FR2551201A1

FR2551201A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE ORIENTATION VARIATIONS OF A SPATIAL GEAR

Info

Publication number: FR2551201A1
Application number: FR8413101A
Authority: FR
Inventors: Bernd Kundel; Winfried Birner
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1985-03-01
Also published as: GB2145597A; FR2551201B1; GB8421211D0; DE3330861A1; GB2145597B; DE3330861C2

Abstract

DISPOSITIF POUR DETERMINER LES VARIATIONS D'ORIENTATION D'UN ENGIN SPATIAL PAR RAPPORT A UN OBJET COSMIQUE SERVANT DE REFERENCE. LE DISPOSITIF COMPORTE AU MOINS TROIS LIGNES DE DETECTEURS 1, 2 3 PARALLELES AINSI QUE DES MOYENS POUR REPRODUIRE LA SURFACE DE L'OBJET COSMIQUE DANS LE PLAN DES LIGNES DE DETECTEURS QUI SONT CONSTITUEES PAR DES ELEMENTS DETECTEURS 11, 12, 13 DISPOSES LINEAIREMENT ET MESURANT L'INTENSITE DU RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE, ET UN DISPOSITIF D'INTERPRETATION QUI, PAR COMPARAISON DES VALEURS MESUREES A L'INTERIEUR D'UN BLOC 8 D'ELEMENTS DETECTEURS VOISINS, DETERMINE LE DEPLACEMENT DE STRUCTURES D'IMAGE SIGNIFICATIVES ENTRE LES ELEMENTS DETECTEURS 11, 12 13.DEVICE FOR DETERMINING THE VARIATIONS OF ORIENTATION OF A SPACE MACHINE IN RELATION TO A COSMIC OBJECT SERVING AS A REFERENCE. THE DEVICE CONTAINS AT LEAST THREE LINES OF 1, 2 3 PARALLEL DETECTORS AS WELL AS MEANS FOR REPRODUCING THE SURFACE OF THE COSMIC OBJECT IN THE PLAN OF THE DETECTOR LINES WHICH ARE CONSTITUTED BY DETECTOR ELEMENTS 11, 12, 13 ARISING LINEARLY AND MEASURING THE INTENSITY OF THE ELECTROMAGNETIC RADIATION, AND AN INTERPRETATION DEVICE WHICH, BY COMPARISON OF THE VALUES MEASURED INSIDE A BLOCK 8 OF NEIGHBORING DETECTOR ELEMENTS, DETERMINES THE MOVEMENT OF SIGNIFICANT IMAGE STRUCTURES BETWEEN THE DETECTOR ELEMENTS 11, 12 13.

Description

Dispositif pour déterminer les variations d'orientation d'un engin spatialDevice for determining orientation variations of a spacecraft

L'invention se rapporte à un dispositif pour déterminer les variations d'orientation d'un engin spatial stabilisé en position par rapport à un objet cosmique éloigné The invention relates to a device for determining the orientation variations of a spacecraft stabilized in position relative to a distant cosmic object

servant de référence.serving as a reference.

Les engins spatiaux, en particulier les satellites, sont utilisés actuellement pour des missims les plus diverses Ils servent 10 par exemple de satellites de télécommunication et/ou à l'obtention par photosd'informations sur la surface de certains objets cosmiques, par exemple dans le cas de satellites géostationnaires de la terre Dans ce dernier cas, il Spacecraft, in particular satellites, are currently used for a variety of missiles. They are used, for example, for telecommunication satellites and / or for obtaining information by photos on the surface of certain cosmic objects, for example in the case of geostationary earth satellites In the latter case it

faut que les satellites avec leurs dispositifs de prise de 15 vues soient très exactement orientés par rapport à la terre. The satellites with their cameras must be very precisely oriented with respect to the earth.

L'objet cosmique, la terre, sert donc de référence par rapport à laquelle le satellite doit être stabilisé en position Pour, The cosmic object, the earth, therefore serves as reference against which the satellite must be stabilized in the position For,

lors des prises de vues, obtenir une qualité d'image aussi bonne que possible, on doit empêcher que le satellite soit 20 soumis à des oscillations lorsqu'il se trouve en position. when shooting, to obtain as good a picture quality as possible, the satellite must be prevented from oscillating when in position.

