IT202000017488A1 - Unita' ottica per un sistema metrologico ottico proiettivo per la determinazione di grandezze relative a assetto e/o posizione e la comunicazione di dati - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?UNIT? OTTICA PER UN SISTEMA METROLOGICO OTTICO PROIETTIVO PER LA DETERMINAZIONE DI GRANDEZZE RELATIVE A ASSETTO E/O POSIZIONE E LA COMUNICAZIONE DI DATI?

Settore Tecnico dell?Invenzione

La presente invenzione ? relativa ad un?unit? ottica per un sistema metrologico ottico proiettivo per la determinazione di grandezze relative a assetto e/o posizione e per la comunicazione di dati.

La presente invenzione trova vantaggiosa, sebbene non esclusiva, applicazione nel settore aerospaziale, in particolare nella determinazione di posizione reciproca e assetto (?attitude?) reciproco di una coppia di satelliti, nella comunicazione di dati tra la coppia di satelliti e, in generale, nello scambio di segnali digitali tra i due satelliti.

Stato dell?Arte

Come ? noto, in ambito aerospaziale sono noti sistemi di metrologia aventi la funzione di determinare l?assetto (?attitude?) e/o la posizione di un satellite. Ancora pi? in particolare, sono noti sistemi di metrologia che consentono, data una coppia di satelliti, di determinare la posizione reciproca e l?assetto reciproco tra i due satelliti.

La determinazione degli assetti e delle posizioni dei satelliti ? di particolare importanza nel caso di sistemi satellitari i cui satelliti sono in formazione, cio? nei casi in cui ? prevista la determinazione dell?assetto e della posizione di ciascun satellite in funzione dell?assetto e della posizione degli altri satelliti.

In pratica, la determinazione, dati due satelliti, dell?assetto reciproco e della posizione reciproca richiede la determinazione di sei gradi di libert?. Infatti, assumendo un primo ed un secondo sistema di riferimento solidali, rispettivamente, ad un primo ed un secondo satellite e formati, ciascuno, da una terna di assi perpendicolari, l?assetto reciproco e la posizione reciproca tra il primo ed il secondo sistema di riferimento, e dunque tra il primo ed il secondo satellite, sono esprimibili in termini di tre spostamenti (lineari) e tre rotazioni (angoli). In particolare, la posizione reciproca del primo satellite rispetto al secondo satellite pu? essere espressa mediante una terna di tre spostamenti misurati, rispettivamente, lungo i tre assi del secondo sistema di riferimento; similmente, l?assetto reciproco del primo satellite rispetto al secondo satellite pu? essere espresso mediante una terna di tre angoli, pari a corrispondenti rotazioni del primo sistema di riferimento rispetto al secondo sistema di riferimento.

Ci? premesso, in generale i sistemi metrologici ottici oggi disponibili possono essere suddivisi in sistemi cosiddetti grossolani (?coarse?) ed in sistemi cosiddetti di precisione (?fine?), a seconda dell?accuratezza e del campo di applicazione, quest?ultimo essendo dato dall?intervallo di distanze che possono intercorrere tra i satelliti senza che le prestazioni si degradino significativamente.

Pi? in dettaglio, i sistemi metrologici di precisione consentono di determinare la posizione reciproca di due satelliti con un?accuratezza inferiore al centimetro, a patto che i satelliti non distino pi? di una cinquantina di metri. Addirittura, alcuni sistemi metrologici di precisione consentono di determinare la posizione reciproca di due satelliti con un?accuratezza dell?ordine del decimo di millimetro, a patto che i satelliti non distino pi? di un metro.

Al contrario, i sistemi metrologici grossolani si caratterizzano per un?accuratezza non inferiore alla decina di centimetri, tuttavia possono operare anche quando la distanza tra i satelliti ? superiore ai cinquanta metri, ad esempio anche fino a distanze di venti chilometri.

Ad esempio, sono noti sistemi di comunicazione a radiofrequenza tra veicoli aerei, nonch? sistemi di comunicazione a radiofrequenza tra veicoli aerospaziali e stazioni di terra; questi ultimi consentono di comunicare alle stazioni di terra dati relativi allo stato del veicolo aerospaziale stesso, quali velocit?, posizione, temperatura, carico utile, tramite dispositivi elettronici operanti a radiofrequenza. Tuttavia, tali sistemi di comunicazione a radiofrequenza non possono essere utilizzati come aiuto per i sistemi metrologici esistenti per determinare le summenzionate grandezze relative a posizione e/o assetto di due veicoli aerospaziali, n? per realizzare compiti specifici svolti dai due satelliti. Inoltre, tali sistemi di comunicazione a radiofrequenza hanno una ridotta frequenza di trasmissione dati, ad esempio inferiore a 10 byte/s, hanno un elevato costo in termini energetici e un limitato numero di funzionalit?.

Oggetto e Riassunto dell?Invenzione

La presente invenzione si prefigge pertanto lo scopo di fornire un?unit? ottica per un sistema metrologico proiettivo che risolva almeno in parte gli inconvenienti dell?arte nota.

