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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie einen Satelliten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
5.
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Sie
betrifft insbesondere die Verbesserung der Zielqualität eines
räumlichen
Lidars, insbesondere eines Wetter-Lidars, das Geschwindigkeitsmessungen
an Winden in der Atmosphäre
der Erde oder eines anderen Planeten durchführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zielt insbesondere darauf ab, die absolute Messunsicherheit betreffend
die Zielrichtung eines Strahles zu verringern, der von einem um
einen Himmelskörper,
insbesondere um die Erde, umlaufenden Satelliten gesendet wird.
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Eine
bekannte Technik zum Erhalten einer präzisen Bestimmung der von einem
an Bord eines Satelliten mitgeführten
Lidar gesendeten Laserstrahles erfordert die Verwendung eines Lokalisierungssystems,
mit dem die Position des Satelliten in Bezug auf den Himmelskörper, um
den er umläuft,
herausgefunden werden kann, und eines (Flug-)Lagebestimmungssystems,
das es insbesondere erlaubt, die Zielrichtung des in dem Satelliten
angebrachten Lidar präzise
zu bestimmen. Ein Beispiel einer auf diese Weise organisierten Anordnung
wird in dem Dokument US-A-5 808 732 gelehrt, es betrifft einen Satelliten
zur Höhenmessung
des Meeresspiegels und der Gletscherbedeckung der Erde und umfaßt ein Lokalisierungssystem
vom Typ GPS (für "Global Positioning
System") und ein
Lagebestimmungssystem.
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Letzteres
wird verwendet, um die Orientierung des für die Höhenmessungen verwendeten Laserstrahles
genau zu bestimmen, es umfaßt
eine optische Lokalisierungsanordnung, mit der ein Bild eines Himmelsabschnitts
durch ein Teleskop, dessen Zielrichtung der des Laserstrahles entgegengesetzt ist,
an einem lichtempfindlichen Detektor, allgemein als stellarer Sensor
bezeichnet, erhalten werden kann, der Angaben über die Position und Intensitäten der
erfaßten
Lichtquellen liefert. Diese Angaben werden von einem mitgeführten Rechner
genutzt, der über
inertielle Informationen über
eine Anzahl von Sternen verfügt,
die ausreichend ist, um eine vollständige Abdeckung der vom Satelliten
und damit vom Laserstrahl eingenommenen Lagen unabhängig von
der Positionierung des Satelliten in der Umlaufbahn zu ermöglichen.
Die Zielrichtung des Laserstrahles wird mit Hilfe einer Meß-Unteranordnung
bestimmt, die im Rahmen einer rhomboedrischen Struktur zwei Beugungsgitter
und eine Lokalisierungsanordnung wie oben definiert verbindet. Ein
erstes dieser Beugungsgitter ist in Bezug auf den Laser so positioniert,
dass es von dem größten Teil
der den gesendeten Strahl bildenden Energie ohne Ablenkung durchlaufen
wird und der Rest zum zweiten Gitter gebeugt wird. Der dem gebeugten
Teil des Strahles entsprechende Probestrahl wird durch dieses zweite Gitter
so ausgerichtet, dass ein kleiner Teil dieses Probestrahles, der
einen gedämpften
Probestrahl bildet, auf die Lokalisierungsanordnung gerichtet ist. Die
Achse des Probestrahles ist vorzugsweise so orientiert, dass sie
die Achse der Lokalisierungsanordnung schneidet, wobei das zweite
Beugungsgitter am Schnittpunkt dieser zwei Achsen positioniert ist.
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Das
optische Signal, das den gedämpften Probestrahl
bildet, wird vom stellaren Sensor wie die optischen Signale verarbeitet,
die bei ihm durch das Teleskop ankommen, und die Position dieses
gedämpften
Probestrahles kann durch den mitgeführten Rechner in Bezug auf
diejenigen der himmlischen Lichtquellen bestimmt werden, deren Strahlung gleichzeitig
aufgefangen wird.
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Die
oben beschriebene Anordnung und die diversen funktionsmäßig mehr
oder weniger äquivalenten
Anordnungen haben den Nachteil, dass sie komplex sind, die Anwendung
kostspieliger Komponenten erfordern, deren Anbringung präzise erfolgen muß und unter
strengen Umweltbedingungen, unter denen die Vorrichtung arbeiten
muß, nur
schwer so aufrechtzuerhalten ist, dass hochwertige Ergebnisse insbesondere
hinsichtlich Präzision
und Zuverlässigkeit
erzielt werden können.
