PT1986018E - Determinação de posição e orientação - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

DETERMINAÇÃO DE POSIÇÃO E ORIENTAÇÃO A presente invenção refere-se a um aparelho e método para determinar a disposição relativa de uma pluralidade de objetos. Em particular, a invenção refere-se à determinação da posição e orientação relativas de dois corpos, por exemplo, dois satélites numa disposição de voo em formação.

Em qualquer missão espacial baseada numa formação de dois ou mais satélites, é necessário medir a posição e atitude relativas de cada par de satélites de forma a saber e/ou controlar a geometria da formação. Os termos atitude e orientação são utilizados indistintamente no presente documento.

Um sistema conhecido para medir a distância relativa de um par de satélites utiliza medição de distância por laser com base no tempo de medição de voo. A precisão alcançável é da ordem de um milímetro. A precisão de medição de distância fornecida por tal sistema pode ser melhorada utilizando um interferómetro alimentado por radiação laser que tem um comprimento de onda sintético criado pela sobreposição de dois feixes de laser com frequências ligeiramente diferentes. Se o comprimento de onda sintético é superior à precisão de medição fornecida pelo tempo de técnica de voo, então o interferómetro de comprimento de onda sintético pode melhorar a precisão de medição de distância para a ordem de alguns micrómetros.

Contudo, tais sistemas conhecidos não medem a posição ao longo dos eixos transversais à linha que junta os dois satélites nem a atitude relativa dos dois satélites. Medições de atitude relativa são tipicamente obtidas utilizando rastreadores de estrelas instalados nos dois satélites. Assim, são necessários dois sistemas de medição separados, um para medir distância e um para medir orientação. Aliás, a utilização de rastreadores de estrelas padrão não fornece uma precisão de medição no nível de 1 arcsegundo, e também requer que uma medição separada seja realizada em cada satélite e que pelo menos um dos satélites transmita os resultados da medição ao outro para que os resultados obtidos pelos dois satélites possam ser comparados e a orientação relativa dos satélites possa ser calculada.

Também se conhece a medição da posição e atitude relativas de dois satélites durante um procedimento de aproximação ou acoplagem. Tipicamente são fornecidos sensores de aproximação ou acoplagem, nos quais uma câmara num primeiro satélite olha para um padrão de marcadores de referência (retrorrefletores, ou luzes) fornecidos num segundo satélite. Uma ideia similar é revelada pelo documento EP 0 537 623. 0 sistema assenta no padrão, posição e separação dos marcadores de referência no segundo satélite que é conhecido. Comparando o padrão, posição e separação da imagem dos marcadores de referência que aparecem no campo de visão da câmara no primeiro satélite com o padrão, posição e separação conhecidos dos marcadores de referência no segundo satélite, a orientação relativa e separação dos dois satélites podem ser calculadas. Um tal sistema tem um intervalo de funcionamento limitado, tipicamente 100 metros ou menos, e fornece uma precisão de medição que está longe da que é necessária para uma missão de voo em formação típica. É um objetivo da presente invenção, como definida pelas reivindicações, fornecer um aparelho e método melhorados ou pelo menos alternativos para medir a disposição de um primeiro corpo em relação a um segundo corpo, por exemplo, um primeiro satélite em relação a um segundo satélite. Em certos aspetos, a invenção prevê a medição da posição 3d de um primeiro satélite em relação a um segundo satélite, e em particular a medição de dois ângulos de rotação que definem a orientação de um satélite em relação a outro sobre os dois eixos ortogonais à linha que junta os dois satélites. Nalguns aspetos da invenção o ângulo de rotação sobre a linha que junta os dois satélites é determinado pela utilização adicional de analisadores de polarização, embora a determinação desse ângulo seja geralmente menos importante para aplicações envolvendo formações de satélite do que a determinação dos outros parâmetros que representam a posição e orientação relativas dos dois satélites.

Em certos aspetos preferidos da invenção, a posição e atitude relativas de dois satélites no voo em formação podem ser determinadas para uma precisão de pelo menos: • 1 mm ao longo da linha que junta os dois satélites, para uma distância relativa de -100 m. • 0,1 mm ao longo dos eixos transversais à linha que junta os dois satélites • 1 arcseg sobre os eixos transversais à linha que junta os dois satélites

Num primeiro aspeto independente é fornecido um aparelho para determinar uma disposição relativa de um primeiro satélite e de um segundo satélite, que compreende um meio de deteção no segundo satélite para detetar radiação transmitida a partir do primeiro satélite, caracterizado pelo facto de o meio de deteção compreender uma pluralidade de detetores, sendo cada detetor fornecido numa respetiva localização conhecida, diferente em relação a cada outro detetor, de tal modo que em operação cada detetor tem uma visão diferente de uma fonte da radiação no primeiro satélite, sendo cada detetor configurado para produzir um respetivo sinal de deteção em resposta à radiação recebida da fonte.

Preferencialmente, o aparelho compreende ainda um meio de processamento configurado para processar os sinais de deteção em conjunto em dependência da localização de cada detetor em relação a cada outro detetor.

Em operação, o sinal de deteção recebido para cada detetor em relação ao sinal de deteção obtido para o ou cada outro detetor está tipicamente dependente quer da localização dos detetores entre si, quer da disposição relativa do primeiro satélite e do segundo satélite. A localização dos detetores entre si é conhecida e assim a disposição relativa do primeiro satélite e do segundo satélite pode ser determinada eficientemente processando os sinais de deteção em conjunto, tendo em conta a localização de cada detetor em relação a cada outro detetor. 0 processamento dos sinais em conjunto pode compreender diretamente comparar, combinar, ajustar a um modelo ou, caso contrário, processar em conjunto os sinais de deteção em dependência da localização de cada detetor em relação a cada outro detetor. Alternativamente, o processamento dos sinais em conjunto pode compreender realizar um processo inicial ou conjunto de processos sobre o sinal de deteção para cada detetor separadamente para produzir uma saída respetiva e então combinar, comparar, ajustar a um modelo ou, caso contrário, processar em conjunto as saídas em dependência da localização de cada detetor em relação a cada outro detetor. 0 processo inicial ou conjunto de processos pode incluir, por exemplo, uma ou mais de desmodulação, média de sinal, e ajustamento a um modelo. Cada saída pode compreender, por exemplo, o valor ou valores de um ou mais parâmetros. Alternativamente ou adicionalmente, o processamento dos sinais de deteção em conjunto pode compreender processar o sinal de deteção para um dos detetores e então utilizar os resultados desse processamento no processamento dos sinais de deteção para o ou cada outro detetor, em dependência da localização do ou cada outro detetor em relação a esse um dos detetores.