Secondo la presente invenzione, vengono forniti un?unit? ottica per un sistema metrologico proiettivo ed un sistema metrologico ottico proiettivo includente l?unit? ottica, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Breve Descrizione dei Disegni

Per una migliore comprensione dell?invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un sistema satellitare includente un sistema metrologico ottico proiettivo e la presente unit? ottica;

- la figura 2 mostra schematicamente una vista prospettica di sorgenti ottiche di una costellazione luminosa;

- la figura 3 mostra uno schema a blocchi della presente unit? ottica;

- la figura 4 mostra uno schema a blocchi del sistema satellitare di figura 1, in uso;

- la figura 5 mostra qualitativamente una vista frontale di una superficie di rilevazione di un sensore optoelettronico dell?unit? ottica mostrata in figura 3; e - la figura 6 mostra uno schema a blocchi di una ulteriore forma di realizzazione della presente unit? ottica.

Descrizione Dettagliata di Preferite Forme di Realizzazione dell?Invenzione La presente invenzione verr? ora descritta in dettaglio con riferimento alle figure allegate per permettere ad una persona esperta di realizzarla ed utilizzarla. Varie modifiche alle forme di realizzazione descritte saranno immediatamente evidenti alle persone esperte ed i generici principi descritti possono essere applicati ad altre forme di realizzazione ed applicazioni senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto, la presente invenzione non deve essere considerata limitata alle forme di realizzazione descritte ed illustrate, ma le si deve accordare il pi? ampio ambito protettivo conforme con le caratteristiche descritte e rivendicate.

Ove non definito in altro modo, tutti i termini tecnici e scientifici qui utilizzati hanno lo stesso significato comunemente utilizzato da persone di ordinaria esperienza nel settore di pertinenza della presente invenzione. In caso di conflitto, la presente descrizione, comprese le definizioni fornite, risulter? vincolante. Inoltre, gli esempi sono forniti a puro scopo illustrativo e come tali non devono essere considerati limitanti.

La figura 1 mostra un sistema metrologico ottico di tipo proiettivo, al quale in seguito ci si riferisce per brevit? come al sistema metrologico 1.

Nel seguito si descrive il sistema metrologico 1 con particolare riferimento ad un?applicazione di tipo satellitare, sebbene esso possa trovare impiego in differenti ambiti di applicazione, come accennato successivamente.

In dettaglio, il sistema metrologico 1 comprende un?unit? di trasmissione 2, la quale comprende una costellazione 4 ed ? atta ad essere vincolata ad un primo satellite sat1; inoltre, il sistema metrologico 1 comprende un?unit? di ricezione 5, la quale comprende un?unit? ottica 7 ed ? atta ad essere vincolata ad un secondo satellite sat2.

Come mostrato in maggior dettaglio in figura 2, la costellazione 4 comprende una prima, una seconda ed una terza sorgente luminosa 4A-4C, ciascuna formata, ad esempio, da un corrispondente diodo ad emissione luminosa (?Light Emitting Diode?, LED) e ciascuna configurata per emettere un rispettivo segnale ottico primario. L?insieme dei segnali ottici primari della prima, della seconda e della terza sorgente luminosa 4A-4C forma un segnale luminoso LS. Per semplicit?, i segnali ottici primari emessi rispettivamente dalla prima, dalla seconda e dalla terza sorgente luminosa 4A-4C sono mostrati (qualitativamente) solo in figura 2, dove sono indicati rispettivamente con POS1, POS2, POS3. A titolo puramente esemplificativo, i segnali ottici primari POS1, POS2, POS3 emessi dalla prima, dalla seconda e dalla terza sorgente luminosa 4A-4C possono avere lunghezze d?onda comprese tra 400-700 nm. In generale, tuttavia, i segnali ottici primari POS1, POS2, POS3, e quindi anche il segnale luminoso LS, possono avere lunghezze d?onda anche al di fuori del visibile.

La prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C sono disposte complanari ed ai vertici di un ipotetico triangolo, ad esempio isoscele o equilatero. In particolare, nell?ipotesi di sorgenti luminose puntiformi, assumendo un primo sistema di riferimento x1,y1,z1 solidale al primo satellite sat1 e formato da tre assi x1, y1, z1 ortogonali tra loro, ed assumendo inoltre che l?asse z1 sia perpendicolare al piano in cui giacciono la prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C, e che la prima e la seconda sorgente luminosa 4A-4B giacciano lungo l?asse x1, ? possibile esprimere i punti dello spazio in cui si trovano la prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C rispettivamente come [X0,0,0], [-X0,0,0] e [0,Y0,0].

L?unit? di trasmissione 2 comprende inoltre un dispositivo di modulazione 9, accoppiato a ciascuna tra la prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C.

Il dispositivo di modulazione 9 ? configurato per ricevere dati (ad esempio binari) di trasmissione, i quali arrivano al dispositivo di modulazione 9 come segnali elettrici e sono forniti da dispositivi elettronici installati sul primo satellite sat1, quali ad esempio sensori di temperatura, sensori di posizione, unit? di misura inerziali (IMU) quali accelerometri e giroscopi, sensori di carico utile, ecc. Inoltre, il dispositivo di modulazione 9 ? configurato per modulare il segnale ottico primario di ciascuna tra la prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C in funzione dei dati di trasmissione.

