystems 10 dargestellt. Tabelle 1 : Verzögerungszeit beim Einschalten in Mikrosekunden bei einer Anzahl von y Zeilen und x Spalten:
Tabelle 2: Verzögerungszeit beim Ausschalten in Mikrosekunden bei einer Anzahl von y Zeilen und x Spalten:
In Figur 3 ist ein mit der Bildaufnahmevorrichtung 100 nach Figur 1 aufgenommenes Bild 22 eines Objekts im Weltraum dargestellt. Das Bild zeigt ein Objekt, welches auf Grund der relativ langen Belichtungszeit als Strichspur 70 in dem Bild 22 dargestellt ist. Dem Anfang 72 der Strichspur 70 ist die Anfangszeit 50 und dem Ende 74 ist die Endzeit 60 zugeordnet. Weiter sind auf dem Bild 22 Sterne als dunkle Punkte zu erkennen, von denen ausgewählte Referenzsterne 80 zur Bestimmung der Winkelkoordinaten des Objekts dienen können. Vorteilhaft können so die Positionsdaten des Objekts als Winkelkoordinaten über eine astrometrische Kalibration anhand von in dem Bild 22 erfassten Sternen und/oder Sternbildern bestimmt werden. Die Belichtungszeit des Bildes 22 ist dabei so gewählt, dass das Objekt als Strichspur 70 in dem Bild 22 abgebildet wird. Dabei können dann die korrigierte Anfangszeit 54 einem Anfang 72 der Strichspur 70 zugeordnet werden und die korrigierte Endzeit 64 einem Ende 74 der Strichspur 70 zugeordnet werden.
Das Bild 22 des Objekts ist mit einer Belichtungszeit aufgenommen worden, welche lang genug ist, dass das Objekt als Strichspur 70 abgebildet wird und kurz genug ist, dass Sterne punktförmig abgebildet werden. Nach dieser Methode des Aufnehmens mit relativ langer Belichtungszeit kann die korrigierte Anfangszeit 54 der Anfangsposition 72 des Objekts als Summe aus Anfangszeit 50 und der positionsabhängigen Einschaltverzögerung 52 und die korrigierte Endzeit 64 der Endposition 74 des Objekts als Summe aus Endzeit 60 und der positionsabhängigen Ausschaltverzögerung 62 bestimmt werden. Vorteilhaft können dabei die Einschaltverzögerung 52 und die Ausschaltverzögerung 62 abhängig von der Anfangsposition 72 des Objekts auf dem Bild 22 und der Endposition 74 der Strichspur 70 auf dem Detektor 14 zur Bestimmung der korrigierten Anfangszeit 54 und der korrigierten Endzeit 64 bestimmt werden, wie in den beiden oben dargestellten Tabellen 1 und 2 dargestellt.
Alternativ kann auch ein Bild 22 des Objekts mit einer Belichtungszeit aufgenommen wird, welche kurz genug ist, dass das Objekt punktförmig abgebildet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Detektion von orbitalen Objekten im Weltraum besteht im Aufnehmen und Bearbeiten von Bildern mit einer relativ kurzen Belichtungszeit. Statt Bildern mit relativ langen Belichtungszeiten aufzunehmen, wird hierbei wenigstens ein Bild mit einer Belichtungszeit aufgenommen, welche kurz genug ist, dass das Objekt punktförmig abgebildet wird. In diesen kann ein Objekt im erdnahen Weltraum dann als Punkt bzw. kürzere Strichspur, je nach Belichtungszeit, erscheinen. Möglicherweise kann der Punkt, bzw. die kürzere Strichspur, jedoch lichtschwach sein. Um auch solche Bilder 22 auswerten zu können, kann nach einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Serie von Bildern 22, 23, 24, 25 eines Objekts aufgenommen werden.
