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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Ausrichten eines
Beobachtungsinstruments.
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Sie stellt eine Verbesserung einer Patentanmeldung mit
analogem Titel und denselben Erfindern dar, angemeldet in
Frankreich unter der Eintragungsnummer 93 14872, in der ein System
beschrieben wurde, das insbesondere durch das
Beobachtungsinstrument, eine Quelle eines mit dem Instrument verbundenen
Lichtmusters, ein Reflexionssystem des Lichts der Quelle und einem
Sensor für das Licht des Musters gebildet wurde. Das
Reflexionssystem wurde durch wenigstens einen Spiegel gebildet, der die
Funktion hatte, das Licht des Lichtmusters auf den Lichtsensor zu
lenken, der mit einem Ausrichtungsbezugssystem versehen war. Es
konnte sich insbesondere um einen Sternensensor handeln, der
gleichzeitig mit dem Muster das Licht eines Sterns detektiert. Der
Vergleich der Abbildungspositionen des Musters und des Sterns
ergaben den Winkelabstand zwischen der Richtung des Sterns und der
Abstrahlungsrichtung des Lichtmusters vor dem Reflexionssystem.
Davon wurde die Ausrichtung des Instruments abgeleitet. Bei
anderen Konzeptionen war der das Lichtmuster auffangende Sensor
fest mit einem Sternensensor oder etwas anderem verbunden, um das
Ausrichtungsbezugssystem zu liefern, was dasselbe Resultat ergab.
Jedoch wurde als Ausrichtungsbezugssystem, wegen der Immobilität
der Sterne in einem festen Bezugssystem und wegen der Schärfe
ihrer Abbildung, ein Sternensensor vorgezogen. Vor allem ist es im
Sinne einer höheren Genauigkeit vorteilhaft, die Blickrichtung in
bezug auf die Sterne zu messen.
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Der Vorteil eines Sternensensors erklärt sich auch dadurch,
daß die vorhergehende Erfindung vor allem in Raumfahrzeugen wie
Satelliten, interplanetaren Sonden oder Raumstationen benutzt
wird, die mit Sternen- sowie Erdbeobachtungsinstrumenten
ausgestattet sind. Dasselbe gilt für die vorliegende Erfindung.
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Die genaue Kenntnis der Blickrichtungsachse eines
Beobachtungsinstruments ist wesentlich, wenn man den beobachteten
Ort richtig lokalisieren will. Gegenwärtig kann man einen im Umlauf
befindlichen Satelliten praktisch perfekt lokalisieren (mit
Unsicherheiten von 10 bis 100 m für das GPS-System und nur 0,5 bis
40 m für das DORIS-System, je nach den Bedingungen), während die
globale Ausrichtung der Blickrichtungsachse der
Beobachtungsinstrumente in der Praxis nur mit einer Unsicherheit von
bestenfalls 100 bis 200 Bogensekunden bekannt ist, was für einen
Satelliten mit 800 km Höhe ungefähr 400 bis 800 m
Positionsunsicherheit am Boden entspricht. Obwohl diese
Blickrichtungsunsicherheit an sich gering ist, möchte man sie
reduzieren, da sie fast die gesamte Lokalisierungsunsicherheit
darstellt.
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In der Praxis begegnet man drei Kategorien von
Instrumenten. Die der ersten Kategorie werden auf dem Fahrzeug
befestigt, das man folglich als Ganzes drehen muß, um das
entsprechende Instrument auszurichten. Dieses Konzeption wird
insbesondere aufgrund des hohen Energieverbrauchs wenig geschätzt.
Die Ausrichtungsunsicherheit der Blickrichtungsachse des
Instruments hängt dann vor allem von der Montage des Instruments
auf dem Fahrzeug ab und kann hoch sein aufgrund von Störungen wie
Vibrationen oder Verformungen durch lokale Erwärmungen, die auf
einer Seite des Fahrzeugs durch die Sonnenstrahlung auftreten. Die
beiden anderen Kategorien von Instrumenten umfassen folglich die
Instrumente, die mit Mechanismen zum Ausrichten des Instruments
auf dem Fahrzeug ausgerüstet sind, und - gegenwärtig noch häufiger
- diejenigen Instrumente, die auf dem Fahrzeug feststehen aber mit
Blickrichtungs-Verstellspiegeln ausgerüstet sind, die sich vor dem
Beobachtungsfeld des Instruments befinden und seine Blickrichtung
beliebig verändern können, indem sie gedreht werden. Die
Blickrichtungsachsen lassen sich dann sehr viel leichter
ausrichten. In allen Fällen sind die beweglichen Mechanismen oder
die Spiegel für zusätzliche Ausrichtungsunsicherheiten
verantwortlich.