In questa forma di realizzazione, il dispositivo di modulazione 9 effettua una modulazione di intensit? binaria a codifica acceso-spento (?on-off keying?, OOK), ad esempio secondo uno schema di ritorno a zero (?return to zero?, RZ) o di non ritorno a zero (?non-return-to-zero?, NRZ), dei segnali ottici primari POS1, POS2, POS3 emessi dalla prima, dalla seconda e dalla terza sorgente luminosa 4A-4C; in tal modo, i summenzionati dati di trasmissione vengono trasmessi, con un bit rate ad esempio compreso tra 1 kbit/s e 1 Mbit/s. In altre parole, il dispositivo di modulazione 9 accende/spegne la prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C tutte insieme, in funzione di dati di trasmissione.

In maggior dettaglio, ciascuna tra la prima, la seconda e la terza sorgente luminosa 4A-4C subisce una medesima modulazione di intensit?, in modo tale per cui i segnali ottici primari POS1, POS2, POS3 emessi dalla prima, dalla seconda e dalla terza sorgente luminosa 4A-4C sono tra loro uguali.

In altre parole, il segnale luminoso LS generato dalla costellazione 4 ? modulato in intensit? in funzione dei dati di trasmissione, e quindi in funzione dei summenzionati segnali elettrici che arrivano al dispositivo di modulazione 9.

Come mostrato in figura 3, l?unit? ottica 7 comprende un sensore optoelettronico 10, un diaframma 12 atto a ricevere il segnale luminoso LS generato dalla costellazione 4, un primo ed un secondo divisore di fascio ottico (?optical beam splitter?) 14, 16, un primo ed un secondo elemento riflettente 18, 20, una prima, una seconda e una terza lente intermedia 22, 24, 26 e un ricevitore ottico 30 comprendente un fotorivelatore 32 e un dispositivo di demodulazione 34. A titolo puramente esemplificativo, la prima, la seconda e la terza lente intermedia 22, 24, 26 possono essere concave.

L?unit? ottica 7 comprende inoltre un?unit? elettronica di elaborazione 40, la quale ? elettricamente collegata al sensore optoelettronico 10 e al ricevitore ottico 30.

In maggior dettaglio, il diaframma 12, il primo divisore di fascio ottico 14, la prima lente intermedia 22, il secondo divisore di fascio ottico 16 ed il sensore optoelettronico 10 sono disposti in successione ed otticamente allineati. In altre parole, il primo divisore di fascio ottico 14 risulta interposto tra il diaframma 12 e la prima lente intermedia 22, la quale a sua volta risulta interposta tra il primo ed il secondo divisore di fascio ottico 14, 16; infine, il secondo divisore di fascio ottico 16 ? interposto tra la prima lente intermedia 22 ed il sensore optoelettronico 10.

In maggior dettaglio, gli assi ottici del diaframma 12 e della prima lente intermedia 22 sono all?incirca coincidenti ed incidono sostanzialmente al centro del sensore optoelettronico 10. A titolo esemplificativo, in figura 3 gli assi ottici (coincidenti) della lente di ingresso 12 e della prima lente intermedia 22 sono indicati con OA; per semplicit?, nel seguito ci si riferisce ad essi come all?asse di sistema OA.

In pratica, il diaframma 12, il primo divisore di fascio ottico 14, la prima lente intermedia 22 ed il secondo divisore di fascio ottico 16 formano un primo circuito ottico OT1.

Per quanto concerne, invece, la seconda lente intermedia 24, essa ? interposta tra il primo ed il secondo elemento riflettente 18, 20, in maniera tale per cui il diaframma 12, il primo divisore di fascio ottico 14, il primo elemento riflettente 18, la seconda lente intermedia 24, il secondo elemento riflettente 20 ed il secondo divisore di fascio ottico 16 formano un secondo circuito ottico OT2.

La terza lente intermedia 26 ? interposta tra il secondo divisore di fascio ottico 16 e il fotorivelatore 32. Ad esempio, il fotorivelatore 32 pu? essere posto ad una distanza dalla terza lente intermedia 26 circa pari alla lunghezza focale della terza lente intermedia 26.

Operativamente, il primo divisore di fascio ottico 14 separa il segnale luminoso LS in un primo e in un secondo fascio ottico R1, R2 mostrati in modo puramente qualitativo in figura 4.

Il primo fascio ottico R1 attraversa il primo divisore di fascio ottico 14 e la prima lente intermedia 22. Il secondo divisore di fascio ottico 16 separa il primo fascio ottico R1 in una prima e in una seconda parte R1?, R1??.

La prima parte R1? ? trasmessa dal secondo divisore di fascio ottico 16, in direzione del sensore optoelettronico 10. In altre parole, il primo circuito ottico OT1 dirige una frazione del primo fascio ottico R1 sul sensore optoelettronico 10, lungo l?asse di sistema OA.

La seconda parte R1?? ? riflessa dal secondo divisore di fascio ottico 16, in direzione della terza lente intermedia 26, la quale focalizza la seconda parte R1?? sul fotorivelatore 32.

Il primo circuito ottico OT1 definisce dunque un primo cammino ottico, interposto tra il diaframma 12 ed il sensore optoelettronico 10 ed avente una prima lunghezza l1, intesa come la somma della distanza che il primo fascio ottico R1 percorre per raggiungere, a partire dal diaframma 12, il secondo divisore di fascio ottico 16 e della distanza che la prima parte R1? del primo fascio ottico R1 percorre per raggiungere, dal secondo divisore di fascio ottico 16, il sensore optoelettronico 10.