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Die
US 5,828,447 beschreibt
eine Ausrichtvorrichtung eines Beobachtungsinstruments, die einen
vor dem Instrument drehbaren Blickrichtungs-Verstellspiegel umfasst
sowie ein Dieder, auf dessen beiden Flächen das Licht einer Lichtquelle nacheinander
reflektiert wird. Das Dieder ist mit dem vor dem Instrument drehbaren
Blickrichtungs-Verstellspiegel verbunden, und die reflektierenden
Facetten des Dieders bilden einen rechten Winkel und vereinigen
sich in einer zu einer Ebene des Blickrichtungs-Verstellspiegels
senkrechten Kante.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine hinsichtlich ihrer Präzision und
Zuverlässigkeit gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten
Art anzugeben.
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Diese
Afgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.Vorteilhaft
um fasst der Weltraumsatellit gemäß Patentanspruch 5 eine solche
Vorrichtung.
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Die
Bestimmung der Zielrichtung wird erreicht durch eine informatische
Verarbeitung, die von einem Rechner anhand von stellaren Bildern,
die in der Umlaufbahn über
einen mitgeführten
Bildaufnehmer vom Typ stellarer Sensor erhalten werden, und von
aufgezeichneten Informationen durchgeführt wird, die die für den stellaren
Sensor je nach Positionierung des Satelliten auf der Umlaufbahn
sichtbaren Konfigurationen von Sternen betreffen.
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Die
Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit
den unten genannten Figuren näher
erläutert.
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1 ist
ein Prinzipschema betreffend ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Bestimmung der Zielrichtung, in der ein Strahl von einem Satelliten
aus gesendet wird.
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2 ist
ein Prinzipschema der in einer Vorrichtung wie in 1 dargestellt
eingesetzten optischen Hohlwürfelstruktur.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung zur Bestimmung der Zielrichtung
ist vorgesehen, um an Bord eines Satelliten 1 mitgeführt zu werden,
der dazu bestimmt ist, um einen Himmelkörper in Umlaufbahn gebracht
zu werden, und der vorgesehen ist, in eine ausgewählte Richtung
einen Strahl F zu senden, wobei dieser Strahl z.B. ein Laserstrahl
ist. Der Strahl F soll von einer Quelle 2 kommen, die in einer
von dem Satelliten mitgeführten
Funktions-Unteranordnung enthalten ist, wobei diese Funktions-Unteranordnung
z.B. eine Fernerfassungseinrichtung vom Lidar-Typ ist, die zu meteorologischen Zwecken
wie etwa Messungen von Windgeschwindigkeiten in der Erdatmosphäre eingesetzt
wird. Der Satellit verwendet ein Positionsbestimmungssystem, das
es ihm ermöglicht,
sich in Bezug auf den Himmelskörper,
um den er umläuft,
zu lokalisieren. Dieses nicht schematich dargestellte System ist
z.B. vom GPS-Typ, wie bei dem von dem oben zitierten Dokument US-A-5
808 732 gelehrten Ausführungsbeispiel.
Der Satellit verwendet ferner ein Lagebestimmungssystem, das es
ihm ermöglicht,
seine Orientierung herauszufinden. Dieses Lagebestimmungssystem
umfaßt
insbesondere eine Vorrichtung 3, die vorgesehen ist, um
die Zielrichtung zu bestimmen, in die der von der Quelle 2 kommende
Strahl F außerhalb
des Satelliten gesendet wird.
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Die
Bestimmung der Zielrichtung erfolgt in an sich bekannter Weise durch
eine informatische Verarbeitung, die hier als mit einem an Bord
des Satelliten mitgeführten
Rechner 4 durchgeführt
angenommen wird.
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Diese
Verarbeitung erfolgt in dem Fachmann bekannter Weise ausgehend von
stellaren Bildern, die am Satelliten in Umlaufbahn über wenigstens
einen mitgeführten
stellaren Sensor 5 erhalten werden, sowie von aufgezeichneten
Informationen, die die Konfigurationen von Sternen betreffen, die
für den stellaren
Sensor je nach Positionierung des Satelliten in Umlaufbahn sichtbar
sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine Anordnung vorgesehen, in der ein stellarer Sensor 5 mit
Achse V und ein optischer Winkelpositionierungsaufnehmer 6 fest
zugeordnet sind, der eine genaue Messung der eventuellen Änderungen
von Richtungen eines Lichtstrahles Fs ermöglicht, den er z.B. quasi senkrecht
an einer empfindlichen Oberfläche
einer Empfängermatrix
vom CCD-Typ empfängt.