In Figur 4 ist eine Erläuterung eines Verfahrens zum Erzeugen eines Summenbildes 26 aus einer Serie von aufgenommenen Bildern 22, 23, 24, 25 eines Objekts nach dem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Figur 5 zeigt dazu eine Überlagerung von drei Bildern 22, 23, 24 zur Erzeugung eines Summenbildes 26, während in Figur 6 eine Auswertung einer Serie von Bildern 22, 23, 24, 25 durch Überlagerung zu einem Summenbild 26 dargestellt ist.
Dabei wird eine Serie von Bildern 22, 23, 24, 25 des Objekts mit einer relativ kurzen Belichtungszeit mit einer Zeitverschiebung 58 zwischen dem Aufnehmen der Bilder 22, 23, 24, 25 angefertigt, wie es beispielsweise im Schritt S2 in Figur 6 dargestellt ist.
Die in Figur 4 dargestellten Bilder 22, 23, 24, 25 werden nach dem Verfahren des sogenannten Synthetic Tracking in wenigstens einer Richtung gegeneinander verschoben, angedeutet durch die in den einzelnen Stapeln von Bildern 22, 23, 24, 25 vermerkten Koordinaten v=(- 1 ,-1 ) bis v=(1 , 1 ), und zu einem Summenbild 26 überlagert. Dabei kann aus dem Summenbild 26 eine korrigierte Anfangszeit 54 und eine korrigierte Endzeit 64 bestimmt werden.
Die Bilder 22, 23, 24, 25 können in wenigstens einer Richtung gegeneinander verschoben und zu wenigstens einem Summenbild 26 überlagert werden. Insbesondere können die Bilder 22, 23, 24, 25 zu einem Summenbild mit maximaler Intensität überlagert werden. Die Bilder 22, 23, 24, 25 können dabei so lange verschoben und überlagert werden, bis ein Punkt bzw. eine Strichspur mit maximaler Intensität erkennbar ist. Dabei kann aus dem Summenbild die Anfangsposition 72 und Endposition 74 des Objekts bestimmt werden.
In Figur 5 sind dazu drei Bilder 22, 23, 24 dargestellt, welche jeweils ein als Punkt 76 abgebildetes Objekt enthalten. Durch Verschieben der Bilder 22, 23, 24 gegeneinander können die Bilder 22, 23, 24 so positioniert werden, dass die Objektpunkte 76 jeweils übereinander liegen und dadurch deutlicher zu erkennen sind.
In Figur 6 ist in Schritt S1 als Vergleich ein mit einer relativ langen Belichtungszeit aufgenommenes Bild 22 des Objekts dargestellt, bei der das Objekt wie in Figur 3 als Strichspur 70 abgebildet ist.
Allerdings kann es sein, dass diese Strichspur 70 für kleine Objekte zu schwach ausgebildet und deshalb nicht sichtbar ist. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, werden deshalb, wie in Schritt S2 dargestellt, mehrere Bilder
22, 23, 24, 25 mit kürzerer Belichtungszeit aufgenommen. Diese Bilder 22,
23, 24, 25 haben immer noch eine so lange Belichtungszeit, dass sich das Objekt etwas bewegt und es entstehen sehr kurze, schwach sichtbare Strichspuren 70. Jeder dieser kürzeren Strichspuren kann theoretisch eine Anfangszeit 50 und Endzeit 60 zugeordnet werden. Allerdings sind diese Werte praktisch nicht zugänglich, da die Strichspur 70 nicht hell genug ist. Jedes der Einzelbilder 22, 23, 24, 25 ist um eine Zeitverschiebung 58 verschoben, da die Bilder 22, 23, 24, 25 nacheinander aufgenommen werden. In Schritt S2 ist eine solche Serie von Bildern 22, 23, 24, 25 mit einer Zeitverschiebung 58 zwischen den Bildern 22, 23, 24, 25 dargestellt.