Il faut que son axe optique soit si possible constamment dirigé sur le même point de la surface de la terre Les variations d'orientation qui s'amorcent et qui se produisent fréquemment par suite des inévitables influences extérieures 25 doivent être immédiatement enregistrées et compensées par le système de régulation d'orientation Il est tout d'abord nécessaire à cet effet que toute amorce de variation d'orientation soit immédiatement détectée, et ce, avec une grande Its optical axis must, if possible, be constantly directed to the same point on the earth's surface. Orientation variations which begin and which frequently occur as a result of the inevitable external influences must be immediately recorded and compensated for by the An orientation control system It is first necessary for this purpose that any initiation of variation of orientation is immediately detected, and this, with great

résolution dans le temps.resolution in time.

L'objet de l'invention est par conséquent de mettre au point un dispositif du type précité qui permette de déterminer avec une grande sensibilité et un délai aussi court The object of the invention is therefore to develop a device of the aforementioned type which allows to determine with great sensitivity and such a short delay

que possible les variations d'orientation de l'engin spatial, et en particulier aussi les petites variations d'orientation 35 se produisant en un temps très bref. as much as possible the variations of orientation of the spacecraft, and in particular also the small variations of orientation occurring in a very short time.

Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que le dispositif comporte les composants suivants: Au moins trois lignes de détecteum placées parallement les ues cé des autres ainsi que des moyens pour reproduire la surface de l'objet cosmique dans le plan des lignes de détecteursqui sont respectivement constituées par des élements détecteurs enregistreurs rangés linéairement les uns derrière les autres et mesurant l'intensité du rayonnement électromagnétique incident, et un dispositif d'interprétation qui, par comparaison répétée des valeurs mesurées à l'intérieur d'un bloc en forme de nappe d'éléments détecteurs voisins, détermine le déplacement de structures d'image significatives entre les This result is achieved according to the invention in that the device comprises the following components: At least three lines of detectoreum placed parallel to each other and also means for reproducing the surface of the cosmic object in the plane of the lines detectors which are constituted respectively by registering detector elements arranged linearly one behind the other and measuring the intensity of the incident electromagnetic radiation, and an interpretation device which, by repeated comparison of the values measured inside a block in form of a web of neighboring detector elements, determines the displacement of significant image structures between

éléments détecteurs.detector elements.

On constate ainsi s'il se produit une variation d'orientation de l'engin spatial sous la forme d'un basculement de ses axes, en particulier de l'axe optique associé aux lignes de détecteur La précision avec laquelle un tel basculement peut être détecté dépend de l'étendue de la nappe des différents éléments détecteurs dans le plan de reproduction ainsi que de la façon dont les éléments détecteurs sont disposés serrés les uns à c 8 té des autres On suppose que la 20 section d'image captée par les lignes de détecteu 4 icomporte des structures d'image significatives Cela signifie que l'on dispose par exemple d'éléments d'image présentant de fortes différences de luminosité qui peuvent être enregistrées et mesurées par les éléments détecteurs Il est cependant possible d'utiliser aussi d'autres caractéristiques mesurables, par exemple différentes compositions spectrales du rayonnement émis par les différents éléments de surface de l'objet cosmique Une variation d'orientation de l'engin spatial provoque un déplacement de l'image dans son plan, des structures significatives de l'image passant alors d'un détecteur à un détecteur voisin si l'étendue du déplacement est suffisamment grande Pour pouvoir enregistrer un tel déplacement dans deux dimensions de surface, une disposition en nappe des cléments détecteurs est par conséquent nécessaire. 35 Avec une disposition linéaire, correspondant à une seule ligne de détecteurs,seul un déplacement dans le sens de cette ligne pourrait être enregistré Grâce à la disposition d'au moins trois lignes de détecteur placées parallèlement les unes ' côté des autres et étroitement voisines, on arrive à ce que le déplacement d'une structure d'image significative, par exemple située sur un élément détecteur de la ligne médiane, 5 puisse être détecté dans n'importe quelle direction Il est bien entendu possible de juxtaposer parallèlement plus de trois lignes de détecteur par exemple cinq ou sept Cela est d'autant plus recommandé que l'image est moins structurée en This shows whether there is a variation in the orientation of the spacecraft in the form of a tilting of its axes, in particular of the optical axis associated with the detector lines. The precision with which such a tilting can be detected depends on the extent of the web of the different detector elements in the reproduction plane and the manner in which the detector elements are arranged tight to each other. It is assumed that the image section captured by the detector lines 4 includes significant image structures This means, for example, that there are image elements with large luminosity differences that can be recorded and measured by the detector elements. However, it is also possible to use other measurable characteristics, for example different spectral compositions of the radiation emitted by the different surface elements of the cosmic object orientation variation of the spacecraft causes a displacement of the image in its plane, significant structures of the image then passing from a detector to a neighboring detector if the extent of displacement is large enough to record a such displacement in two surface dimensions, a sheet arrangement of the detector elements is therefore necessary. With a linear arrangement, corresponding to a single line of detectors, only a displacement in the direction of this line could be recorded Thanks to the arrangement of at least three detector lines placed parallel to one another and closely adjacent to each other. it is possible for the displacement of a significant image structure, for example located on a detector element of the center line, to be detected in any direction. It is of course possible to juxtapose more than three lines in parallel. detector for example five or seven This is all the more recommended that the image is less structured in