Il secondo fascio ottico R2 ? indirizzato dal primo divisore di fascio 14 sul primo elemento riflettente 18.

Il primo elemento riflettente 18, la seconda lente intermedia 24 ed il secondo elemento riflettente 20 sono inoltre disposti in maniera tale per cui il secondo fascio ottico R2 ? riflesso dal primo elemento riflettente 18 in direzione della seconda lente intermedia 24. Dopo aver attraversato la seconda lente intermedia 24, il secondo fascio ottico R2 ? ricevuto dal secondo elemento riflettente 20, il quale lo riflette in direzione del secondo divisore di fascio ottico 16. Il secondo divisore di fascio ottico 16 riflette una rispettiva prima parte R2? del secondo fascio ottico R2 in direzione del sensore optoelettronico 10, ancora lungo l?asse di sistema OA, e trasmette una seconda parte R2?? del secondo fascio ottico R2 in direzione della terza lente intermedia 26, la quale focalizza la seconda parte R2?? del secondo fascio ottico R2 sul fotorivelatore 32.

Il secondo circuito ottico OT2 definisce dunque un secondo cammino ottico, interposto tra il diaframma 12 ed il sensore optoelettronico 10 ed avente una seconda lunghezza l2, maggiore della prima lunghezza l1 ed intesa come la somma della distanza che i raggi ottici del secondo fascio ottico R2 percorrono per raggiungere, a partire dal diaframma 12, il secondo divisore di fascio ottico 16 e della distanza che la prima parte R2? del secondo fascio ottico R2 percorre per raggiungere, dal secondo divisore di fascio ottico 16, il sensore optoelettronico 10.

Il secondo cammino ottico non attraversa la prima lente intermedia 22 ed inoltre condivide con il primo cammino ottico un medesimo punto di ingresso, definito dal diaframma 12, ed un medesimo punto terminale, definito dal sensore optoelettronico 10.

In aggiunta, il secondo divisore di fascio ottico 16 opera in modo da ricombinare spazialmente parti del primo e del secondo fascio ottico R1, R2 (in particolare, le rispettive seconde parti R1??, R2??), le quali formano un segnale ottico al quale nel seguito ci si riferisce come al segnale ottico di informazione OIS. Il segnale ottico di informazione OIS incide sul fotorivelatore 32, come verr? descritto in maggior dettaglio in seguito.

In maggior dettaglio, come nel caso sistema metrologico proiettivo descritto nel brevetto europeo EP2508428 a nome della Richiedente, ciascuna lente tra la prima e la seconda lente intermedia 22, 24 presenta una rispettiva coppia di piani principali, anche noti come piano principale anteriore e piano principale posteriore, i quali, nel caso in cui la lente sia sottile, collassano in un singolo piano principale. Pertanto, assumendo che la prima e la seconda lente intermedia 22, 24 siano effettivamente sottili, esse presentano, rispettivamente, un primo ed un secondo piano principale P1, P2, i quali passano rispettivamente per i centri ottici della prima e della seconda lente intermedia 22, 24. Inoltre, la prima e la seconda lente intermedia 22, 24 hanno, rispettivamente, una prima ed una seconda lunghezza focale f1, f2, la seconda lunghezza focale f2 essendo maggiore della prima lunghezza focale f1.

Ancora in maggior dettaglio, assumendo per semplicit? che il primo divisore di fascio ottico 14 abbia dimensioni trascurabili, il primo ed il secondo piano principale P1, P2, e quindi anche la prima e la seconda lente intermedia 22, 24, distano dal primo divisore di fascio ottico 14, rispettivamente, una prima distanza d1 ed una seconda distanza d2, misurate rispettivamente lungo il primo ed il secondo cammino ottico. In altre parole, trascurando l?inclinazione dei raggi ottici rispetto all?asse di sistema OA, il primo fascio ottico R1 si propaga, per raggiungere il primo piano principale P1 a partire dal primo divisore di fascio ottico 14, lungo una distanza pari a d1; similmente, il secondo fascio ottico R2 si propaga, per raggiungere il secondo piano principale P2 a partire dal primo divisore di fascio ottico 14, lungo una distanza pari a d2.

In pratica, da un punto di vista ottico, il primo ed il secondo piano principale P1, P2 distano dalla costellazione 4, rispettivamente, una distanza dp1=Dsat+d1 e dp2=Dsat+d2, in cui Dsat ? la distanza tra la costellazione 4 ed il primo divisore di fascio ottico 14. Pertanto, da un punto di vista ottico, il primo ed il secondo piano principale P1, P2 sono diversamente distanti dalla costellazione 4. Equivalentemente, il primo ed il secondo piano principale P1, P2 sono diversamente distanti dal diaframma 12, dal momento che essi sono differentemente distanziati dal primo divisore di fascio ottico 14, e il primo ed il secondo cammino ottico, tra il diaframma 12 ed il primo divisore di fascio ottico 14, sono coincidenti. In particolare, indicando con dc la distanza tra il diaframma 12 ed il primo divisore di fascio ottico 14, il primo ed il secondo piano principale P1, P2 distano dal diaframma 12, rispettivamente, dc+d1 e dc+d2. Si noti che d1 e d2 possono anche assumere valori negativi, qualora il primo e/o il secondo piano principale P1, P2 si trovino tra il diaframma 12 ed il primo divisore di fascio ottico 14.