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Das Dokument US-A-4 187 422 beschreibt ein System zur
Kalibrierung der Ausrichtung eines Sternensensors durch die
Projektion eines Lichtmusters durch eine mit dem Sensor fest
verbundene Quelle auf ein Prisma, das die Abbildung des Musters
auf den Sensor reflektiert; die Position der Abbildung auf dem
Sensor ergibt die Ausrichtung dieses letzteren.
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Bei der vorhergehenden Anmeldung wurde gezeigt, wie die von
der Quelle stammenden Lichtstrahlen, abgestrahlt in eine in bezug
auf die Blickrichtungsachse bekannte Richtung (im Prinzip parallel
zu ihr) und durch das Reflexionssystem auf den Lichtsensor
reflektiert, ermöglicht haben, die Richtung der
Blickrichtungsachse mit einer viel höheren Genauigkeit zu
bewerten, so daß die Lokalisierungsunsicherheit am Boden nur
einige zehn Meter betrug.
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Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Ausrichten eines
Beobachtungsinstruments zum Gegenstand, die ein Prinzip aufgreift,
das bei der vorhergehenden Anmeldung benutzt wird, nämlich die
Materialisierung der Blickrichtung des Instruments durch einen
Lichtstrahl, der geeignet ist, ein Lichtmuster auf einer
Oberfläche zu erzeugen und der auf einen Lichtsensor gelenkt wird,
jedoch wird eine wenigstens ebenso genaue Schätzung der
Blickrichtungsachse mit der Erfindung erzielt, dank speziell an
diese Vorrichtung angepaßter optischer Einrichtungen, die
insbesondere weitgehend unempfindlich gegenüber Positions- oder
Ausrichtungsverschiebungen sind, die sich nach der vorausgehenden
Kalibrierung der Vorrichtung ereignen.
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Die Vorrichtung umfaßt dann eine mit dem Instrument
verbundene, ein Lichtmuster in die Fokalebene des Instruments
abstrahlende Lichtquelle, ein Reflexionssystem mit Spiegeln und
einen Lichtsensor, ausgestattet mit einem
Ausrichtungsbezugssystem, wobei das Reflexionssystem so konzipiert ist, daß es das
Licht der Quelle zum Sensor überträgt und die Spiegel ein Dieder-
Element mit zwei Facetten umfassen, auf denen das Licht der Quelle
nacheinander reflektiert wird. Dabei ist diese Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausrichtvorrichtung einen vor dem
Instrument drehbaren Blickrichtungs-Verstellspiegel umfaßt, und
dadurch, daß das Dieder-Element mit dem vor dem Instrument
drehbaren Blickrichtungs-Verstellspiegel verbunden ist, wobei die
reflektierenden Facetten des Dieder-Elements einen rechten Winkel
bilden und sich in einer zur Ebene des Blickrichtungs-
Verstellspiegels senkrechten Kante treffen. Bei dieser
Ausführungsgruppe sind noch Verbesserungen möglich.
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Die Erfindung wird nun mehr im Detail beschrieben mit Hilfe
der beigefügten, erläuternden und nicht einschränkenden Figuren:
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- die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Fokalebene des
Beobachtungsinstruments,
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- die Fig. 2 ist eine Vorderansicht der Fokalebene der
Vorrichtung,
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- die Fig. 3 ist eine Ansicht eines Teilausrichtsystems mit einem
feststehenden Beobachtungsinstrument,
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- die Fig. 4 stellt eine Ausführungsvariante dar,
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- die Fig. 5 zeigt eine optische Einrichtung vor einem
Lichtsensor,
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- die Fig. 6 zeigt ein Blickrichtungs-Erkennungsverfahren,
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- die Fig. 7 zeigt eine vollständige Ausrichtvorrichtung,
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- die Fig. 8 zeigt eine Ausrichtvorrichtung in Verbindung mit
einem erfindungsgemäßen Blickrichtungs-Verstellspiegel,
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- die Fig. 9 und 9A zeigen den Aufbau bzw. die Beschaffenheit
des Dieder-Elements,
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- die Fig. 10 zeigt eine Variante der Fig. 3,
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- und die Fig. 11 zeigt partiell eine verbesserte
Ausrichtvorrichtung für ein System mit Blickrichtungs-Verstellspiegel.