ce qui concerne la caractéristique à mesurer. regarding the characteristic to be measured.

Comme élément détecteur on utilise de préférence des capteurs à semiconducteurs à transfert de charge (CCD), par exemaple ceux qui sont sensibles dans la zone spectrale infrarouge. La disposition des lignes de détecteurs peut ôtre prévue 15 de façon que le dispositif comporte une ligne de détecteurs centrale ainsi que plusieurs lignes de détecteurs partielles disposées des deux côtés de celle-ci à distance et en regard les unes des autres et ne comprenant respectivement qu'une fraction des éléments détecteurs de la ligne de détecteurs 20 centrale Cette disposition tient compte du fait que les lignes de détecteurs CCD ne sont actuellement disponibles que dans une longueur limitée, c'est-a-dire avec un nombre limité d'élrments détecteurs placés en ligne les uns à c 8 té des autres La ligne de détecteurscentrale peut alors être constituée par un certain nombre de lignes partielles disposées les unes derrière les autres Des deux côtés on peut, ensuite, prévoir des lignes de détecteurs partielles plus courtes qui, s'étendant à distance les unes des autres et parallèlement à la ligne de détecteur centrale, sont respectivement réalisées en une seule partie Ces lignes de détecteurspartielles doivent être respectivement situées en regard les unes des autres de façon qu'en liaison avec la ligne de détecteurscentrale intermédiaire, eiles forment respectivement des sections constituées de trois lignes parallèles Ici également, ces 35 sections peuvent être constituées par plus de trois lignes arallèles. L'interprétation peut être effectuée en utilisant pour la comparaison des valeurs mesurées des blocs disposés eniame de nappes et comprenant respectivement trois éléments détecteurs de la ligne de détecteur-centraleainsi que des As the detector element, charge-coupled semiconductor (CCD) sensors are preferably used, for example those which are sensitive in the infrared spectral zone. The arrangement of the detector lines may be provided in such a way that the device comprises a central detector line as well as several partial detector lines arranged on both sides of the latter at a distance and facing each other and comprising respectively only This provision takes into account the fact that CCD detector lines are currently only available in a limited length, i.e. with a limited number of detector elements. The line of central detectors may then consist of a number of partial lines arranged one behind the other. On both sides, shorter partial detector lines may then be provided. extending at a distance from each other and parallel to the central detector line, are respectively realized These partial sensor lines must be respectively facing each other so that in connection with the intermediate central detector line, they respectively form sections consisting of three parallel lines. Here, too, these sections may be consisting of more than three arallel lines. The interpretation can be carried out by using, for the comparison, measured values of the blocks arranged in layers of sheets and comprising respectively three detector elements of the detector-central line and

lignes de détecteurspartielles respectivement voisines. respective detectorspartielle lines respectively.