Die einzelnen Bilder 22, 23, 24, 25 können nun auf geeignete Weise in verschiedene Richtungen und mit unterschiedlichem Pixelversatz verschoben und zu einem Summenbild 26 überlagert werden. Das Ziel ist dabei, dass die Signale des Objekts auf den Bildern 22, 23, 24, 25 zu einem Punkt bzw. wie dargestellt zu einer kurzen Strichspur aufsummiert werden Das Summenbild 26 ist in Schritt S3 mit einer deutlichen, kurzen Strichspur 70 des Objekts erkennbar. Durch die Überlagerung wird ein heller Punkt bzw. eine helle Strichspur erzeugt, die sich vom Hintergrund abhebt und bei der die Pixelpositionen von Startposition und Endposition genau bestimmt werden können.
Die Bilder 22, 23, 24, 25 können nun entsprechend der Überlagerung zu dem Summenbild 26 unter Berücksichtigung der Zeitverschiebung 58 in Bahnrichtung des Objekts verschoben werden. Dabei kann ein Bild 27 mit einer virtuellen längeren Belichtungszeit generiert werden, bei der das Objekt wieder als längere Strichspur 70, entsprechend dem Bild 22 in Schritt S1 , dargestellt ist. In Schritt S4 ist ein solches virtuelles Bild 27 dargestellt.
Die korrigierte Anfangszeit 54 der Anfangsposition 72 des Objekts entspricht dabei der korrigierten Anfangszeit 54 des ersten Bildes 22 der Serie von Bildern 22, 23, 24, 25 und die korrigierte Endzeit 64 der Endposition 74 des Objekts entspricht der korrigierten Endzeit 64 des letzten Bildes 25 der Serie von Bildern 22, 23, 24, 25. Die bestimmte Position des Objekts kann zusammen mit der korrigierten Anfangszeit 54 und der korrigierten Endzeit 64 abgespeichert werden. Insbesondere kann die Position des Objekts zusammen mit der korrigierten Anfangszeit 54 und der korrigierten Endzeit 64 als Daten zur Kursverfolgung, insbesondere in einer Web-basierten Datenbank 42 abgespeichert werden. Möglich ist auch, die Positionsdaten des Objekts zusammen mit Wetterdaten abzuspeichern.
Figur 7 zeigt ein Ablaufschema des Verfahrens zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Bild 22 wird von dem Kamerasystem 10 in einem Bildaufnahmeprozess S100 aufgenommen und mit Hilfe des der Zeitsynchronisationseinheit 30 und dem GPS-Empfänger 32 mit dem Zeitstempel versehen. Das Bild 22 wird anschließend beispielsweise im sogenannten Flexible Image Transport System (FITS)-Format gespeichert. Dieses Bild 22 wird dann von der Bildverarbeitungssoftware S106 über einen Bildverarbeitungsprozess S102 geladen. Diese erkennt die Strichspuren der Objekte und die Sterne. Die Bildverarbeitungssoftware S106 startet zudem ein Astrometrieprogramm S108, welches die Koordinaten der erkannten Objekte ermittelt. Hierbei werden die in dem Bild 22 abgebildeten Sterne detektiert und mit einem Sternenkatalog abgeglichen, um die Bildkoordinaten in äquatoriale Koordinaten umzurechnen.
Das Astrometrieprogramm S108 bekommt die Bilddaten über den Astrom etrieprozess S104. Das ermittelte Ergebnis wird anschließend im Schritt S110 zeitlich korrigiert und anschließend in einer Tracking Data Message (TDM)-Datei 94 gespeichert. Alle weiteren Blöcke dienen zur Steuerung des Systems. Ein Aufnahmeprogramm S120, in welches allgemeine Einstellungen 96 einfließen, steuert den Ablauf der Prozesse und auch eine Einhausung 98 der Bildaufnahmevorrichtung 100.
Ein Speicherprogramm S122 steuert die Ablage der Daten in der Web- Datenbank 42.