Inoltre, il primo ed il secondo piano principale P1, P2, e quindi la prima e la seconda lente intermedia 22, 24, distano dal sensore optoelettronico 10, rispettivamente, una terza ed una quarta distanza d3, d4, misurate rispettivamente lungo il primo ed il secondo cammino ottico. In altre parole, trascurando l?inclinazione dei raggi ottici rispetto all?asse di sistema OA, il primo fascio ottico R1 si propaga, per raggiungere il sensore optoelettronico 10 a partire dal primo piano principale P1, lungo una distanza pari a d3; similmente, il secondo fascio ottico R2 si propaga, per raggiungere il sensore optoelettronico 10 a partire dal secondo piano principale P2, lungo una distanza pari a d4.

In maggior dettaglio, come mostrato in figura 5, il sensore optoelettronico 10 pu? essere formato, ad esempio, da un dispositivo ad accoppiamento di carica (?Coupling Charge Device?, CCD) e presenta una superficie di rilevazione A di forma, ad esempio, quadrata; le summenzionate terza e quarta distanza d3 e d4 esprimono appunto le distanze del primo e del secondo piano principale P1, P2 dalla superficie di rilevazione A.

La superficie di rilevazione A ? formata da una matrice di M elementi di immagine generalmente noti come pixel 11 ed ? disposta, come precedentemente accennato, perpendicolarmente rispetto all?asse di sistema OA, cio? perpendicolarmente agli assi ottici del diaframma 12 e della prima lente intermedia 22; inoltre, il centro geometrico della superficie di rilevazione A giace preferibilmente lungo l?asse di sistema OA. In pratica, il sensore optoelettronico 10 ? un sensore cosiddetto di immagine.

Nuovamente con riferimento alla terza ed alla quarta distanza d3, d4, esse possono essere pari, rispettivamente, alla prima ed alla seconda lunghezza focale f1 e f2.

In uso, come descritto in EP2508428, le prime parti R1?, R2? del primo e del secondo fascio ottico R1, R2 formano sulla superficie di rilevazione A del sensore optoelettronico 10 una prima e, rispettivamente, una seconda immagine della costellazione 4, tali immagini avendo diversi ingrandimenti, i quali dipendono tra l?altro, in modo di per s? noto, dalla prima e la seconda lunghezza focale f1 e f2.

In particolare, come mostrato in figura 5, la prima parte R1? del primo fascio ottico R1 forma sulla superficie di rilevazione A del sensore optoelettronico 10 una prima immagine I1 della costellazione 2, formata da un primo, un secondo ed un terzo punto immagine 4A?-4C?, rispettivamente corrispondenti alla prima, alla seconda ed alla terza sorgente luminosa 4A-4C. Inoltre, la prima parte R2? del secondo fascio ottico R2 forma sulla superficie di rilevazione A del sensore optoelettronico 10 una seconda immagine I2 della costellazione 4, formata da un quarto, un quinto ed un sesto punto immagine 4A?-4C?, rispettivamente corrispondenti alla prima, alla seconda ed alla terza sorgente luminosa 4A-4C. Si noti che, per semplicit? di visualizzazione, in figura 5 si ? assunto che ciascun punto immagine ecciti un solo pixel, sebbene tipicamente ciascun punto immagine ecciti un numero di pixel superiore ad uno.

Da un altro punto di vista, le prime parti R1?, R2? del primo e del secondo fascio ottico R1, R2 causano la formazione, sulla superficie di rilevazione A del sensore optoelettronico 10, di una distribuzione di M intensit? luminose, come rilevate dai pixel 11. Sulla base della distribuzione di M intensit? luminose, l?unit? elettronica di elaborazione 40 ? in grado di determinare un primo, secondo ed un terzo pixel, rispettivamente indicati con 11A-11C, i quali corrispondono, rispettivamente, al primo, al secondo ed al terzo punto immagine 4A?-4C?. Inoltre, l?unit? elettronica di elaborazione 40 ? in grado di determinare un quarto, un quinto ed un sesto pixel, rispettivamente indicati con 11D-11F, i quali corrispondono, rispettivamente, al quarto, al quinto ed al sesto punto immagine 4A?-4C?.

Successivamente, come descritto in EP2508428, l?unit? elettronica di elaborazione 40 ? in grado di determinare le sei grandezze relative ad assetto e posizione, sulla base delle posizioni dei summenzionati primo, secondo, terzo, quarto, quinto e sesto pixel. Nel caso in cui, per qualsivoglia motivo (ad esempio, distanza eccessiva tra i satelliti), l?unit? elettronica di elaborazione 40 sia in grado di identificare solamente un sottoinsieme di pixel tra i summenzionati primo, secondo, terzo, quarto, quinto e sesto pixel, il numero di grandezze determinabili dall?unit? elettronica di elaborazione 40 diminuisce di conseguenza.

In pratica, il sistema metrologico 1, di tipo bifocale, consente di determinare in modo analitico e non ambiguo tutti e sei i gradi di libert? che caratterizzano la posizione e l?assetto della costellazione 4 rispetto all?unit? ottica 7, cos? come descritto in dettaglio nel brevetto europeo EP2508428, grazie alla possibilit? di disporre di due differenti immagini della costellazione 4, ottenute mediante due sistemi ottici (nella fattispecie, il primo ed il secondo circuito ottico OT1 e OT2) che condividono un medesimo punto di ingresso dei raggi ottici, hanno piani principali che distano distanze differenti dalla costellazione e hanno lunghezze focali differenti. In tal modo, sulla superficie di rilevazione A si formano due differenti immagini della costellazione 4.