Dans un mode de réalisation avantageux selon l'invention, le dispositif d'interprétation comprend un convertisseur analogique-numérique par ligne de détecteurs,une électronique de lecture assurant l'introduction successive des valeurs mesurées des différents 10 éléments détecteurs dans les convertisseurs analogiquesnumériques y associés et un calculateur comparant entre elles In an advantageous embodiment according to the invention, the interpretation device comprises an analog-to-digital converter by line of detectors, a reading electronics ensuring the successive introduction of the measured values of the different detector elements in the associated digital analog converters. and a calculator comparing them

les valeurs mesurées numérisées des mesures successives. measured values digitized from successive measurements.

Selon une autre caractéristique avantageuse de According to another advantageous characteristic of

l'invention, une mémoire intermédiaire peut être montée en 15 aval des convertisseurs analogiques-numériques. the invention, an intermediate memory can be mounted downstream of the analog-to-digital converters.

L'invention s'applique de préférence aux satellites stabilisés sur trois axes En cas d'emploi d'éléments détecteurs CCD, leur rapidité de lecture et leur grand pouvoir The invention is preferably applied to three-axis stabilized satellites. When CCD detecting elements are used, their reading speed and their high power

de résolution dans le temps qui y est lié permettent de 20 l'utiliser également pour des satellites dé ilant. The resolution of time in this connection makes it possible to use it also for satellite satellites.

Les petites et brèves variations d'orientation, par exemple lesdits mouvements d'instabilité horizontale, sont particulièrement critiques Ici aussi, la possibilité d'utilisation d'éléments détecteurs CCD s'avère 25 particulièrement avantageuse Un autre avantage de ces éléments réside dans le fait que même des mouvements relativement rapides sur la surface de l'objet cosmique observé, par exemple de nuages par rapport à la surface de la terre, n'ont aucun effet perturbateur Ainsi par exemple, avec un satellite 30 géostationnaire ayant une résolution de 2 km par élément détecteur, une vitesse relative du déplacement des nuages de km/h ainsi qu'une durée de lecture de 10 ms, il en résulte que les nuages pendant ce laps de temps ne se déplacent que de The small and short orientation variations, for example said horizontal instability motions, are particularly critical. Here again, the possibility of using CCD detector elements is particularly advantageous. Another advantage of these elements lies in the fact that that even relatively fast movements on the surface of the cosmic object observed, for example from clouds with respect to the surface of the earth, have no disruptive effect Thus for example, with a geostationary satellite having a resolution of 2 km detector element, a relative velocity of the movement of the clouds of km / h and a reading time of 10 ms, it follows that the clouds during this period of time move only from

2,7 m, ce qui est extrêmement faible en comparaison de la 35 résolution. 2.7 m, which is extremely low compared to the resolution.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la The invention will be better understood using the

description d'un mode de réalisation pris comme exemple, description of an embodiment taken as an example,

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mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente une ligne de détecteurs centrale avec lignesde détecteurspartiellesvoisines; la figure 2 représente trois lignes de détecteurs but not limiting, and illustrated by the accompanying drawing, in which: Figure 1 shows a central detector line with neighboring partial detector lines; Figure 2 shows three lines of detectors

parallèles avec un dispositif d'interprétation. parallel with an interpretation device.