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In den Fig. 1 und 2 ist die Fokalebene des
Beobachtungsinstruments und die Lichtquelle, die ihm als
Ausrichtungsbezugssystem dient, mit der Blickrichtungsachse A dargestellt. Das
Instrument 1 weist eine glatte Vorderseite 2 auf, die mit der
Fokalebene eines optischen Systems 3 (dargestellt in Fig. 3)
zusammenfällt, das sich vor dem Instrument 1 befindet und sich in
dessen Beobachtungsfeld ausdehnt. Das optische System 3 wird durch
eine Fokussierlinse symbolisiert, kann aber alle üblichen Elemente
in beliebiger Kombination umfassen. Eine Detektorenanordnung 4,
hier gebildet durch den Aufnahmeteil des Instruments 1, ist quer
über die Vorderseite 2 angeordnet.
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Die Lichtquelle wird hier durch vier Punkte 5 gebildet, die
rhombusförmig auf der Vorderseite 2 um die Detektorenanordnung 4
herum angeordnet sind. Man hat in der vorhergehenden Anmeldung
gesehen, daß eine einzige, punktförmige Lichtquelle nicht genügt,
denn sie ermöglicht nicht, bestimmt Rotationen des Instruments 1
festzustellen, insbesondere nicht die Rotationen um seine
Abstrahlachse, daß aber zwei Quellen genügen und eine größere
Anzahl wünschenswert sein könnte, um eine größere Genauigkeit
herzustellen. Eine Diode 6 kann genügen, um alle Lichtpunkte 5
herzustellen, wenn man ihr Licht in ein Bündel optischer Fasern 7
,einspeist, über die sie mit jedem der Punkte 5 verbunden ist. Man
kann eine LED-Diode 6 oder eine Lasereffektdiode nehmen, wobei
letztere vorzuziehen ist, denn sie liefert feinere Lichtbündel von
weniger zerstreuter Wellenlänge. Eine Wellenlänge von 0,95 um kann
vorgeschlagen werden; die Lichtpunkte 5 sind sehr fein, z.B. mit
20 um Durchmesser, und das Licht wird in Form von im wesentlichen
parallelen Bündeln von geringer Divergenz abgestrahlt, die man mit
einfachen Lichtstrahlen vergleichen kann.
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Die Fig. 3 zeigt, wie diese Strahlen 8 und 9 defokussiert
sind, wenn sie das optische System 3 durchquert haben und dann
verbreiterte Bündel 11 und 12 bilden, die ungefähr das gleiche
Volumen einnehmen. In der Figur sind nur zwei Lichtstrahlenbündel
dargestellt, aber es gibt in Wirklichkeit ebensoviele wie
Lichtpunkte 5. Die Bündel weisen eine geringe
Ausrichtungsdifferenz Δα auf, die den Bruchteil eines Grads ausmachen kann
und die gleich derjenigen der Lichtstrahlen ist, aus denen sie
hervorgegangen sind; diese Ausrichtungsdifferenz Δα ist in Fig.
3 übertrieben, genauso wie die Divergenz der Lichtstrahlen 8 und
9.
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Ein optisches Dieder-Element 13 befindet sich auf dem Weg
der Bündels 11 und 12, um davon einen Teil aufzufangen. Es wird
gebildet durch zwei reflektierende Facetten 14 und 15, auf die die
aufgefangenen Teile der beiden Bündel 11 und 12 nacheinander
auftreffen, wobei diese Facetten sich in einer Kante 16 treffen,
die senkrecht ist zu der Blickrichtungsachse A des Instruments 1.
Das Dieder-Element 13 ist an einem Raumfahrzeug 18 befestigt, wie
das Instrument 1.
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Die Teile der Bündel 11 und 12, die durch das Dieder-
Element 13 aufgefangen werden, werden nacheinander auf den
Facetten 14 und 15 reflektiert und zurückgestrahlt, indem sie
Reflexionsbündel 19 und 20 bilden. Die Facetten 14 und 15 stehen
so zueinander, daß sie einen Winkel von 45º bilden. Diese
spezielle Form weist bemerkenswerte Eigenschaften auf: eine
mögliche Rotation des Dieder-Elements 13 um die Achse Z herum
verändert die Ausrichtung der reflektierten Bündel 19 und 20
nicht; eine Translation des Dieder-Elements 13 in den Achsen X, Y
(22,5º zu den Facetten 14 und 15) und Z hat auch keine Auswirkung
auf diese Ausrichtung; die Rotation dieses Dieder-Elements um die
Achsen X und Y hat nur die Auswirkung, die reflektierten Bündel 19
und 20 in einer zu der Ebene der Achsen X und Y parallelen Ebene
zu drehen, wobei sich diese Eigenschaft bei den Rotationen um die
Achse Y herum deutlich bestätigt und mit einem kleinen Fehler,
vernachlässigbar für die kleinen Rotationsänderungen, den man in
der Praxis um die Achse X herum antrifft, denn dieser Fehler ist
von zweiter Ordnung (eine zusätzliche Rotation von 10&supmin;&sup6; Radian der
reflektierten Bündel wird erzeugt für eine Rotatotion von 10&supmin;³
Radian des Dieder-Elements 13).