Inoltre, come precedentemente accennato, la seconda parte R1?? del primo fascio ottico R1 e la seconda parte R2?? del secondo fascio ottico R2 formano il segnale ottico di informazione OIS, il quale viene indirizzato dal secondo divisore di fascio 16 sulla terza lente intermedia 26 ed ? focalizzato da quest?ultima su un?area attiva, qui non mostrata, del fotorivelatore 32.

Il fotorivelatore 32, ad esempio formato da un fotodiodo di tipo PIN o a valanga (?avalanche?), ? configurato per generare un segnale elettrico ES (ad esempio, una corrente) proporzionale all?intensit? del segnale ottico di informazione OIS.

Di conseguenza, il segnale elettrico ES risulta anch?esso modulato in funzione dei dati di trasmissione. Il segnale elettrico ES viene poi opportunamente demodulato dal dispositivo di demodulazione 34, il quale in modo di per s? noto pu? comprendere ad esempio un amplificatore, un filtro e un dispositivo di estrazione di frequenza di modulazione, qui non mostrati. Il segnale cos? demodulato ? fornito all?unit? elettronica di elaborazione 40, la quale ? configurata per elaborare i dati di trasmissione inviati dall?unit? di trasmissione 2.

Inoltre, come mostrato in figura 1, l?unit? di ricezione 5 pu? comprendere un sistema di controllo di assetto e posizione 150, elettricamente accoppiato all?unit? elettronica di elaborazione 40. Il sistema di controllo di assetto e posizione 150 riceve le grandezze indicative di assetto e posizione che, nel tempo, vengono determinate dall?unit? elettronica di elaborazione 40, iterando le operazioni precedentemente descritte. Il sistema di controllo di assetto e posizione 150 pu? dunque operare, in modo di per s? noto, sulla base delle grandezze fornite dall?unit? elettronica di elaborazione 40.

Inoltre, in questa forma di realizzazione, il secondo satellite sat2 comprende un braccio meccanico 155 che viene controllato dal sistema di controllo di assetto e posizione 150 ed ? quindi in grado di eseguire operazioni sulla base della posizione e dell?assetto reciproci del primo e del secondo satellite sat1, sat2 e/o sulla base delle informazioni ottenute dai dati di trasmissione inviati dall?unit? di trasmissione 2 ospitata dal primo satellite sat1. Il braccio meccanico 155 pu? ad esempio essere impiegato durante cosiddette operazioni di ?docking?, e pi? in generale durante operazioni che mirano a stabilire un accoppiamento meccanico tra il primo ed il secondo satellite sat1, sat2.

L?unit? ottica 7 permette quindi di ottenere un sistema metrologico ottico di tipo proiettivo in grado non solo di determinare posizione ed assetto reciproci del primo e del secondo satellite, ma anche di trasmettere informazioni dal primo al secondo satellite, utilizzando una singola unit? di trasmissione e una singola unit? di ricezione e dunque limitando l?aumento di complessit? del sistema metrologico. Inoltre, il fatto che il segnale ottico di informazione OIS venga prelevato a partire dal secondo divisore di fascio ottico 16 fa s? che tale operazione non infici la formazione delle immagini sulla superficie di rilevazione A. In aggiunta, il segnale ottico di informazione OIS viene formato a partire da porzioni (le seconde parti R1??, R2?? del primo e del secondo fascio ottico R1, R2) che andrebbero altrimenti sprecate (ad esempio, dovrebbero incidere su un assorbitore, per non dare origine a riflessioni indesiderate).

La figura 6 mostra la presente unit? ottica secondo una diversa forma di realizzazione, qui indicata come unit? ottica 107, in cui elementi in comune con l?unit? ottica 7 sono dotati degli stessi numeri di riferimento.

L?unit? ottica 107 comprende un secondo sensore optoelettronico 110, ad esempio dello stesso tipo del primo sensore optoelettronico 10, il quale ? posto all?incirca ad una distanza pari alla distanza focale f2 dalla seconda lente intermedia 24 ed ? collegato elettricamente all?unit? di elaborazione elettronica 40. Inoltre, il secondo circuito ottico OT2 non comprende il secondo elemento riflettente 20.

In altre parole, in questa forma di realizzazione, il secondo fascio ottico R2 si propaga, a partire dal primo divisore ottico 14, sul primo elemento riflettente 18 ed ? focalizzato dalla seconda lente intermedia 24 direttamente sul secondo sensore optoelettronico 110. Dunque, la prima immagine I1 si forma sul primo sensore optoelettronico 10, mentre la seconda immagine I2 si forma sul secondo sensore optoelettronico 110. Inoltre, solamente la seconda parte R1?? del primo fascio ottico R1 viene focalizzata sul fotorivelatore 32 e concorre a generare il segnale elettrico ES, e quindi a ricevere i dati di trasmissione.