Wetterdaten können ebenfalls mit abgespeichert werden. Dazu werden Daten einer Wetterstation 90 über ein Umweltdatenprogramm S130 in einem Wetterdatenfile 92 abgespeichert und können ebenfalls in der Web- Datenbank 42 abgelegt werden.
Vorteilhaft kann das Verfahren in einem Computer-Programm-Produkt zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, implementiert sein. Dabei umfasst das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium, welches Programmbefehle umfasst, die auf einem Computersystem ausführbar sind und das Computersystem dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen.
Bezugszeichen
10 Kamerasystem
11 einfallendes Licht
12 Abbildungseinrichtung
14 Detektor
16 Zeile
18 Spalte
20 Pixel
22 Bild
23 Bild
24 Bild
25 Bild
26 Summenbild
27 virtuelles Bild
28 heller Bereich
29 dunkler Bereich
30 Zeitsynchronisationseinheit
32 GPS-Empfänger
34 Lichtquelle
36 Verzögerungsgenerator
38 zeitverzögertes Signal
40 Recheneinheit
42 Datenbank
44 Bilddaten
46 Zeitsignal
48 Zeitsynchronisationsdaten
50 Anfangszeit
52 Einschaltverzögerung
54 korrigierte Anfangszeit
56 erstes Triggersignal
58 Zeitverschiebung
60 Endzeit
62 Ausschaltverzögerung
64 korrigierte Endzeit 6 zweites Triggersignal 0 Strichspur 2 Anfangsposition 4 Endposition 6 Objektpunkt 0 Referenzstern 2 abgedunkelter Raum 4 Abbildungsschirm
90 Wetterstation
92 Wetterdaten
94 TDM Datenfile
96 Einstellungen
98 enclosure
100 Bildaufnahmevorrichtung
200 Kalibrationsaufbau
1000 Datenverarbeitungssystem, Computersystem
S100 Bildaufnahme
S102 Bildverarbeitungsprozess
S104 Astrometrieprozess
S106 Bildverarbeitungsprogramm
S108 Astrometrieprogramm
S110 Zeitkorrektur
S120 Aufnahmeprogramm
S122 Speicherprogramm
S130 Umweltdatenprogramm

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, bei dem eine Bildaufnahmevorrichtung (100) eingesetzt wird, umfassend wenigstens ein Kamerasystem (10), eine Zeitsynchronisationseinheit (30), eine Recheneinheit (40), wobei mit dem Kamerasystem (10) wenigstens ein Bild (22, 23, 24, 25) des Objekts mit einer vorgegebenen Belichtungszeit aufgenommen wird, wobei mit der Zeitsynchronisationseinheit (30) dem Bild (22, 23, 24, 25) eine Anfangszeit (50) und eine Endzeit (60) zugeordnet werden, wobei auf dem Bild (22, 23, 24, 25) eine Anfangsposition (72) und eine Endposition (74) des Objekts bestimmt werden, wobei mit der Recheneinheit (40) aus der Anfangszeit (50) mit wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung (52) des Kamerasystems (10) eine korrigierte Anfangszeit (54) und aus der Endzeit (60) mit wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung (62) des Kamerasystems (10) eine korrigierte Endzeit (64) ermittelt werden, wobei die korrigierte Anfangszeit (54) der Anfangsposition (72) des Objekts und die korrigierte Endzeit (64) der Endposition (74) des Objekts zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zur Ermittlung der korrigierten Anfangszeit (50) eine von der Anfangsposition (72) abhängige Einschaltverzögerung aus der wenigstens einen vorbestimmten Einschaltverzögerung (52) abhängig von der Anfangsposition (72) ausgewählt wird und zur Ermittlung der korrigierten Endzeit (60) eine von der Endposition (74) abhängige Ausschaltverzögerung aus der wenigstens einen vorbestimmten Ausschaltverzögerung (62) abhängig von der Endposition (74) ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kamerasystem (10) wenigstens eine optische Abbildungseinrichtung (12), insbesondere ein Teleskop, und einen optischen Detektor (14) aufweist, welcher als zweidimensionaler Flächendetektor mit in Zeilen (16) und