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Die reflektierten Bündel 19 und 20 erreichen dann ein
zweites Dieder-Element 21, am Raumfahrzeug 18 befestigt und
gebildet durch zwei Facetten 22 und 23, die einen Winkel von 45º
bilden, das sie nacheinander in Form von Reflexionsbündeln 25 und
26 auf einen Ausrichtsensor 34 reflektiert.
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Diese Facetten 22 und 23 bilden mit der der Achse X
gegenüberstehenden Achse X' und der zur Achse Y parallelen Achse
Y' jeweils einen Winkel von 22,5º. Sie treffen sich in einer Kante
24, die mit einer zu Z parallelen Achse umgekehrter Richtung
zusammenfällt. Das zweite Dieder-Element 21 hat dieselben
optischen Eigenschaften wie das erste und insbesondere die
Richtungsstabilisierungseigenschaften der reflektierten Strahlung,
denn es weist dieselbe Form auf. Da die Facetten einen Winkel von
45º bilden, bilden die durch die Dieder-Elemente 13 und 21
reflektierten Strahlen einen rechten Winkel mit den eintreffenden
Strahlen. Man stellt fest, daß eine Rotation des ersten Dieder-
Elements 13 um die Achse X oder Y herum, die als Konsequenz eine
Rotation der reflektierten Bündel 19 und 20 um eine zur Achse Y
parallele Achse hat, dieselbe Auswirkung wie eine Rotation des
zweiten Dieder-Elements 21 um die Achse X' oder Y' auf die
Ausrichtung der Reflexionsbündel 25 und 26 hat, die derjenigen der
Bündel 11 und 12 entgegengesetzt ist, vollkommen parallel zu
ihnen, wenn die Dieder-Elemente 12 und 21 genau angeordnet sind
und wenn sie nur durch Rotationen in einer einzigen Ebene
abgelenkt werden können, senkrecht zu der Figur oder parallel zu
den durch die Achsen Y und Z oder Y' und Z' definierten Ebenen.
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Eine äquivalente Konzeption ist in Fig. 4 dargestellt: die
Dieder-Elemente 13 und 21 sind durch Dieder-Elemente 13' und 21'
ersetzt, deren Facetten 14' und 15' oder 22' und 23' wieder Winkel
von 22,5º mit Achsen X, Y, X' oder Y' bilden, ähnlich der Fig. 3,
aber mit dem Unterschied, daß hier die Facetten Winkel von 135º
bilden. Die optischen Eigenschaften der Dieder-Elemente 13' und
21' sind dieselben wie die der Dieder-Elemente 13 und 21 und das
Resultat bezüglich der reflektierten Bündel 19, 20 und der
Retourbündel 25, 26 ist dasselbe, mit dem einzigen Unterschied,
daß die Reflexionen auf den Facetten 15' und 23' denen auf den
Facetten 14' und 22' vorausgehen.
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Der Ausrichtsensor 34 kann von einer Art sein, die gut
angepaßt ist an das Messen kleiner Sehfelder (z.B. ein räumlicher
Winkel mit vier Seitengraden). Wie in Fig. 5 zu sehen, befindet
sich vor seinem Gehäuse 27 eine zylindrische Hülle 28, an deren
Eingang man ein Filter 29 sieht, das nur die durch die Diode 6
erzeugten Wellenlängen durchläßt. Ein Teil der Reflexionsbündel 25
und 26 dringt außerhalb eines Sekundärspiegels 30 ein, der das
Zentrum des Gehäuses 27 besetzt, wird aber durch einen
Primärspiegel 31 auf ihn reflektiert, der beginnt, sie zu
fokussieren. Eine zweite Fokussierung erfolgt durch den
Sekundärspiegel 30, der die Reflexionsbündel 25 und 26 gegen den
Primärspiegel 31 reflektiert, die aber in Wirklichkeit dessen
zentrales Loch 32 passieren.