Il fatto che il fotorivelatore 32 riceva un segnale ottico proveniente da un solo cammino ottico, qui il primo cammino ottico del primo circuito ottico OT1, permette, in linea di principio, una corretta demodulazione del segnale ottico di informazione OIS anche in presenza di bit rate pi? elevato, a parit? di potenza incidente sul fotorivelatore 32.

In alternativa, il segnale ottico di informazione OIS pu? essere prelevato dal primo e/o dal secondo fascio ottico R1, R2 in un diverso punto del primo e/o del secondo circuito ottico OT1, OT2. Ad esempio, secondo una ulteriore forma di realizzazione non mostrata, un terzo divisore di fascio ottico pu? essere interposto tra il diaframma 12 e il primo divisore di segnale ottico 14, in modo che esso rifletta una porzione del segnale luminoso LS verso il ricevitore ottico 30 e si lasci attraversare da un?altra porzione del segnale luminoso LS, indirizzata al primo divisore di segnale ottico 14, dove subir? lo stesso trattamento ottico descritto con riferimento alla figura 3.

Risulta infine evidente che al sistema metrologico descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall?ambito della presente invenzione.

Ad esempio, la prima, la seconda e la terza lente intermedia 22, 24, 26 possono essere sostitute, ciascuna, da un rispettivo gruppo ottico, ciascuno formato da pi? lenti, come descritto nel brevetto europeo EP2508428, in riferimento alla figura 7.

Inoltre, sono possibili forme di realizzazione differenti, in cui la costellazione ha un numero Ns di sorgenti luminose, con Ns diverso da tre, ed in cui l?unit? ottica 7 dispone di ulteriori circuiti ottici, in maniera tale per cui essa ? atta a formare, su una o pi? superfici di rilevazione A, un numero NI di immagini, dove NI ? il numero totale di circuiti ottici presenti nell?unit? ottica 7. Ad esempio, pu? darsi che sia Ns=2 e NI=3. Infatti, aumentando il numero di immagini, ? possibile ridurre il numero di sorgenti luminose della costellazione, senza rinunciare a determinare alcuna delle summenzionate grandezze. E? altres? possibile che l?unit? elettronica di elaborazione 40 determini grandezze differenti rispetto agli angoli ?, ?, ?, alla distanza D ed agli spostamenti ?x, ?y descritti nel brevetto europeo EP2508428, come ad esempio grandezze riferite a sistemi di riferimento non cartesiani, ovvero un sottoinsieme di tali grandezze.

In luogo del diaframma 12 pu? essere presente una lente di ingresso. Inoltre, la prima, la seconda e la terza lente intermedia 22, 24, 26 possono essere di tipo differente da quanto descritto.

Il primo ed il secondo divisore di fascio ottico 14, 16 possono essere formati da corrispondenti prismi oppure possono essere di qualsiasi altro tipo noto, oppure possono essere sostituiti da dispositivi ottici funzionalmente equivalenti.

Ancora, le sorgenti luminose della costellazione possono essere disposte ai vertici di un triangolo scaleno e/o possono essere differenti rispetto a quanto descritto.

Circa il dispositivo di modulazione, esso pu? essere formato da un singolo modulatore condiviso tra tutte le sorgenti luminose, e dunque pu? ricevere in ingresso un singolo segnale elettrico modulato con i dati da trasmettere, oppure pu? comprendere un modulatore per ciascuna sorgente luminosa.

Infine, sebbene non mostrate, sono possibili forme di realizzazione in cui le sorgenti luminose della costellazione luminosa, anzich? essere di tipo attivo (cio? emettitrici di fotoni), sono di tipo passivo, nel qual caso (non mostrato) esse sono formate da corrispondenti riflettori. Tali riflettori sono atti a ricevere un segnale ottico di eccitazione non modulato, generato ad esempio dall?unit? ottica descritta in precedenza e modificata a tale scopo, e a rifletterlo con riflettivit? modulate in funzione dei dati di trasmissione; conseguentemente, i segnali ottici riflessi dai riflettori sono funzionalmente equivalenti ai summenzionati segnali ottici primari POS1, POS2, POS3.

Infine, il sistema metrologico pu?, come precedentemente accennato, trovare impieghi in ambiti differenti, quali ad esempio nell?ambito del controllo del volo di sistemi di droni oppure nell?ambito del controllo di natanti o sistemi robotici.

Claims (14)

RIVENDICAZIONI

1. Unit? ottica per un sistema metrologico ottico proiettivo (1), configurata per ricevere un segnale luminoso (LS) proveniente da una costellazione luminosa (4) comprendente un numero di sorgenti luminose (4A-4C), detta unit? ottica (7; 107) comprendendo:

- un sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10; 110);

- un primo ed un secondo circuito ottico (OT1, OT2) configurati per ricevere il segnale luminoso (LS) ed essere rispettivamente attraversati da un primo ed un secondo fascio ottico (R1,R2), il primo e il secondo circuito ottico (OT1, OT2) essendo inoltre configurati per indirizzare rispettivamente almeno una prima parte (R1?) del primo fascio ottico (R1) ed almeno una prima parte (R2?) del secondo fascio ottico (R2) su detto sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10; 110), in modo che causino la formazione simultanea di due differenti immagini (I1, I2) della costellazione (4) nel sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10; 110);

- un?unit? elettronica di elaborazione (40) accoppiata al sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10; 110) e configurata per determinare un numero di grandezze indicative della posizione e/o dell?assetto della costellazione luminosa (4) rispetto all?unit? ottica (7), sulla base di dette due immagini;

caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre:

- un ricevitore ottico (30); e

- un circuito ottico di derivazione (16, 26) configurato per accoppiare otticamente il ricevitore ottico (30) ad almeno uno tra il primo ed il secondo circuito ottico (OT1, OT2), in modo che il ricevitore ottico (30) riceva un segnale ottico di informazione (OIS), il quale ? funzione di almeno uno tra il primo e il secondo fascio ottico (R1, R2);

ed in cui il ricevitore ottico (30) ? configurato per demodulare dati digitali a partire dal segnale ottico di informazione (OIS).