La figure 1 représente schématiquement une ligne de détecteurscentrale 1 constituée de différents éléments détecteurs 11 placés en rangée les uns derrière les autres. 10 En ce qui concerne ces derniers, il s'agit de dispositifs à transfert de charge infrarouges(CCD), par exemple des dispositifs hybrides Hg Cd Te, qui sont sensibles dans la zone spectrale d'environ 10-12 pm La ligne de détecteurscentrale 1 peut contenir environ 5000 éléments détecteurs individuels 15 ou plus, cette longueur totale étant formée par la juxtaposition de lignes actuellement disponibles sur le marché et respectivement constituées de 256 ou 512 éléments détecteurs individuels Des deux côtés de la ligne de détecteur Jcentrale 1 sont disposées des lignes de détecteurs 20 partielles 2, 3, 2 a, 3 a etc placées à distance et parallèlement les unes aux autres Celles-ci peuvent respectivement présenter également une longueur de par exemple 256 éléments détecteurs individuels 12, 13 (représentés raccourcis sur le dessin) Sur cet agencement de lignes de détecteursparallèles, 25 une optique appropriée non représentée, notamment un télescope, qui est montée à bord du satellite et dirigée par exemple sur la surface de la terre, projette une section d'image de cette surface Par comparaison des signaux fournis par des éléments détecteurs voisins, un dispositif d'interprétation,qui sera décrit ultérieurement,détermine sur quel élément détecteur est reproduite une structure d'image significative En pareil cas il peut s'agir par exemple de nuages ou d'autres structures qui se détachent de l'environnement, par exemple en raison de leur luminosité Dès qu'une telle structure d'image signifi35 cative est détectée, par exemple sur un élément détecteur 11 ', le bloc 8 entourant cet élément détecteur et constitué au total de 8 ou 9 éléments détecteurs agencés en forme de carré continue à être constamment observé par le dispositif d'interprétation, et ce,de façon que les valeurs mesurées apparaissant sur les éléments détecteurs puissent être FIG. 1 schematically represents a line of central detectors 1 consisting of different detector elements 11 placed in a row one behind the other. With regard to the latter, these are infrared charge transfer (CCD) devices, for example Hg Cd Te hybrid devices, which are sensitive in the spectral zone of about 10-12 pm. The line of central detectors 1 may contain about 5000 individual detector elements 15 or more, this total length being formed by the juxtaposition of lines currently available on the market and consisting respectively of 256 or 512 individual detector elements On both sides of the detector line Jcentrale 1 are arranged Partial detectors lines 2, 3, 2a, 3 are placed at a distance and parallel to each other. These can respectively also have a length of, for example, 256 individual detector elements 12, 13 (shown as shortened in the drawing). In this arrangement of parallel detector lines, a suitable optics, not shown, such as a telescope, which is mounted on board the satellite and directed for example on the surface of the earth, projects an image section of this surface By comparison of the signals provided by neighboring detector elements, an interpretation device, which will be described later, determines on which In such a case, it can be for example clouds or other structures that are detached from the environment, for example because of their brightness As soon as such a structure of Significant image is detected, for example on a detector element 11 ', the block 8 surrounding this detector element and consisting of a total of 8 or 9 sensor elements arranged in the form of a square continues to be constantly observed by the interpretation device, and this, so that the measured values appearing on the detector elements can be

comparéesde façon répétée à celles de la mesure précédente. repeatedly compared to those of the previous measurement.

Comme déjà mentionné, ces comparaisons peuvent être effectuées en un temps ne dépassant pas 10 ms Une variation d'orientation du satellite dans le sens d'un basculement a pour effet que la structure d'image significative s'écarte de l'élément détecteur 11 ', par exemple en direction de l'élément 10 détecteur 11 " diagonalement voisin La direction dans laquelle la structure d'image significative s'écarte dépend naturellement à l'origine de la direction de la variation d'orientation A partir de là on peut donc émettre immédiatement As already mentioned, these comparisons can be made in a time not exceeding 10 ms. A satellite orientation variation in the direction of a switchover causes the significant image structure to deviate from the detector element 11. For example, in the direction of the diagonally adjacent detector element 11, the direction in which the significant image structure deviates naturally depends on the direction of the orientation variation. therefore emit immediately

de façon précise des impulsions de correction qui compensent 15 la variation d'orientation dès qu'elle se dessine. correction pulses which compensate for the orientation variation as soon as it is drawn.

La figure 2 représente schématiquement un dispositif d'interprétation 7, qui reçoit les informations émanant de FIG. 2 diagrammatically represents an interpretation device 7, which receives the information emanating from

trois lignes de détecteur parallèles. three parallel detector lines.

En aval des lignes de détecteur 4 sont respectivement 20 montés des filtres 31, 32, 33, qui servent à l'élimination des bruits parasites Leurs signaux de sortie filtrés sont respectivement appliqués aux convertisseurs analogiquesnumériques 21, 22, 23, qui présentent par exemple une résolution de 6-8 bits A leur suite est installée une 25 mémoire intermédiaire 14 dans laquelle des informations Downstream of the detector lines 4 are respectively mounted filters 31, 32, 33, which serve to eliminate unwanted noise. Their filtered output signals are respectively applied to the digital analog converters 21, 22, 23, which for example have a 6-8 bit resolution Next is installed an intermediate memory 14 in which information

sont par exemple alternativement inscrites pendant une microseconde et lues dans la microseconde suivante. for example are alternately written during a microsecond and read in the next microsecond.