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Die Reflexionsbündel 25 und 26 erreichen schließlich ein
quadratisches matrixförmiges Detektorengitter, das das sensible
Element des Ausrichtsensors 26 bildet. Sie sind dann nahezu
fokussiert und bilden ein Muster aus Lichtpunkten 35, das dieselbe
Anzahl Punkte wie die Lichtquelle umfaßt. Der Verlust an
defokussiertem Licht, verursacht durch das Licht, das von den
Dieder-Elementen 13 und 21 und den Spiegeln 31 und 32 nicht
aufgefangen wird oder von ihnen absorbiert wird, bewirkt nämlich
nur eine Schwächung des Lichtmusters 35, deformiert es aber nicht.
Der einzige detektierte Effekt entspricht den Ausrichtungen der
Lichtstrahlen 8 und 9, die gewählt werden, damit die Bündel 11 und
12, 19 und 20 sowie 25 und 26 auf das Detektorengitter 33
konvergieren, dessen Oberfläche reduziert bzw. klein ist.
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Wenn die Lichtpunkte 5 symmetrisch sind in bezug auf die
Blickrichtungsachse A, ebenso wie die Richtungen ihrer Strahlen 8
und 9, endet ein in der Blickrichtungsachse abgestrahlter und in
den Dieder-Elementen 13 und 21 reflektierter Strahl in der Mitte
des Bildpunktemusters 35, d.h. im Punkt 36.
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Ein in den Ausrichtsensor 34 integriertes elektronisches
System mißt die Position der Punkte 35 und berechnet die des
Punkts 36. Es kann vom Fachmann gebaut und programmiert werden und
wird daher hier nicht beschrieben. Bei einer vorgesehenen
Ausführung, wo das Detektorengitter (33) 1024 Detektoren auf
jeder Seite umfaßt, die ebensovielen Bildpunkten mit 23 um
Seitenlänge entsprechen, von denen jeder sich über ungefähr 13,5
Bogensekunden erstreckt, sorgt man dafür, daß die Bildpunkte sich
über drei Detektoren erstrecken. Der Punkt 36 kann dann mit einer
Positionssicherheit berechnet werden, die einer Winkelunsicherheit
von zwei Bogensekunden entspricht.
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Es ist wahr, daß der Punkt 36 wegen der möglichen
Rotationen der Dieder-Elemente 13 und 21 nicht dem durch eine
Strahlung erreichten Punkt entspricht, die in der
Blickrichtungsachse abgestrahlt wird. Die Lösung dieses Problems
läßt sich mit Hilfe der Fig. 7 erklären. Hier sieht man eine
andere Reflexionsvorrichtung mit insbesondere zwei Dieder-
Elementen 40 und 41, vergleichbar den Dieder-Elementen 13 und 21,
die einen anderen Teil der Strahlen 11 und 12 auffangen, um sie
auf den Ausrichtsensor 34 zu lenken. Insbesondere sieht man wieder
reflektierte Strahlen 42 und 43 zwischen den neuen Dieder-
Elementen 40 und 41 und Reflexionsbündel 44 und 45 zwischen dem
neuen zweiten Dieder-Element 41 und dem Ausrichtsensor 34. Die die
neuen Dieder-Elemente 40 und 41 durchlaufende Strahlung breitet
sich in einer anderen Ebene als der der alten Dieder-Elemente 13
und 21 aus: in Wahrheit will man, daß diese Ebenen möglichst einen
rechten Winkel bilden, kann sich aber mit einem Winkel C von 60º
zufriedengeben, z.B. je nach Anordnungszwängen und insbesondere
der Breite der Bündel 11 und 12 und der, Entfernung der zweiten
Dieder-Elemente 21 und 41 und des Ausrichtsensors 34 des
Instruments 1.
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Das neue System aus den Diedern 40 und 41 projiziert ein
zweites Muster aus Lichtpunkten 46 auf das Detektorengitter 33,
dessen Mittelpunkt 47 berechnet werden kann. Es handelt sich um
ein zweites Bild aus Lichtpunkten 5, dessen Entfernung von dem
ersten, aus Lichtpunkten 35 bestehenden Bild von den Rotationen
abhängt, denen die Reflexionsbündel 25, 26 und 44, 45 ausgesetzt
sind. Man hat gesehen, daß diese Rotationen zu gut definierten
Ebenen gehören, die sich hier dank des Winkels C der beiden
Diederelementesystemen 13, 21 und 40, 41 schneiden. Es genügt
also, die Geraden D1 und D2 zu berechnen, längs derer sich die
Mittelpunkte 36 und 47 aufgrund dieser Rotationen verschieben, um
die Richtung der Blickrichtungsachse A abzuleiten. Wenn nämlich
eine vorausgehende Kalibrierung der Vorrichtung Bildmittelpunkte
36o und 47o ergibt, genügt es, nach einer Parallelverschiebung in
den Geraden D1 und D2 die Abstände d1 und d2 der Punkte 36o und 36
sowie 47o und 47 zu messen, das heißt, daß z.B. der Abstand d1 der
Abstand des Punkts 36o von seiner Projektion auf der durch D1
verlaufenden Geraden D1 ist. Nach einer entsprechenden Berechnung
kann man die Blickrichtung A mit einer Genauigkeit von fünf
Bogensekunden ermitteln.