2. Unit? ottica secondo la rivendicazione 1, in cui il ricevitore ottico (30) comprende:

- un fotorivelatore (32), otticamente accoppiato a detto circuito ottico di derivazione (16, 26) e configurato per generare un segnale elettrico (ES) in funzione del segnale ottico di informazione (OIS); e

- un dispositivo di demodulazione (34), elettricamente accoppiato al fotorivelatore (32) e configurato per estrarre detti dati digitali a partire da detto segnale elettrico (ES).

3. Unit? ottica secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il circuito ottico di derivazione (16, 26) comprende un dispositivo ottico (26) configurato per focalizzare il segnale ottico di informazione (OIS) sul fotorivelatore (32).

4. Unit? ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo di demodulazione (34) ? configurato per eseguire una demodulazione del tipo on-off keying.

5. Unit? ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito ottico di derivazione (16, 26) comprende un divisore di fascio ottico addizionale (16), il quale ? configurato per ricevere almeno il primo fascio ottico (R1) e per suddividere il primo fascio ottico (R1) in detta rispettiva prima parte (R1?), diretta verso il sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10; 110), ed in una rispettiva seconda parte (R1??), diretta verso il ricevitore ottico (30).

6. Unit? ottica secondo la rivendicazione 5, in cui detto divisore di fascio ottico addizionale (16) ? configurato in modo da ricevere anche il secondo fascio ottico (R2) e per suddividere il secondo fascio ottico (R2) in detta rispettiva prima parte (R2?), diretta verso il sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10), ed in una rispettiva seconda parte (R2??), diretta verso il ricevitore ottico (30).

7. Unit? ottica secondo la rivendicazione 6, in cui il sistema optoelettronico di acquisizione di immagini (10) comprende una superficie sensibile (A); ed in cui il primo e il secondo circuito ottico (OT1, OT2) terminano su detta superficie sensibile (A), in maniera tale per cui le due differenti immagini (I1, I2) della costellazione (4) si formano sulla superficie sensibile (A).

8. Unit? ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo ed il secondo circuito ottico (OT1, OT2) condividono un medesimo ingresso ottico (12), configurato per ricevere il segnale luminoso (LS) proveniente dalla costellazione luminosa (4).

9. Unit? ottica secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre un divisore di fascio ottico di ingresso (14), disposto a valle dell?elemento ottico ricevente (12) e configurato per suddividere il segnale luminoso (LS) nel primo e nel secondo primo fascio ottico (R1, R2).

10. Unit? ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?unit? elettronica di elaborazione (40) ? configurata per determinare, per ciascuna di dette due differenti immagini, un numero di massimi di intensit? luminosa pari al numero di sorgenti luminose (4A-4C) della costellazione luminosa (4), e per determinare, sulla base delle posizioni dei massimi di intensit? luminosa determinati, dette grandezze indicative della posizione e/o dell?assetto della costellazione luminosa (4) rispetto all?unit? ottica (7).

11. Sistema metrologico ottico proiettivo (1) comprendente:

- l?unit? ottica (7; 107) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; - un?unit? di trasmissione (2), la quale include la costellazione luminosa (4); ed in cui ciascuna sorgente luminosa (4A-4C) della costellazione luminosa (4) ? configurata per generare un corrispondente segnale ottico primario (POS1, POS2, POS3); ed in cui l?unit? di trasmissione (2) comprende inoltre un dispositivo di modulazione (9) configurato per modulare i segnali ottici primari (POS1, POS2, POS3) in funzione di detti dati digitali, in modo che i segnali ottici primari (POS1, POS2, POS3) siano uguali tra loro.

12. Sistema metrologico secondo la rivendicazione 11, in cui il dispositivo di modulazione (9) ? configurato per implementare una modulazione on-off keying.

13. Sistema metrologico secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui la costellazione luminosa (4) comprende una prima, una seconda ed una terza sorgente luminosa (4A-4C), in maniera tale per cui ciascuna immagine tra dette due differenti immagini ? formata da un primo, un secondo ed un terzo punto immagine (4A?, 4B?, 4C?; 4A?, 4B?, 4C?).

14. Sistema satellitare comprendente un primo ed un secondo satellite (sat1, sat2) ed un sistema metrologico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 13, in cui l?unit? di trasmissione (2) e l?unit? ottica (7; 107) sono vincolate rispettivamente al primo ed al secondo satellite (sat1, sat2); e comprendente inoltre un sistema di controllo di assetto e/o posizione (150) vincolato al secondo satellite (sat2) e configurato per ricevere le grandezze indicative della posizione e/o dell?assetto determinate dall?unit? elettronica di elaborazione (40) e/o detti dati digitali.