Preferencialmente, o meio de processamento é configurado para processar o sinal de deteção respetivo para cada detetor em dependência da posição do detetor em relação à posição do ou cada outro detetor. 0 meio de processamento é preferencialmente configurado para obter uma medida da disposição relativa do primeiro satélite e do segundo satélite do processamento em conjunto dos sinais de deteção. A medida da disposição relativa pode compreender pelo menos uma de uma distância relativa de separação do primeiro satélite e do segundo satélite, uma posição do primeiro satélite em relação ao segundo satélite, e orientação do primeiro satélite em relação ao segundo satélite. Preferencialmente, em operação, a posição relativa do primeiro satélite e do segundo satélite é definida utilizando um sistema de coordenadas cartesianas com eixos x, y e z ortogonais, centrado quer no primeiro satélite quer no segundo satélite. Preferencialmente o eixo z é definido como sendo colinear com uma linha que junta o primeiro satélite e o segundo satélite e/ou colinear com o eixo central de um feixe da radiação transmitido a partir do primeiro satélite. Preferencialmente, a orientação do primeiro satélite em relação ao segundo satélite é definida por ângulos de rotação respetivos (α, β, Θ) do primeiro satélite ou segundo satélite à volta de cada um dos eixos x, y e z.

Preferencialmente, o meio de deteção é para detetar um feixe de radiação transmitido a partir do primeiro satélite com um perfil de feixe predeterminado, e o meio de processamento é configurado para comparar pelo menos uma caracteristica do respetivo sinal de deteção recebido em cada detetor para o perfil de feixe predeterminado para determinar uma posição relativa de cada detetor em relação ao feixe. 0 perfil de feixe pode representar a variação de pelo menos um aspeto da radiação transmitida com posição através do feixe. Preferencialmente, o perfil de feixe representa a variação de pelo menos um aspeto da radiação transmitida numa direção ou direções ortogonais à direção de transmissão do feixe. Preferencialmente a fonte de radiação é incluída no aparelho e é disposta para produzir um feixe que fornece radiação a cada um dos detetores simultaneamente. 0 meio de processamento pode ser configurado para comparar pelo menos uma característica do respetivo sinal de deteção recebido em cada detetor para o perfil de feixe predeterminado para determinar uma posição relativa de cada detetor em relação ao feixe.

Essa característica é particularmente importante e assim num aspeto independente adicional é fornecido um aparelho para determinar um deslocamento relativo de um primeiro objeto e de um segundo objeto, que compreende: -uma fonte de radiação no primeiro objeto, para transmitir um feixe de radiação para o segundo objeto; e um meio de deteção no segundo objeto para detetar radiação da fonte, caracterizado pelo facto de: - a fonte de radiação ser configurada para transmitir o feixe de radiação de uma posição conhecida no primeiro objeto com um perfil de feixe predeterminado; o meio de deteção compreender uma pluralidade de detetores, sendo cada detetor fornecido numa respetiva localização conhecida, diferente em relação a cada outro detetor, de tal modo que cada detetor tem uma visão diferente da fonte de radiação, sendo cada detetor configurado para produzir um respetivo sinal de deteção em resposta à radiação recebida da fonte; e o aparelho compreender ainda um meio de processamento configurado para comparar pelo menos uma característica do respetivo sinal de deteção de cada detetor para o perfil de feixe predeterminado para determinar a posição relativa de cada detetor em relação ao feixe.

Assim, o deslocamento lateral do segundo satélite, ou corpo, em relação ao eixo de feixe pode ser determinado. A pelo menos uma caracteristica pode compreender o valor de um parâmetro representativo de um aspeto da radiação. 0 meio de processamento pode ser configurado para comparar os valores relativos dos parâmetros para o perfil, ou realizar um procedimento de ajustamento para ajustar os valores dos parâmetros a pontos no perfil.

Preferencialmente, a pelo menos uma caracteristica é representativa da potência da radiação recebida, e o perfil de feixe predeterminado é um perfil de potência transmitida como uma função da posição. 0 perfil pode representar a variação de potência transmitida como uma função da posição numa direção ou direções ortogonais à direção de transmissão. A pelo menos uma caracteristica pode compreender ou ser derivada da amplitude de sinal de deteção. 0 perfil de feixe predeterminado pode ter a forma de uma distribuição gaussiana. 0 meio de deteção pode compreender pelo menos três detetores. Fornecendo pelo menos três detetores é possível determinar inequivocamente quer a orientação quer posição relativas em todas as direções do primeiro satélite e do segundo satélite utilizando uma única fonte de radiação no primeiro satélite. Preferencialmente, o meio de deteção compreende três detetores.

Os detetores podem ser dispostos numa disposição simétrica. A disposição de detetores pode ter pelo menos um eixo de simetria. Cada um dos detetores pode estar num respetivo vértice de um triângulo. Preferencialmente, cada um dos detetores está num respetivo vértice de um triângulo equilátero.