Spalten (18) angeordneten Pixeln (20) zur ortsaufgelösten Aufnahme von Bilddaten ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Bild (22, 23, 24, 25) des Objekts mit einer Belichtungszeit aufgenommen wird, welche lang genug ist, dass das Objekt als Strichspur (70) abgebildet wird und kurz genug ist, dass Sterne punktförmig abgebildet werden, wobei die Anfangsposition (72) des Objekts einem Anfang der Strichspur (70) und die Endposition (73) des Objekts einem Ende der Strichspur (70) entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens ein Bild (22, 23, 24, 25) des Objekts mit einer Belichtungszeit aufgenommen wird, welche kurz genug ist, dass sowohl das Objekt als auch Sterne punktförmig abgebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Serie von Bildern (22, 23, 24, 25) des Objekts mit einer Zeitverschiebung (58) zwischen den Bildern (22, 23, 24, 25) aufgenommen wird, wobei die Bilder (22, 23, 24, 25) in wenigstens einer Richtung gegeneinander verschoben und zu wenigstens einem Summenbild (26) überlagert werden, insbesondere zu einem Summenbild (26) mit maximaler Intensität überlagert werden, wobei aus dem wenigstens einen Summenbild (26) die Anfangsposition (72) und Endposition (74) des Objekts bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als korrigierte Anfangszeit (54) der Anfangsposition (72) des Objekts in dem Summenbild (26) die korrigierte Anfangszeit (54) des ersten Bildes (22) der Serie von Bildern (22, 23, 24, 25) und als korrigierte Endzeit (64) der Endposition (72) des Objekts in dem Summenbild (26) die korrigierte Endzeit (64) des letzten Bildes (25) der Serie von Bildern (22, 23, 24, 25) gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die optische Abbildungseinrichtung (12), insbesondere leicht, defokussiert wird, sodass das Objekt mehrere Pixel (20) des optischen Detektors (14) belichtet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Einschaltverzögerung (52) und/oder die wenigstens eine Ausschaltverzögerung (62) des Kamerasystems (10) bei einer Kalibrationsmessung durch zeitverzögertes Schalten einer Lichtquelle (34) beim Aufnehmen eines Bildes (22, 23, 24, 25) durch das Kamerasystem (10) bestimmt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wenigstens umfassend die Schritte
- Senden eines ersten Triggersignals (56) beim Starten eines Aufnehmens des Bildes (22, 23, 24, 25) durch das Kamerasystem (10) an einen Verzögerungsgenerator (36);
- Senden eines zeitverzögerten Signals (38) mit einer Zeitverzögerung an die Lichtquelle (34);
- Ausschalten der Lichtquelle (34) aufgrund des zeitverzögerten Signals (38);
- Bestimmen eines Übergangsbereichs zwischen einem hellen Bereich (28) und einem dunklen Bereich (29) des Bildes (22, 23, 24, 25);
- Zuordnen der Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals (38) als Einschaltverzögerung (52) zu den Bereichen des Bildes (22, 23, 24, 25), die in oder um den Übergangsbereich zwischen dem hellen Bereich (28) und dem dunklen Bereich (29) liegen; wobei die Schritte mit vergrößerter oder verkleinerter Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals (38) solange wiederholt werden, bis allen Bereichen des Bildes (22, 23, 24, 25) eine Einschaltverzögerung (52) zugeordnet ist, und/oder
- Senden eines zweiten Triggersignals (66) beim Beenden des Aufnehmens des Bildes (22, 23, 24, 25) durch das Kamerasystem (10) an den Verzögerungsgenerator (36);
- Senden des zeitverzögerten Signals (38) an die Lichtquelle (34);
- Einschalten der Lichtquelle (34) aufgrund des zeitverzögerten Signals (38);