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Der Ausrichtsensor 34 mit kleinem Sehfeld für ein auf dem
Fahrzeug 18 befestigtes Instrument 1, dessen Blickrichtungsachse
sich mit der Zeit kaum bewegt in bezug auf das Fahrzeug, empfängt
nur die Strahlung der Lichtquelle und besitzt deswegen kein
eigenes Ausrichtungsbezugssystem. Man vervollständigt ihn durch
Sternensensoren 49, die fest mit ihm verbunden sind und so
angeordnet sind, daß die sie zu jedem Zeitpunkt die Strahlung
eines Sterns beobachten können. Ein interessante Anordnung besteht
darin, den Ausrichtsensor 34 und die Sternensensoren 49 auf den
beiden Seiten einer starr mit dem Fahrzeug 18 verbundenen
Tragplatte anzubringen. Bei dieser Anwendung, wo das Fahrzeug 18
ein künstlicher Satellit ist, und das Instrument 1 die Erde oder
einen anderen Himmelskörper beobachtet, den das Fahrzeug
überfliegt, sind die Sternensensoren 49 entgegengesetzt zum
Instrument 1 ausgerichtet, in Richtung Himmel, und der
Ausrichtsensor 34 folglich in Richtung Himmelskörper. Dies ist der
Grund, warum die Strahlung der Lichtquellen um 180º reflektiert
werden muß und ein Paar Dieder-Elemente pro Abbildung auf dem
Detektorengitter 33 benutzt wird.
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Man kann sich auch vorstellen, keine ausreichende Anzahl
Sternensensoren 49 vorzusehen, die zu jedem Zeitpunkt die Position
des Ausrichtsensors 34 liefern, sondern weniger Sternensensoren
49, die eine Ausrichtmessung nur von Zeit zu Zeit ermöglichen und
die man durch einen gyroskopischen Sensor oder dergleichen
vervollständigt, der ihre Messungen in der restlichen Zeit
ersetzt.
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In der Folge wird die Fig. 8 erläutert, wo erklärt wird,
wie ein erfindungsgemäßes System mit einem Instrument 1 ausgeführt
werden kann, das - im übrigen denen der vorangehenden Figuren
entsprechend - mit einem optischen System 3 mit Lichtquellen 5
versehen ist sowie mit einem Blickrichtungsverstellspiegel 50, der
sich, angetrieben von einem Motor 52, um eine Achse 51 dreht und
das aus einer Blickrichtung stammende Licht, variabel mit der
Ausrichtung des Blickrichtungsverstellspiegels 50, auf das
Instrument 1 reflektiert.
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Man bringt ein erstes Diederelement 53, detailliert in
Fig. 9, auf einer Seite des Blickrichtungsverstellspiegels 50 an.
Es wird im wesentlichen durch zwei zueinander rechtwinklige
Facetten 54 und 55 gebildet, die sich in einer zur Rotationsachse
51 und zur reflektierenden Oberfläche des
Blickrichtungsverstellspiegels 50 senkrechten Kante 56 treffen. Wie bei der
vorhergehenden Ausführung werden die von den Lichtquellen
stammenden Strahlen auf eine der Facetten 54 (oder 55) und dann
auf die andere 55 (oder 54) reflektiert und verlassen das erste
Diederelement in Form von reflektierten Strahlen. Es wurden hier
nur der Strahl 11 und der reflektierte Strahl 19 dargestellt.
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Die Form des ersten Diederelements 53 verleiht ihm zusammen
mit seiner Position auf dem Blickrichtungsverstellspiegel
vorteilhafte wenn auch etwas verschiedene Eigenschaften bezüglich
derjenigen der Diederelemente 13 und 21. Zunächst verändern
zufällige Parallelverschiebungen des ersten Diederelements 53 die
Richtung des reflektierten Strahls 19 ebensowenig wie die
Rotationen um die Kante 56. Der reflektierte Strahl 19 bleibt
parallel zur Blickrichtung B und dieser letzteren entgegengesetzt,
denn die Kante 56 ist senkrecht zu der reflektierenden Oberfläche
57. Festzustellen ist, daß die Erfindung praktikabel bleibt, wenn
die Kante 56 nicht rigoros senkrecht zu dieser Oberfläche ist,
dabei einen kontstanten Winkel mit ihr bildend, denn der
reflektierte Strahl 19 behält einen konstanten Winkel mit der
Blickrichtung B bei.