Preferencialmente, cada detetor é operável para distinguir entre radiação recebida de diferentes pontos no campo de visão do detetor. Cada detetor pode compreender uma área de deteção e meios para identificar uma parte da área de deteção onde uma imagem, por exemplo, um ponto luminoso, cai. Cada detetor pode ser um Detetor Sensível à Posição (PSD) . Alternativamente, cada detetor pode compreender uma pluralidade de elementos de deteção, e o detetor pode ser disposto de tal modo que a radiação de cada área no campo de visão do detetor pode cair num respetivo elemento de deteção numa relação um para um. Alternativamente ou adicionalmente, cada detetor pode compreender um meio para rastreio através do campo de visão do detetor de modo a detetar radiação de cada área no campo de visão sucessivamente. 0 meio de processamento pode ser configurado para determinar, para cada um dos detetores, pelo menos um parâmetro de deteção representativo da posição de radiação recebida da fonte de radiação no campo de visão do detetor, e processar os parâmetros de deteção em dependência da posição relativa dos detetores. Assim uma medida da disposição relativa do primeiro objeto e do segundo objeto pode ser determinada. 0 pelo menos um parâmetro de deteção pode ser representativo de pelo menos uma coordenada angular ou pelo menos uma coordenada linear. 0 meio de processamento pode ser configurado para calcular a média dos valores do ou cada pelo menos um parâmetro através dos detetores para obter assim uma medida da disposição relativa do primeiro objeto e do segundo objeto.

Preferencialmente, para cada detetor, o ou cada parâmetro de deteção é representativo de um respetivo um de um ângulo de colatitude entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo de mira do detetor, e um ângulo de azimute entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo perpendicular ao eixo de mira do detetor. 0 meio de processamento pode ser configurado para determinar para cada detetor, i, um ângulo de azimute oq entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo de mira do detetor, e o meio de processamento pode ser configurado para calcular a média dos ângulos de azimute obtidos a partir dos detetores. Preferencialmente, os detetores são dispostos de tal modo que o cálculo da média dos ângulos de colatitude dá o ângulo de colatitude do primeiro satélite em relação ao segundo satélite. 0 meio de processamento pode ser configurado para determinar para cada detetor i, um ângulo de colatitude Bi entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo perpendicular ao eixo de mira do detetor, e o meio de processamento pode ser configurado para calcular a média dos ângulos de colatitude Bi obtidos a partir dos detetores. Preferencialmente, os detetores são dispostos de tal modo que o cálculo da média dos ângulos de colatitude dá o ângulo de colatitude do primeiro satélite em relação ao segundo satélite. 0 meio de processamento pode ser configurado para resolver numericamente um conjunto de equações que ligam os parâmetros de deteção para cada um dos detetores às coordenadas lineares e angulares que definem a posição e orientação relativas do primeiro e segundo satélites, de modo a obter valores para pelo menos uma das coordenadas lineares e angulares. 0 meio de determinação pode ser configurado para determinar para cada detetor, i, um ângulo de azimute oa entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo de mira do detetor, e um ângulo de colatitude Bi entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo perpendicular ao eixo de mira do detetor, e o meio de processamento é configurado para resolver numericamente o conjunto de equações (2) a (7) como recitado no presente documento. 0 processador pode ser configurado para resolver numericamente o conjunto de equações utilizando um procedimento de ajustamento, como um procedimento de ajustamento por quadrados mínimos não lineares, ou qualquer outro método para resolver conjuntos de equações não lineares.

Preferencialmente, o aparelho inclui a fonte de radiação no primeiro satélite para transmitir a radiação do primeiro satélite ao segundo satélite. A fonte de radiação pode ser configurada para gerar a radiação ou, alternativamente ou adicionalmente, pode ser configurada para refletir ou guiar radiação gerada nalguma outra localização para o segundo satélite. A fonte da radiação do ponto de vista do segundo satélite pode ser o ponto ou área no primeiro satélite onde a radiação sai do primeiro satélite. 0 aparelho pode incluir um meio para modular a radiação. Preferencialmente, o meio de modulação é configurado para modular a amplitude da radiação. É particularmente vantajoso modular a radiação caso estejam presentes os sinais de radiação de fundo (por exemplo, de luz estrelar ou solar refletida ou direta) para permitir rejeição de tais sinais de fundo. Os detetores podem compreender Detetores Sensíveis à Posição (PSDs), e nesse caso a modulação da radiação é também vantajosa porque se livra de polarizações e ruídos de baixa frequência característicos de tais detetores e da sua eletrónica. A utilização da modulação/desmodulação de amplitude permite uma redução significativa no rácio sinal para ruido dos Detetores Sensíveis à Posição a baixas frequências. 0 aparelho pode compreender ainda um meio para determinar a modulação da radiação, em dependência do respetivo sinal de deteção recebido em pelo menos um dos detetores. 0 meio para determinar a modulação pode ser configurado para determinar a frequência e fase da modulação. 0 meio para determinar a modulação pode ser configurado para combinar os sinais de deteção recebidos nos detetores para produzir um sinal combinado, e determinar a modulação em dependência do sinal combinado.

Preferencialmente, o meio para determinar a modulação compreende circuito em anel de fase bloqueada. 0 meio de deteção pode ser configurado para desmodular os sinais de deteção detetados nos detetores em dependência da modulação determinada pelo meio de determinação de modulação. 0 aparelho pode compreender ainda um polarizador no primeiro satélite disposto de tal modo que a radiação emitida pela fonte de radiação é polarizada.

Alternativamente ou adicionalmente, o aparelho pode compreender um meio para determinar a polarização de radiação recebida no meio de deteção e determinar uma orientação relativa dos dois satélites em dependência da polarização. Preferencialmente, a direção de polarização do primeiro polarizador em relação à orientação do primeiro satélite é conhecida, e a orientação do meio de determinação de polarização no segundo satélite é conhecida. Assim, a orientação relativa do primeiro e segundo satélites sobre um eixo que junta o primeiro satélite e o segundo satélite pode ser determinada analisando a polarização da radiação recebida no meio de deteção.

Preferencialmente, a distância entre os satélites é inferior a ou igual a 150 km, preferencialmente inferior a ou igual a 100 km, e mais preferencialmente inferior a ou igual a 50 km. Preferencialmente, a distância entre os satélites é superior a ou igual a 100 m, preferencialmente superior a ou igual a 1 km, e mais preferencialmente superior a ou igual a 10 km. Preferencialmente a distância entre os satélites é entre 10 m e 10 km. A fonte de radiação pode compreender uma fonte laser. A radiação pode ser uma radiação laser. Preferencialmente, a radiação tem uma frequência no intervalo de 250 THz a 1000 THz. A radiação pode ter uma frequência única. A fonte de radiação é configurada para transmitir radiação de uma potência no intervalo de 1 mW a 1 W. Preferencialmente os detetores são configurados para detetar radiação que tem uma potência no intervalo de 0,1 microW a 0,1 mW.