- Bestimmen eines Übergangsbereichs zwischen dem dunklen Bereich (29) und dem hellen Bereich (28) des Bildes (22, 23, 24, 25);
- Zuordnen der Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals (38) als Ausschaltverzögerung (54) zu den Bereichen des Bildes (22, 23, 24, 25), die in oder um den Übergangsbereich zwischen dem dunklen Bereich (29) und dem hellen Bereich (28) liegen, wobei die Schritte mit vergrößerter oder verkleinerter Zeitverzögerung des zeitverzögerten Signals (38) solange wiederholt werden, bis allen Bereichen des Bildes (22, 23, 24, 25) eine Ausschaltverzögerung (54) zugeordnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Einschaltverzögerung (52) und/oder die wenigstens eine Ausschaltverzögerung (62) den Pixeln (20) des optischen Detektors (14) des Kamerasystems (10) zugeordnet werden, die im Übergangsbereich zwischen dem hellen Bereich (28) und dem dunklen Bereich (29) des Bildes (22, 23, 24, 25) liegen oder unmittelbar angrenzen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Position des Objekts als Winkelkoordinaten über eine astrometrische Kalibration anhand von in dem Bild (22, 23, 24, 25) erfassten Sternen und/oder Sternbildern bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Position des Objekts zusammen mit der korrigierten Anfangszeit (54) und der korrigierten Endzeit (64) abgespeichert wird, insbesondere wobei die Position des Objekts zusammen mit der korrigierten Anfangszeit (54) und der korrigierten Endzeit (64) als Daten zur Kursverfolgung, insbesondere in einer Web-basierten Datenbank (42) abgespeichert wird.
14. Computer-Programm-Produkt zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere eines orbitalen Objekts im erdnahen Weltraum, bei dem eine Bildaufnahmevorrichtung (100) eingesetzt wird, umfassend wenigstens ein Kamerasystem (10), eine Zeitsynchronisationseinheit (30), eine Recheneinheit (40), wobei mit dem Kamerasystem (10) wenigstens ein Bild (22, 23, 24, 25) des Objekts mit einer vorgegebenen Belichtungszeit aufgenommen wird, wobei mit der Zeitsynchronisationseinheit (30) dem Bild (22, 23, 24, 25) eine Anfangszeit (50) und eine Endzeit (60) zugeordnet werden, wobei auf dem Bild (22, 23, 24, 25) eine Anfangsposition (72) und eine Endposition (74) des Objekts bestimmt werden, wobei das Computer-Programm-Produkt wenigstens ein computerlesbares Speichermedium umfasst, welches Programmbefehle umfasst, die auf einem Computersystem (1000) ausführbar sind und das Computersystem (1000) dazu veranlassen, ein Verfahren auszuführen, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit der Recheneinheit (40) aus der Anfangszeit (50) mit wenigstens einer vorbestimmten Einschaltverzögerung (52) des Kamerasystems (10) eine korrigierte Anfangszeit (54) und aus der Endzeit (60) mit wenigstens einer vorbestimmten Ausschaltverzögerung (62) des Kamerasystems (10) eine korrigierte Endzeit (64) ermittelt werden, wobei die korrigierte Anfangszeit (54) der Anfangsposition (72) des Objekts und die korrigierte Endzeit (64) der Endposition (74) des Objekts zugeordnet werden.
15. Datenverarbeitungssystem (1000) zur Ausführung eines Datenverarbeitungsprogramms, welches computerlesbare Programmbefehle umfasst, um ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Position eines Objekts im Weltraum, insbesondere im erdnahen Weltraum, nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
EP24700287.6A 2023-02-23 2024-01-10 Verfahren, computer-programm-produkt und datenverarbeitungssystem zur bestimmung einer position eines objekts im weltraum Pending EP4669580A1 (de)

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