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Man kann auch noch ein zweites Diederelement 59 vorsehen,
dessen Form mit der des ersten Diederelements 53 identisch ist und
dessen Kante 60 koplanar mit der Kante 56 ist und ungefähr
dieselbe Richtung aufweist. Die reflektierenden Facetten der
beiden Diederelemente 53 und 59 stehen sich gegenüber, so daß das
reflektierte Bündel 19 durch die Facetten 61 und 62 des zweiten
Diederelements 59 reflektiert wird, um wieder in Form eines
Reflexionsbündels 24 auf einen Ausrichtsensor 66 reflektiert zu
werden. Das zweite Diederelement 59 ist immobil in bezug auf das
Beobachungsinstrument 1 und folglich in bezug auf den Statelliten.
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Das zweite Diederelement 59 läßt sich wie folgt
rechtfertigen. Da der Winkelausschlag des
Blickrichtungsverstellspiegels 50 eine große Amplitude haben kann, wie z.B. 27º (±13,5º)
beim Satelliten Spot, muß der Ausrichtsensor 66 ein größeres
Sehfeld haben, als bei den vorhergehenden Ausführungen, denn das
reflektierte Bündel 19 oder das Reflexionsbündel 24 hat eine
Richtung, die sich um das Doppelte dieser Amplitude verändert
aufgrund der Reflexion auf dem Diederelement 53. Es ist daher
nützlich, einen Sternensensor als Ausrichtsensor 66 zu verwenden,
um ihn zusätzlich zum Bild der Lichtquellen Bezugssterne
detektieren zu lassen. Man greift dann auf eine schon in der
vorhergehenden Anmeldung benutzte Konstruktion zurück, die aber
dazu zwingt, den Ausrichtsensor richtig auszurichten. Wenn das
Instrument 1 ungefähr in Richtung Horizont der Achse ausgerichtet
ist und wenn der Blickrichtungsverstellspiegel im wesentlichen
eine rechtwinklige Reflexion des bei dem Instrument 1
eintreffenden Lichts bewirkt, so daß die Blickrichtungsachse B in
Richtung Nadir bzw. Fußpunkt gerichtet ist, ist der reflektierte
Strahl 19 in Richtung Zenith gerichtet und das zweite
Diederelement 59 lenkt ihn in Richtung Horizont oder in Richtung
Himmelskörper ab. Die Öffnung des Ausrichtsensors 66 ist dann auf
einen Teil des Himmels gerichtet. In der Praxis muß man hier vor
ihm eine semireflektierende Platte 67 anordnen, senkrecht zu der
Kante des zweiten Diederelements 59, damit das Licht des
reflektierten Bündels 24 ihn durchquert, sodann, daß das Licht der
Sterne eines Teils des Himmels auf den Ausrichtsensor 66
reflektiert wird, indem es die andere Seite der
semireflektierenden Platte 67 erreicht.
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Zurückkehrend zur Fig. 9 wird nun erklärt, wie das
Diederelement 53 beschaffen ist. Es handelt sich in Wirklichkeit
um ein Quarzprisma 70 mit dreieckförmigem Querschnitt,
hauptsächlich abgegrenzt durch zueinander senkrechte,
reflektierende Facetten 54 und 55 und eine transparente Facette
71, durch die das Licht in das Quarzprisma 70 eintritt und es
verläßt, nachdem es reflektiert wurde. Die reflektierenden
Facetten 54 und 55 sind durch Metallisierung mit einer
reflektierenden Schicht 72 oder 73 überzogen.
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Die anderen Diederelemente dieser Beschreibung können alle
auf dieselbe Weise hergestellt werden, d.h. aus einem Quarzprisma
mit zwei metallisierten Facetten. Jedoch können die Diederelemente
13, 21, 12' und 21' einen vierseitigen Querschnitt haben, wieder
mit einer Lichteintritts-Facette, 74 und 74' für die
Diederelemente 13 und 13', und mit einer Lichtaustrittsfacette, jeweils
75 und 75' für dieselben Diederelemente (Fig. 3 und 4). Selbst
dann, wenn ein Prisma durch eine Rotation bewegt wird, heben sich
die Wirkungen der Strahlenbrechung an Eingang und Ausgang auf, so
daß der reflektierte Strahl rechtwinklig zum eintreffenden Strahl
bleibt. Die transparente und plane Facette 71 des Diederelements
53 hat dieselbe ausgleichende Wirkung auf die Strahlenbrechungen.