Num aspeto independente, adicional da invenção é fornecido um método de determinação de uma disposição relativa de um primeiro satélite e de um segundo satélite, que compreende transmitir radiação do primeiro satélite ao segundo satélite; e detetar a radiação no segundo satélite, caracterizado pelo facto de o método compreender ainda fornecer uma pluralidade de detetores, sendo cada detetor fornecido numa respetiva localização conhecida, diferente em relação a cada outro detetor, de tal modo que cada detetor tem uma visão diferente da fonte de radiação, sendo cada detetor configurado para produzir um respetivo sinal de deteção em resposta à radiação recebida a partir da fonte; e processar os sinais de deteção em conjunto em dependência da localização de cada detetor em relação a cada outro detetor.

Qualquer caracteristica num aspeto da invenção pode ser aplicada a outros aspetos da invenção, em qualquer combinação apropriada. Em particular, as caracteristicas do aparelho podem ser aplicadas a caracteristicas do método e vice-versa.

As formas de realização da invenção serão agora descritas apenas a titulo de exemplo, com referência aos desenhos que acompanham, nos quais: a Figura 1 é uma ilustração esquemática do aparelho de acordo com a forma de realização preferida; a Figura 2 é um diagrama esquemático do circuito utilizado para desmodular os sinais recebidos nos detetores do aparelho da Figura 1; a Figura 3 é uma ilustração esquemática de um detetor que faz parte do aparelho da Figura 1; a Figura 4 é um gráfico de intensidade versus deslocamento lateral, que mostra a variação na intensidade através da largura de um feixe de radiação transmitido pelo aparelho da Figura 1 de acordo com um modo preferido de operação; e a Figura 5 é uma ilustração esquemática de uma variante do aparelho da Figura 1, que inclui um divisor de feixe de polarização.

Um aparelho para medir a posição e atitude relativas de um primeiro satélite 2 e de um segundo satélite 4 de acordo com a forma de realização preferida é mostrado esquematicamente na Figura 1.

Uma fonte de radiação na forma de um emissor de feixe de laser é montada no primeiro satélite 2, e é composta por uma fonte laser 6 acoplada a uma fibra ótica de modo individual 8 que por sua vez está acoplada a um sistema ótico 10. Na forma de realização preferida, a saída do emissor de feixe de laser é de amplitude modulada utilizando um oscilador (não mostrado).

Um sistema de deteção é montado no segundo satélite 4 e compreende três detetores 11, 13, 15, cada um dos quais é posicionado no plano focal de um respetivo telescópio 12, 14, 16. A Figura 1 inclui uma vista planar 17 numa direção ortogonal à face do segundo satélite 4 e pode ver-se que os três telescópios 12, 14, 16 estão localizados nos vértices de um triângulo equilátero 18 centrado na origem 0' do satélite 2 (a seguir representaremos como d a distância de cada telescópio de 0'). Assim, cada um dos telescópios 12, 14, 16, e, por sua vez, cada dos detetores 11, 13, 15, tem uma visão diferente do primeiro satélite 4. Pode ver-se que a visão de cada telescópio 12, 14, 16 depende da posição e orientação relativas dos satélites.

Os detetores 11, 13, 15 e o seu circuito associado são mostrados em mais pormenor na Figura 2. Cada um dos detetores 11, 13, 15 é um Detetor Sensível à Posição (PSD) e está localizado no plano focal de um respetivo telescópio 12, 14, 16. Cada detetor 11, 13, 15 compreende uma estrutura de fotodiodo de quatro elétrodos com uma área de deteção bidimensional. A fotocorrente gerada pelo fotodiodo em resposta a um ponto luminoso recebido na respetiva área de deteção está dependente da potência ótica transportada pela luz; as partes dessa fotocorrente que fluem através dos quatro elétrodos estão dependentes da posição do ponto luminoso na área de deteção. 0 sinal através de dois dos quatro elétrodos é representativo da posição na direção xx do ponto luminoso na área de deteção num sistema de referência local, referido como o sistema de referência de telescópio. 0 sinal através dos outros dois dos quatro elétrodos é representativo da posição na direção yx do ponto luminoso na área de deteção no sistema de referência local.

Saídas do PSD e circuito eletrónico de etapa inicial associado fornecem três números: a potência da luz recolhida pelo telescópio e focada no detetor (representada pela soma das saídas dos quatro elétrodos do PSD) e as coordenadas (ξιΧ, ξιΥ) do ponto luminoso focado na área de deteção no sistema de referência de telescópio. 0 ponto luminoso é a imagem do feixe de laser formado na área de deteção.

Cada ponto na área de deteção bidimensional corresponde a uma direção de visionamento no campo de visão do telescópio numa relação um para um. Cada detetor 11, 13, 15 está ligado a um processador que processa sinais de saída dos detetores representativos de radiação detetada pelos detetores, via o respetivo circuito eletrónico de etapa inicial 26, 28, 30.

Considerando o circuito eletrónico de etapa inicial 30 para um dos detetores 13, o circuito eletrónico 30 tem uma saída 42 para um sinal, referido como sinal x2, representativo da coordenada x da posição do ponto luminoso na área de deteção do detetor 13, uma saída 48 para um sinal, referido como o sinal y2, representativo da coordenada y da posição do ponto luminoso na área de deteção do detetor 13, e uma saída 36 para o sinal somado que é a soma dos sinais x2 e y2 e é representativo da potência do ponto luminoso recebido. O circuito eletrónico 26, 28 para os outros detetores 11, 15 tem saídas 38, 40 para os sinais xx representativos da posição do ponto luminoso na direção xx no respetivo sistema de referência de telescópio, saídas 44, 46 equivalentes para os sinais yx representativos da posição do ponto luminoso na direção yx no respetivo sistema de referência de telescópio, e saídas 32, 34 equivalentes para os sinais somados, para esses detetores 11, 15.