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Der
Winkelpositionierungsaufnehmer kann unterschiedliche Detektoren,
insbesondere Oberflächendetektoren,
z.B. vom Typ CCD (Charge Coupled Device) oder Nullregelungsdetektoren,
z.B. vom Vierquadrantentyp, umfassen, wenn die Quelle 2 orientierbar
ist. Dieser Winkelpositionierungsaufnehmer kann auch durch einen
vereinfachten stellaren Sensor gebildet sein.
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Die
Orientierung des-optischen Winkelpositionierungsaufnehmers 6 in
Bezug auf den stellaren Sensor 5 ist nicht kritisch und
kann in Abhängigkeit von
der am Satelliten getroffenen Anordnung festgelegt werden, allerdings
ist sie so realisiert, dass sie unter den Umweltbedingungen, insbesondere
den Temperaturbedingungen, denen diese Elemente an Bord des Satelliten
ausgesetzt sind, erhalten bleibt. Die Aufrechterhaltung der Orientierung
des optischen Aufnehmers in Bezug auf den stellaren Sensor kann
erreicht werden durch eine kontrollierte Montage, die diese Orientierung
ultrastabil macht, sie kann auch durch Befestigung des Winkelpositionierungsaufnehmers
an dem stellaren Sensor erreicht werden.
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In
einer vorgeschlagenen Ausgestaltung ist die Orientierung zwischen
dem Aufnehmer und dem Sensor derart, dass die optische Achse des
Aufnehmers, die der des Strahles Fs entspricht, senkrecht zur optischen
Zielachse V des stellaren Sensors ist, wie schematisch in 1 gezeigt.
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In
der Vorrichtung ist gemäß der Erfindung ferner
eine optische Reflektoranordnung 7 vorgesehen, die dazu
dient, die Erfassung der vom Strahl F verfolgten Zielrichtung zu
ermöglichen,
indem sie einen kleinen Teil des sogenannten einfallenden Strahles
Fi nutzt, der von der Quelle, aus der der Strahl F hervorgegangen
ist, erzeugt wird, wobei dieser Teil einen sogenannten Sekundärstrahl
Fs bildet, der in Richtung des Winkelpositionierungsaufnehmers gelenkt
wird, damit letzterer ihn erfassen kann. Diese Erfassung wird genutzt,
um eine Winkelpositionierungsinformation zu liefern, die an den
Rechner übertragen
wird, wobei letzterer dafür
zuständig
ist, die Zielrichtung anhand der bestimmten Winkelpositionierung
und in Abhängigkeit
von der dann in der oben erwähnten
Weise bestimmten Lage genau zu bestimmen.
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Die
optische Reflektoranordnung 7 ist aufgebaut aus einer Platte 8 und
einem Zweiflächner 9,
die starr in Bezug aufeinander in einer Hohlwürfelmontage angeordnet sind,
die in 2 dargestellt ist. Die Platte 8 und der
Zweiflächner 9 sind
an einem theoretischen Würfel 10 angeordnet,
und zwar die Platte an einer der Flächen C, die eine der Seiten
des Würfels
bilden, in der Nähe
einer der Ecken S des Würfels,
und der andere entlang der Kante des Würfels, die senkrecht zu dieser
Fläche
zu dieser Ecke S führt,
wie in 2 gezeigt. Die realisierte Anordnung weist vorzugsweise
eine Symmetrie in Bezug auf die diagonale Mittelebene des Würfels auf,
auf der sich die Ecke S befindet, wobei sich die Flächen des Zweiflächners 9 dann
an benachbarten Flächen
des Würfels
befinden, die an der Ecke S aufeinandertreffen, und die Platte 8 in
der Nähe
der Ecke S senkrecht zu der durch diese Ecke verlaufenden Diagonalen
des die Seite C bildenden Quadrates angeordnet ist. Der Zweiflächner 9 ist
innen reflektierend. Die Platte ist z.B. halbtransparent mit einem
Transmissionskoeffizienten und einem Reflexionskoeffizienten, die
in Abhängigkeit
von der für
das Lidar vorgesehenen Aufgabe gewählt sind. Gemäß einer
Ausführungsvariante
ist die Platte 8 eine dichroitische Platte, die die Übertragung
einer Wellenlänge
und die Reflexion einer anderen gewährleistet, wobei der Sendelaser
z.B. frequenzverdoppelt oder -verdreifacht ist. Einer anderen Ausführungsvariante
zufolge ist die Platte 8 unter Brewster-Winkel oder nahe
diesem für
eine gegebene Wellenlänge
positioniert, wobei dann der Laser linear polarisiert ist, um die
Transmissionsverluste für
diese Wellenlänge
zu minimieren.