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Die Beschreibung wird nun abgeschlossen mit einigen
Ausführungsvarianten der hauptsächlichen, bisher dargestellten
Lösungen, die die Erfindung nicht betreffen. So kann die
Vorrichtung der Fig. 3 durch die der Fig. 10 ersetzt werden, die
sich von ihr durch das Fehlen des Ausrichtsensors 34
unterscheidet. Die Tragplatte 90 für die Sternensensoren 49 ist
dann mit einer reflektierenden Seite versehen, die an der Stelle
des Ausrichtsensors 34 einen Spiegel 91 bildet. Die
Reflexionsbündel 25 und 26 werden durch den Spiegel 91 auf die
Diederelemente 21, 13 und schließlich, auf das Instrument 1 reflektiert
durch rückläufige Strahlen, nacheinander 92, 93 und 94, die nur
skizziert sind, denn ihre Weggesetze sind denen der gegen den
Spiegel 91 abgestrahlten Strahlen ähnlich.
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Das Instrument 1 hat dann selbst die Aufgabe, seine
Ausrichtung auf dem Fahrzeug 18 und noch genauer in bezug auf die
Tragplatte 90 zu messen, die als Bezugssystem dient. Die
Ausrichtungsfehler der Diederelemente 13 und 21 haben hier keine
Folgen wegen der Ablenkungskompensation der rückläufigen Strahlen
92 bis 94: die Verschiebungen des Bilds der Lichtpunkte 5 auf dem
Instrument 1, berechnet aufgrund eines während einer
vorausgehenden Kalibrierung der Vorrichtung hergestellten Bezugsbilds,
hängen nur von der Rotation des Instruments 1 um die
Blickrichtungachse A seit dieser Kalibrierung ab.
Selbstverständlich muß das Instrument 1 dieser Detektion entsprechen,
insbesondere indem es ein ausreichendes Sehfeld hat. Daher könnte
die Detektorenanordnung 4 zu klein sein und müßte wahrscheinlich
ersetzt werden durch ein rechteckiges oder quadratisches
Detektorengitter wie dasjenige 37 des Ausrichtsensors 34. Man kann
auch ein Instrument 1 mit schmalem Sehfeld beibehalten, indem man
die Anzahl der Lichtpunkte 5 erhöht, um sich zu vergewissern, daß
immer wenigstens zwei durch das Instrument 1 wahrgenommen werden.
Man achtet dann unter diesen Bedingungen darauf, sie unterscheiden
zu können, entweder durch eine ausreichend unregelmäßige Anordnung
oder durch unterschiedliche Wellenlängen.
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Die Lösung der Fig. 10 weist die Nachteile auf, in der
Praxis größere Diederelemente zu erfordern, um die rückläufigen
Strahlen 92 und 93 aufzufangen, sowie eine genaue Einstellung der
Brennweite des optischen Systems 3, ermöglicht aber, den
Ausrichtsensor 34 wegzulassen. Obgleich gegenwärtig nicht
bevorzugt, ist eine spätere Änderung der Bewertung nicht
auszuschließen.
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Die Fig. 11 zeigt eine Umgestaltung des Systems der Fig.
8, die vorteilhaft ist bei Blickrichtungsverstellspiegeln 50 mit
großem Winkelausschlag, bei denen man das Diederelement 53, ja
sogar das zweite Diederelement 59 verlängern muß. Der
Blickrichtungsverstellspiegel 50 wird dann durch das Diederelement
53 und ein komplementäres Diederelement 53' flankiert, das dem
vorhergehenden entspricht, aber in bezug auf dieses etwas um die
Rotationsachse 52 gekippt ist. Dank dieser Anordnung wird ein Teil
der Strahlen wie z.B. 11 über einen Teil des Winkelausschlags des
Blickrichtungsverstellspiegels 50 durch das Diederelement 53
aufgefangen und reflektiert, und ein anderer Teil der Strahlen
wird über den restlichen Winkelausschlag durch das komplementäre
Diederelement 53' aufgefangen und reflektiert. Es kann noch einen
Ausschlag-Mittelteil geben, für den die Messung gleichzeitig über
die beiden Diederelemente 53 und 53' gemacht wird. Es ist entweder
für jedes der Diederelemente 53 und 53' jeweils ein Sternensensor
66 vorhanden, oder nur ein einziger Sternensensor 66, wenn die
Diederelemente 53 und 53' auf derselben Seite des
Reflexionsspiegels angeordnet sind.