Cada saída 32, 34, 36 para os sinais somados está ligada a um amplificador somador 50 que está ligado, por sua vez, a um circuito em anel de fase bloqueada 52 que compreende um misturador 54, um amplificador 56 e um oscilador controlado por tensão 58.

Regressando à consideração do circuito eletrónico de etapa inicial 30 para um dos detetores 13 em particular, pode ver-se a partir da Figura 2 que a saída 36 para o sinal somado está ligada a um misturador 60, que a saída 42 para o sinal x2 está ligada a um misturador 62 adicional , e a saída 48 para o sinal que representa o y2 está ligada a outro misturador 64. A saída do circuito em anel de fase bloqueada 52 está ligada a cada dos misturadores 60, 62, 64 .

Cada das saídas do circuito eletrónico de etapa inicial 26, 28 para os outros detetores 11, 15 também está ligada a respetivos misturadores adicionais (não mostrados) do mesmo modo como ilustrado na Figura 2 para o circuito eletrónico de etapa inicial 30 para o detetor 13.

As saídas dos misturadores 60, 62, 64 e as saídas dos misturadores adicionais (não mostrados) estão, cada, ligadas ao processador (não mostrado).

Em operação, a fonte de radiação localizada no primeiro satélite 2 emite um feixe de laser 5 que ilumina o segundo satélite 4 onde é observado por três detetores 11, 13, 15 cada um compreendendo um telescópio 12, 14, 16.

Na forma de realização preferida, o emissor de feixe de laser gera um feixe 5 com uma divergência suficiente para iluminar cada um dos telescópios 12, 14, 16 localizados no satélite 2 e com uma distribuição de potência gaussiana "limpa" (isto é, sem ondas geradas por um truncamento de feixe inadequado ou outras aberrações) através de cada das suas secções transversais. Isto é obtido utilizando como um emissor de luz a saída da fibra ótica de modo individual 8 acoplada à fonte laser 6 como supramencionado. Em formas de realização alternativas, filtros espaciais são utilizados na saída de fonte laser. O feixe de laser 5 emitido pelo emissor de feixe de laser é de amplitude modulada, como supramencionado, e o rácio sinal para ruído da deteção do feixe de laser pelos Detetores Sensíveis à Posição é aumentado na forma de realização preferida, desmodulando a saída dos Detetores Sensíveis à Posição na frequência de modulação. Isto é particularmente vantajoso uma vez que os Detetores Sensíveis à Posição operam sob grandes polarizações e estão sujeitos a ruido de baixa frequência. A utilização da modulação/demodulação de amplitude produz um aumento significativo no rácio sinal para ruído nos Detetores

Sensíveis à Posição e permite a rejeição de sinais de fundo (por exemplo, de luz estrelar ou solar refletida ou direta).

Como discutido acima, o circuito eletrónico de etapa inicial 26, 28, 30 para cada um dos detetores 11, 13, 15 emite um sinal x± representativo da coordenada x± (na saída 38, 40, 42) e um sinal yx representativo da coordenada yx (na saída 44, 46, 48) da posição da imagem do feixe de laser na respetiva área de deteção, de acordo com o respetivo sistema de referência de telescópio. Cada conjunto de circuito eletrónico de etapa inicial 26, 28, 30 também emite um sinal somado representativo da potência recebida da imagem do feixe de laser numa respetiva saída somada 32, 34, 36.

Como o feixe de laser 5 é de amplitude modulada numa frequência de modulação, o xx, yx, e sinais somados emitidos pelo circuito eletrónico de etapa inicial são também modulados na frequência de modulação.

Para desmodular os sinais emitidos pelo circuito eletrónico de etapa inicial, o circuito em anel de fase bloqueada 52 mostrado na Figura 2 é utilizado para gerar um sinal de referência que é utilizado para desmodular os sinais no conjunto de misturadores 60, 62, 64 no caso do detetor 13 e nos misturadores adicionais (não mostrados) no caso dos outros detetores 11, 15.

Em operação, cada sinal somado dos detetores 11, 13, 15 emitido nas saídas somadas 32, 34, 36 é, por sua vez, somado pelo amplificador somador 50 e o sinal resultante é passado ao circuito em anel de fase bloqueada 52 incluindo o oscilador controlado por tensão 58. O sinal passado ao circuito em anel de fase bloqueada 52 representa a potência média ou total recebida através dos detetores 11, 13, 15 e tem uma fase e frequência que são iguais à fase e frequência do sinal de modulação utilizado no primeiro satélite 2 para modular o feixe de laser 5. O oscilador controlado por tensão 58 incluído no circuito em anel de fase bloqueada 52 é assim sincronizado com o oscilador utilizado para modular a saída do emissor de feixe de laser no primeiro satélite 2. A saída do oscilador controlado por tensão 58 é usada como o sinal de referência e é passada ao conjunto de misturadores 60, 62, 64, e aos misturadores adicionais (não mostrados) para desmodular os sinais de saída dos detetores.

Os sinais de saída desmodulados a partir do conjunto de misturadores 60, 62, 64 e dos misturadores adicionais (não mostrados) são passados ao processador (não mostrado) para análise e processamento adicionais. Assim, o processador (não mostrado) recebe sinais desmodulados representativos das coordenadas do ponto luminoso focado em cada detetor, o que, por sua vez, é representativo da posição do feixe luminoso emitido a partir do primeiro satélite 2 no campo de visão de cada telescópio, e também recebe um sinal somado desmodulado para cada detetor representativo da potência ótica recebida por esse detetor. O processador é configurado para determinar a posição do primeiro satélite 2, no campo de visão de cada telescópio. Em particular, e com referência à Figura 3, o processador é configurado para determinar as coordenadas ξιχ, ξιγ que identificam a posição da imagem de feixe de laser na área de deteção localizada no plano focal de cada telescópio. Cada conjunto de coordenadas ξιΧ, ξιΥ é determinado em relação a um Sistema de Referência de Telescópio (TRF, Cg, Xx, Yx, Z±) atribuído a cada telescópio com a origem no centro do seu plano focal e os eixos nominalmente alinhados a 0'X'Y'Z' (Z± é o eixo de mira do telescópio S±) .