A la mémoire intermédiaire 14 succède un correcteur de valeur de luminosité-obscurité 15 qui garantit une caracté30 ristique de reproduction uniforme en ce qui concerne tous les éléments détecteurs Pour finir, les signaux d'image corrigés parviennent à un calculateur 10 Celui-ci évalue les signaux des différents éléments détecteurs et détermine au début sur quels éléments détecteurs sont reproduites des 35 structures d'image significatives En comparant de façon répétée le:contenu'des blocs d'éléments détecteurs associés aux différentes structures significatives aux valeurs respectivement préalablement mémorisées, par exemple à un rythme d'une microseconde, on détermine s'il s'est produit des déplacements des structures significatives Si aucun déplacement n'est mesurable, pour lequel on peut prévoir par exemple des paliersde 0,5 % à 2 %, c'est que la position relative du satellite ne s'est pas modifiée de façon mesurable pendant ce court intervalle de temps Des déplacements critiques sont par exemple les déplacements d'instabilité horizontale du satellite dont la détection était jusqu'ici 10 un problème et qui se produisent à une fréquence d'environ Hz Si des variations repérables par le calculateur sont constatées, la direction et la valeur de la variation Intermediate memory 14 is followed by a brightness-darkness value corrector 15 which guarantees a uniform reproduction characteristic with regard to all the detector elements. Finally, the corrected image signals reach a computer 10. signals of the different detector elements and determines at the beginning on which detector elements are reproduced significant image structures Repeatedly comparing the content of the detector element blocks associated with the different structures significant to the respectively previously stored values, for example at a rate of one microsecond, it is determined whether significant structures have been displaced. If no displacement is measurable, for which, for example, steps of 0.5% to 2% may be provided, this is that the relative position of the satellite has not changed measurably during this short interval The critical displacements are, for example, the displacements of horizontal instability of the satellite, the detection of which until now has been a problem, and which occur at a frequency of approximately Hz. If variations detectable by the calculator are noted, the direction and the value of the variation

d'orientation sont déterminées et transmises au système de régulation d'orientation du satellite en vue de l'émission 15 d'impulsions de correction. of orientation are determined and transmitted to the satellite orientation control system for the purpose of outputting correction pulses.

Claims

1 Device for determining the orientation variations of a spacecraft stabilized in position with respect to a distant cosmic object serving as a reference, characterized in that it comprises at least three detector lines J (1, 2, 3) the devices are parallel to each other and means for reproducing the surface of the cosmic object in the plane of the detector lines which are constituted respectively by registering detector elements (11, 12, 13) arranged linearly behind each other the others and measuring the intensity of the incident electromagnetic radiation, and an interpretation device (7) which, by repeated comparison of the measured values inside a block (8) in the form of a sheet of neighboring detector elements, determines the displacement of significant image structures between the detector elements (11, 12, 13).

2 Device according to claim 1, characterized in that it comprises a line of central detectors (1) and several lines of partial detectors (2, 3) arranged on both sides of it b distance and facing them nosdeswisset respectively comprising only a fraction of the detector elements (11, 12, 13) of the detector line J

central (1).

3 Device according to claim 2, characterized in that the blocks (8) arranged in layers used for interpretation respectively comprise three detector elements of the central detector line (1)

and partial partial detector lines (2, 3) agen 6 in the form of squares.

4 Device according to any one of

preceding claims, characterized in that

as sensing elements (11, 12, 13) capitators are used

charge transfer semiconductor (CCD).

Device according to Claim 4, characterized in that sensitive sensors are used in the

infrared spectral area.

6 Device according to any one of

preceding claims, characterized in that the

interpreting device (7) comprises a digital analogue converter (21, 22, 23) per detector line (1, 2, 3), a reading electronics (9) ensuring the successive introduction of the measured values of the different

detector elements (11, 12, 13) in the associated analog-to-digital converters, and a calculator (10) comparing the digitized measured values of the successive measurements.

Device according to claim 6, characterized

in that an intermediate memory (14) is mounted downstream of the analog-to-digital converters (21, 22, 23).