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Die 2 zeigt,
dass mit einer solchen Hohlwürfelanordnung,
ein unter einem geeigneten Winkel, hier in der oben erwähnten mittigen
diagonalen Symmetrieebene schräg
gegen die Platte 8 gerichteter Strahl Fi in bekannter Weise
in einen durch die Platte transmittierten Strahl F, der parallel
zum Strahl Fi austritt, und einen Sekundärstrahl gespalten werden kann,
der von der Platte 8 auf die Kante des geeignet positionierten
Zweiflächners 9 reflektiert
wird. Dieser Sekundärstrahl
wird von dem Zweiflächner 9 in
eine Richtung reflektiert, die antiparallel zur Richtung des Strahles
Fi und folglich zu der des Strahles F ist.
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Eine
solche Anordnung wird eingesetzt für die Platte 8 und
den Zweiflächner 9,
die die optische Reflektoranordnung 7 bilden und die z.B.
aus Quarzglas hergestellt sind. Die Platte 8 ist schräg auf dem Weg
des von der Quelle 2 erzeugten Laserstrahles Fi angeordnet,
wie in 1 schematisch gezeigt. Der Winkel und z.B. eine
auf der den Strahl Fi aufnehmenden Seite dieser Platte abgeschiedene
dichroitische Beschichtung sind so gewählt, dass ein kleiner Teil
dieses Strahles Fi reflektiert wird, wobei dieser Teil z.B. dem
Teil der Strahlung entspricht, der eine Wellenlänge von 0,532 μm hat, wohingegen
der Rest F des Strahles Fi durch die Platte 8 durchgelassen wird,
wobei dieser Rest z.B. die Teile der empfangenen Strahlung mit Wellenlängen von
1,06 und 0,355 μm
umfaßt.
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Wie
oben angegeben, leitet sich der Zielwinkel, unter dem der Strahl
F vom Satelliten aus gesendet wird, direkt von dem des eintreffenden
Strahles Fi ab, zu dem er parallel ist. Der durch sukzessive Reflexionen
an der Platte 8 und dann am Zweiflächner 9 erhaltene
Strahl Fs ist unter den oben genannten Bedingungen antiparallel
zur Richtung des eintreffenden Strahles Fi und damit zur Zielrichtung,
in der der Strahl F gesendet wird, sofern die optische Reflektoranordnung 10 so
konstruiert ist, dass die Positionen der Platte und des Zweiflächners unabhängig von den
vorgesehenen Umweltbedingungen die gleichen bleiben, unter denen
sich die Anordnung befinden kann, wenn der Satellit, zu dem sie
gehört,
in Umlaufbahn ist.
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Dies
kann z.B. erreicht werden, indem der Zweiflächner und die Platte über eine
mechanische Montage starr verbunden werden, die aus einem gegen
Temperaturänderungen
wenig empfindlichen Material gebildet ist. Die Quelle 2,
die Reflektoranordnung 7 und die Anordnung, die wenigstens
einen stellaren Sensor 5 und einen Winkelpositionsaufnehmer 6 verbindet,
sind angeordnet wie in 1 schematisch dargestellt, so
dass der Meß-Sekundärstrahl Fs
zu dem optischen Winkelpositionierungsaufnehmer 6 in einer
Richtung nahe der optischen Achse dieses Winkelpositionsaufnehmers übertragen
wird. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung von Befestigungsmitteln,
die vorgesehen sind, um eine starre Positionierung des optischen
Winkelpositionierungsaufnehmers 6 in Bezug auf den reflektierenden Zweiflächner 9 zu
ermöglichen,
hinter dem er sich befindet. Dies ist realisierbar, soweit die Anordnung,
die den Winkelpositionsaufnehmer 6 und den stellaren Sensor 5 bildet,
nur wenig Energie verbraucht und dissipiert, im Gegensatz zur Quelle 2,
von der sie in der vorgeschlagenen Ausgestaltung getrennt sind. Dadurch
ist es möglich,
die Bestandteile der Zielrichtungsbestimmungsvorrichtung von der
Quelle 2 zu isolieren und infolgedessen die Risiken einer
Ablenkung des gesendeten Strahles zu beseitigen, die anderenfalls
wegen Heterogenität
der Materialien im Falle von Temperaturänderungen an der Vorrichtung verursacht
werden könnten.
Zu beachten ist, dass eine eventuelle Winkeldrehung der Hohlwürfelanordnung
keine Änderung
der antiparallelen Richtung mit sich bringt. Diese Lösung hat
auch den Vorteil, dass sie nicht unbedingt eine Untersuchung der
Abmessungsstabilität
erfordert, mit der genau die Setzbewegungen untersucht werden können, die
auf die Vibrationen und die Entspannung der thermoelastischen Belastungen
der Strukturen zurückgehen.