Cada telescópio observa o feixe de laser 5 emitido pelo satélite 2 de um ponto de vista diferente. Dos três pares de coordenadas (ξιχ, ξιΥ) que identificam a posição da imagem de feixe luminoso nos planos focais dos três telescópios 12, 14, 16, o ângulo de colatitude (βχ) entre o feixe luminoso e o eixo Z± de telescópio e ângulo de azimute (a±) da imagem em relação ao eixo Xx é obtido pelo processador (ver a Figura 3):

onde Fé o comprimento focal de telescópio.

Os três pares de ângulos (α±, βχ) medidos pelos três telescópios 12, 14, 16 podem estar relacionados com as coordenadas lineares e angulares (x, y, z, □, θ, ψ) que definem a posição da fonte de radiação (e assim do primeiro satélite 2) em relação ao segundo satélite 4 por meio das seguintes equações (2) a (7), escritas assumindo pequenos ângulos de rotação. Na seguinte análise, o eixo z é definido como sendo o eixo central do feixe de laser 5 emitido pelo primeiro satélite, e as coordenadas definem a posição da fonte de radiação no primeiro satélite 2 em relação à origem 0' no segundo satélite 4. As coordenadas x e y representam os deslocamentos laterais nas duas direções ortogonais transversais ao eixo z, □ é o ângulo de orientação do primeiro satélite 2 em relação ao segundo satélite 4 sobre o eixo x, e Θ é o ângulo de orientação do primeiro satélite 2 em relação ao segundo satélite 4 sobre o eixo y. ψ é o ângulo de orientação do primeiro satélite 2 em relação ao segundo satélite 4 à volta do eixo z. (2) O'rsen(Pi))- = 0|0χ- + Ο,Ογ", 0'2'sen(32))” = 0?0χ2 + ChOy" . (/•_rsen(p3))“ = OsOx" + Ο^Ογ” (3) OiOx-tan(íXi) = ΟιΟγ, ChOx-tar^a?) = O2OY, 030\-tan(a3) = OjOy com (4) Ο,Οχ = -c/-cos(0) - χ - y-ψ + ζ·θ, 0)0γ = d-sen (Θ) - y + χ·ψ - ζ·φ, ΟιΟζ = -ζ - χ·θ + y-φ (5) Ο2ΟΧ = -c/ cos(0) - χ - y-ψ + ζ·θ, 0?0γ = -i/-sen (0) - y + χ-ψ - ζ·φ, ΟιΟζ = -ζ - χ·θ + y-φ (6) ΟβΟχ = d - χ - y-ψ + ζ-θ, ΟίΟγ = -y + χ·ψ - ζ·φ, Ο3ΟΖ = -ζ - χ·Θ + y-φ

Para simplificar a solução do conjunto de equações acima, o processador na forma de realização preferida é configurado para explorar uma medição independente de quatro dos seis graus de liberdade (correspondendo aos três deslocamentos angulares e aos três deslocamentos laterais) que podem ser obtidos a partir da mesma metrologia ótica, nomeadamente os ângulos □, Θ, e os deslocamentos laterais x, y. De facto, dos três pares de coordenadas (ξ±χ, ξιΥ) é possível computar também os ângulos θιΧ, θιΥ (ver a Figura 3) como se segue:

Na forma de realização preferida, o processador é programado para determinar os três pares de coordenadas (ξιχ, ξιγ) a partir dos sinais de saída dos detetores e calcular os três pares de ângulos 0ix, 0iY. 0 processador é programado então para calcular os ângulos de rotação □, 0 que existem calculando a média das três medições angulares correspondentes:

A Equação (9) é uma aproximação. Quanto mais próximos os satélites estão do seu alinhamento/posição nominal mais precisa é a aproximação. Em termos dos sistemas de referência dos dois satélites, quanto mais próximo estiver a origem 0' do eixo Z do sistema de referência OXYZ, e mais próximos os eixos X'Y'Z' são paralelos a XYZ, mais precisa é a aproximação.

Os deslocamentos laterais (x, y) são obtidos na forma de realização preferida a partir do desequilíbrio da potência medida pelos três detetores 11, 13, 15, com base no conhecimento de que a distribuição de potência da secção transversal de feixe de laser tem um perfil Gaussiano estabelecido pela condição de emissão (dimensão e posição da cintura do feixe na partida da fonte de radiação no satélite 2) e que o eixo do feixe de laser (máximo do gaussiano) é nominalmente coincidente com o eixo z. A posição de dois dos detetores 11, 13 em relação ao feixe de laser durante uma medição é mostrada esquematicamente na Figura 4. A variação da distribuição de potência através do feixe de laser como uma função do deslocamento lateral y é indicada por uma linha contínua 70, que tem uma forma gaussiana. A posição do eixo do feixe de laser, correspondendo ao máximo da distribuição gaussiana é indicada pela linha pontilhada 72, e a posição do ponto médio entre os detetores 11, 13 é indicada por uma linha contínua 74. Pode ver-se que os detetores 11, 13 têm um deslocamento lateral y em relação ao eixo do feixe de laser e assim que a potência recebida por um dos detetores 11 é superior à potência recebida pelo outro dos detetores 13. A potência recebida por cada um dos detetores 11, 13 é indicada esquematicamente por setas contínuas 76, 78 que identificam a posição de cada detetor em relação à distribuição de potência gaussiana do feixe de laser. 0 processador é configurado para determinar a potência média, Pi, P2, P3 respetivamente, recolhida por cada telescópio 12, 14, 16, e assim detetada por cada detetor 11, 13, 15, a partir da saída de sinal somado desmodulado na respetiva saída somada 32, 34, 36. 0 deslocamento lateral y é obtido pelo processador comparando as potências recolhidas pelos telescópios 12, 14 :

0 deslocamento lateral x é obtido pelo processador comparando as potências recolhidas pelo telescópio 16 com a potência média, representada por P12, recolhida pelos outros dois telescópios 12, 14:

Os coeficientes kx, ky são função da separação entre os sensores e da largura do feixe de laser gaussiano na localização do satélite 4. Na forma de realização preferida os coeficientes kx, ky são determinados por uma calibração do feixe de laser e armazenados no processador.

As equações (10) e (11) são aproximações. Quanto mais próximos os satélites estiverem do seu alinhamento/posição nominal, mais precisas são as aproximações. Em termos dos sistemas de frequência dos dois satélites, quanto mais próximo estiver a oirigem 0' do eixo Z da sistema de referência OXYZ, e mais próximos os eixos X'Y'Z' são paralelos a XYZ, mais precisas são as aproximações.

Em formas de realização alternativas, e modos de operação alternativos, uma solução numérica das equações (1) a (7) (que não são lineares) é utilizada para determinar as seis coordenadas que definem a posição e orientação do segundo satélite 4 no sistema de referência do primeiro satélite 2. Em tais formas de realização e modos de operação o processador é programado para determinar os três pares de coordenadas (ξ±χ, ξ±γ) a partir dos sinais de saída dos detetores, e resolver as equações acima utilizando um procedimento numérico e determinar os valores dos parâmetros x, y, z, □, θ, ψ que definem a posição e orientação relativas dos dois satélites 2, 4.

De acordo com a análise acima, é possível medir o ângulo ψ à volta do eixo que junta os dois satélites. Contudo a sensibilidade das equações acima para esse parâmetro ψ torna-se cada vez mais pequena à medida que os dois satélites estão cada vez mais próximos do seu alinhamento nominal (x = 0, y = 0). Por isso na prática, no caso de satélites esse parâmetro ψ não é geralmente obtido com uma boa precisão. No limite x = 0, y = 0, não pode ser obtido por análise das equações acima isoladas. Contudo, em certas variantes da forma de realização preferida informação relativa ao parâmetro ψ é obtida incluindo um analisador do estado de polarização da luz emitida pelo primeiro satélite 2 no meio de deteção. Um exemplo de um aparelho de acordo com tais variantes da forma de realização preferida é mostrado na Figura 5.

Nas variantes da forma de realização preferida ilustradas na Figura 5, a fonte laser 6 localizada no primeiro satélite 2 produz um feixe linearmente polarizado. O plano de polarização é tipicamente orientado no plano X-Z do sistema de referência do primeiro satélite 2.

Um divisor de feixe de polarização 80 está localizado no segundo satélite 4, com os eixos principais alinhados ao sistema de referência do segundo satélite 4. Dois fotodiodos 82, 84 são posicionados ortogonalmente ao divisor de feixe 80. Saídas dos fotodiodos 82, 84 estão ligadas ao processador. O divisor de feixe de polarização 80 é operável para dividir o feixe polarizado recebido da fonte laser em dois componentes, e a dirigir um dos componentes a um dos fotodiodos 82 e a dirigir o outro componente ao outro fotodiodo 84. A Figura 5 inclui uma vista ampliada 86 que ilustra a divisão do feixe em mais pormenor. A potência respetiva (pa, pb) de cada um dos dois componentes é uma função da orientação do plano de polarização em relação ao plano X'Z' do sistema de referência de satélite (isto é, do ângulo de rotação ψ sobre o eixo Z entre as sistemas de referências dos dois satélites).

Em operação, cada fotodiodo 82, 84 mede a potência (pa ou Pb) do respetivo componente do feixe vindo do divisor de feixe de polarização 80. Essas potências são função do ângulo de rotação ψ:

O ângulo de rotação ψ é obtido a partir das potências medidas pl, p2 pelo processador utilizando a seguinte equação:

Os detetores 11, 13, 15 não são mostrados na Figura 5 por razões de clareza, mas tipicamente no aparelho da Figura 5 os detetores 11, 13, 15 também estão presentes no segundo satélite 4. O processador combina os resultados obtidos a partir dos detetores 11, 13, 15 e dos fotodiodos de modo a obter a posição e orientação relativas precisas dos satélites.

Em formas de realização alternativas ou modos de operação alternativos da forma de realização preferida, a fase e a frequência do sinal de demodulação não são determinadas a partir da potência média recebida pelos detetores PSD. Em vez disso, uma ligação rádio é fornecida entre os satélites e informação relativa à fase e frequência da modulação é transmitida a partir do primeiro satélite 2 ao segundo satélite 4 via a ligação rádio e a fase de desmodulação e frequência é configurada com base nessa informação. Em formas de realização ou modos de operação alternativos adicionais que utilizam o sistema de navegação GPS/GALILEO, no qual osciladores de sincronização (relógios) são fornecidos nos dois satélites 2, 4, um oscilador é utilizado para gerar a frequência de modulação e o outro oscilador é utilizado para gerar a frequência de desmodulação.

Em formas de realização alternativas um detetor de série, que compreende, por exemplo, uma série de CCDs ou CMOSs, é utilizado em vez de um PSD. Nesse caso, cada elemento numa série de elementos de deteção emite um respetivo sinal de deteção, e a posição de um ponto luminoso na série é determinada processando os sinais de saída dos elementos de deteção.

As formas de realização descritas acima foram descritas com referência à medição do deslocamento e orientação relativos de dois satélites. Contudo a invenção não está limitada apenas à medição do deslocamento e orientação relativos de dois satélites, e, em relação a certos aspetos, é usada para medir o deslocamento e/ou orientação relativos de dois ou mais corpos em geral.

Será entendido que a presente invenção foi descrita acima meramente a título exemplificativo, e modificações de pormenores podem ser feitas dentro do âmbito da invenção.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • EP 0537623 A [0005]

Lisboa, 29 de Janeiro de 2015

Claims (19)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Aparelho para determinar uma disposição relativa de um primeiro objeto (2) e de um segundo objeto (4) que compreende:- meio de deteção no segundo objeto (4) para detetar um feixe de radiação transmitido por uma fonte laser do primeiro objeto (2), o feixe de radiação tendo um perfil de feixe predeterminado o meio de deteção compreende uma pluralidade de detetores (11, 13, 15), sendo cada detetor fornecido numa respetiva localização conhecida, diferente em relação a cada outro detetor, de tal modo que em operação cada detetor tem uma visão diferente de uma fonte da radiação (10) no primeiro objeto (2), sendo cada detetor configurado para produzir um respetivo sinal de deteção em resposta à radiação, meio de processamento configurado para processar os sinais de deteção em conjunto em dependência da localização de cada detetor em relação a cada outro detetor, e explorar pelo menos uma característica do respetivo sinal de deteção recebido em cada detetor para determinar uma posição relativa de cada detetor em relação ao feixe, caracterizado pelo facto de a pelo menos uma característica ser representativa da potência da radiação recebida, o perfil de feixe predeterminado ser um perfil da distribuição de potência através do feixe como uma função de posição e a posição relativa de cada detetor ser obtida comparando as potências recebidas em cada detetor.
2. 2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o perfil de feixe predeterminado tem a forma de uma distribuição gaussiana.
3. 3. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o meio de deteção compreende pelo menos três detetores.
4. 4. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que os detetores são dispostos numa disposição simétrica.
5. 5. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, em que o meio de deteção compreende três detetores, estando cada um dos detetores num respetivo vértice de um triângulo equilátero.
6. 6. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o meio de processamento é configurado para determinar, para cada um dos detetores, pelo menos um parâmetro de deteção representativo da posição de radiação recebida da fonte de radiação no campo de visão do detetor, e processar os parâmetros de deteção em dependência da posição relativa dos detetores.
7. 7. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, em que o pelo menos um parâmetro de deteção é representativo de pelo menos uma coordenada angular ou pelo menos uma coordenada linear.
8. 8. Aparelho de acordo com a reivindicação 6 ou 7, em que o meio de processamento é configurado para calcular a média dos valores do ou de cada pelo menos um parâmetro através dos detetores para obter, assim, uma medida da disposição relativa do primeiro objeto e do segundo objeto.
9. 9. Aparelho de acordo com a reivindicação 6 ou 7, em que, para cada detetor, i, o ou cada parâmetro de deteção é representativo de um respetivo um de um ângulo de azimute a± entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo de mira do detetor, e um ângulo de colatitude β± entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo perpendicular ao eixo de mira do detetor.
10. 10. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, em que o meio de processamento é configurado para determinar para cada detetor, i, um ângulo de azimute a± entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo de mira do detetor, e o meio de processamento é configurado para calcular a média dos ângulos de azimute obtidos a partir dos detetores.
11. 11. Aparelho de acordo com a reivindicação 9 ou 10, em que o meio de processamento é configurado para determinar para cada detetor i, um ângulo de colatitude β± entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo perpendicular ao eixo de mira do detetor, e o meio de processamento é configurado para calcular a média dos ângulos de colatitude β± obtidos a partir dos detetores.
12. 12. Aparelho de acordo com a reivindicação 6 ou 7, em que o meio de processamento é configurado para resolver numericamente um conjunto de equações que ligam os parâmetros de deteção para cada um dos detetores às três coordenadas lineares e três angulares que definem a posição e orientação relativas do primeiro e segundo objetos, de forma a obter valores para pelo menos uma das coordenadas lineares e angulares.
13. 13. Aparelho de acordo com a reivindicação 12, em que o meio de processamento é configurado para determinar para cada detetor, i, um ângulo de colatitude β± entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo de mira do detetor, e um ângulo de azimute a± entre o caminho de radiação da fonte de radiação e um eixo perpendicular ao eixo de mira do detetor, e o meio de processamento é configurado para resolver numericamente o conjunto de equações (2) a (7) como recitado no presente documento.
14. 14. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, incluindo uma fonte de radiação no primeiro satélite para transmitir a radiação do primeiro objeto ao segundo objeto, um meio para modular a radiação, e um meio para determinar a modulação da radiação em dependência do respetivo sinal de deteção recebido em pelo menos um dos detetores.
15. 15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, em que o meio para determinar a modulação é configurado para combinar os sinais de deteção recebidos nos detetores para produzir um sinal combinado, e determinar a modulação em dependência do sinal combinado.
16. 16. Aparelho de acordo com a reivindicação 14 ou 15, em que o meio de deteção é configurado para desmodular os sinais de deteção detetados nos detetores em dependência da modulação determinada pelo meio de determinação de modulação.
17. 17. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, que compreende ainda um meio para determinar a polarização de radiação recebida no meio de deteção e determinar uma orientação relativa dos dois objetos em dependência da polarização.
18. 18. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que os dois objetos (2, 4) são dois satélites.
19. 19. Um método de determinação de uma disposição relativa de um primeiro objeto (2) e de um segundo objeto (4), que compreende:- transmitir radiação a partir de uma fonte de radiação laser (10) no primeiro objeto (2) ao segundo objeto (4), o feixe de radiação tendo um perfil de feixe predeterminado; e detetar a radiação no segundo satélite (4), caracterizado pelo facto de:- fornecer uma pluralidade de detetores (11, 13, 15), sendo cada detetor fornecido numa respetiva localização conhecida, diferente em relação a cada outro detetor, de tal modo que cada detetor tem uma visão diferente da fonte de radiação (10), sendo cada detetor configurado para produzir um respetivo sinal de deteção em resposta à radiação recebida da fonte (10); e processar os sinais de deteção em conjunto em dependência da localização de cada detetor em relação a cada outro detetor e explorar pelo menos uma caracteristica do respetivo sinal de deteção recebido em cada detetor para determinar uma posição relativa de cada detetor em relação ao feixe, caracterizado pelo facto de a pelo menos uma caracteristica ser representativa da potência da radiação recebida, e o perfil de feixe predeterminado ser um perfil de distribuição de potência através do feixe como uma função de posição e a posição relativa de cada detetor ser obtida comparando as potências recebidas em cada detetor. Lisboa, 29 de Janeiro de 2015