DE69512487T2

DE69512487T2 - Sensoreinrichtung zur Erderfassung für einen Satelliten oder Ähnliches mit einer pyroelektrischen Detektormatrix

Info

Publication number: DE69512487T2
Application number: DE69512487T
Authority: DE
Inventors: Michel Tulet
Original assignee: Matra Marconi Space France SA
Current assignee: Matra Marconi Space France SA
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1995-08-14
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2015-08-15
Also published as: EP0697786A1; JPH08178688A; US5585633A; FR2723810A1; EP0697786B1; FR2723810B1; DE69512487D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft terrestrische Sensorvorrichtungen, die dazu bestimmt sind, in Satelliten oder Weltraumfahrzeugen eingesetzt zu werden, um die Erde zu beobachten. Solche Vorrichtungen haben eine besonders wichtige Anwendung in den Steuersystemen zur Einstellung von Satelliten, wobei die Systeme dazu bestimmt sind, den Satelliten insgesamt oder Vorrichtungen, die er trägt, gegen die Erde oder eine bestimmte Zone der Erde auszurichten. Auf jeden Fall sind diese auch für andere Zwecke verwendbar und zwar für solche, welche die Feststellung von Bränden grosser Ausdehnung betreffen.
In der Hauptanwendung ist es die Funktion der terrestrischen Sensorvorrichtung, die Position und die Ausrichtung des Satelliten in Bezug auf das Zentrum der Erdscheibe zu messen. Sie liefert Informationen, die es dem System erlauben, die Winkel der Längenversetzung (d. h. entlang der Nord-Süd-Achse) und der Breitenversetzung (entlang der Ost-West-Achse) in Bezug auf das Zentrum der Erde zu bestimmen.
Derzeit verwenden terrestrische Sensorvorrichtungen individuelle Elemente, wie z. B. Bolometer, die in der Brennebene einer Optik angeordnet sind, und sie umfassen Abtasteinrichtungen, die es ermöglichen, die Positionen der Übergänge Weltraum-Erde und Erde-Weltraum in mehreren Zonen der Erdscheibe zu bestimmen. Der Großteil der verwendeten Vorrichtungen tastet gleichzeitig oder abwechselnd Bänder beiderseits der Äquatorial-Ebene ab. Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Position von solchen Bändern 10a, 10b, 10c und 10d in Bezug auf das Bild 12 der Erdscheibe, wenn der Satellit in seiner Anweisungsausrichtung ist. Nur drei von vier Übergängen a, b, c und d erweisen sich als notwendig. Der vierte Übergang liefert eine Redundanz und erlaubt es, den vorteilhaftesten Satz der drei Bänder auszuwählen, wenn die Sonne in einer derartigen Position ist, dass eine der Abtastungen durch die Anwesenheit der Sonne gestört wird.
Ein grosser Nachteil dieser bekannten Vorrichtungen ist die Notwendigkeit von Abtasteinrichtungen, die einen Mechanismus mit beweglichen Bauteilen aufweisen. Ein solcher Mechanismus ist komplex und seine Zuverlässigkeit ist eingeschränkt, und zwar weil er unter extremen Bedingungen, die im Weltraum vorliegen, funktionieren muss. Im Falle, dass die Ermittlung durch Mono-Elemente bewirkt wird, stellt die Zeit der Integration des Infrarotlichtes, das von einem bestimmten Punkt stammt, nur einen sehr kleinen Teil des Messzyklus dar.
Im übrigen ist (US-A-5,055,689) ein Sensor für den Erdhorizont bekannt, der eine Optik zur Formation eines Bildes der Erde aufweist, welche wenigstens zwei Teleskope umfasst, die jeweils ein Bild auf einem Balken oder "linearen Feld" von pyroelektrischen Elementen bilden, wobei die Balken unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Die pyroelektrischen Elemente reagieren nur auf Temperaturvariationen, und sie sind hinter einem optischen Kommutator angeordnet, der abwechselnd gegen sie das Bild einer zu beobachtenden Szene und das Bild einer gleichmässigen Referenzszene richtet.
Ebenso ist (EP-A-0 803 240) ein Sensor bekannt, dessen Sensorelement eine Matrix IT-CCD ist. Um die Auflösung zu erhöhen, wird der Sensor auf eine Art und Weise in Vibrationen versetzt, dass er aufeinanderfolgend zwei Raster eines überlagerten Bildes liefert.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, eine terrestrische Sensorvorrichtung zu schaffen, die besser als die bereits früher bekannten, den praktischen Anforderungen genügt, insbesondere dadurch, dass sie weder eine Abtastung noch Kommutator verwendet.
Innerhalb dieses Ziels schlägt die Erfindung insbesondere eine terrestrische Sensorvorrichtung für einen Satelliten gemäss Anspruch 1 vor.
Die Erfindung wird besser durch die nachfolgende Beschreibung von besonderen Ausführungsformen verstanden, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben werden. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen:
- die bereits erwähnte Fig. 1 ein Schema des Prinzips ist, das die klassische Art und Weise der Ermittlung der Versetzung eines geostationären Satelliten in Bezug auf die Erde zeigt;
- die Fig. 2 schematisch die Zonen des Sensors einer Vorrichtung gemäss der Erfindung zeigt, wobei die Zonen ein Signal im Falle der Oszillation des Sensors entlang einer zu der Äquatorial-Ebene parallelen Richtung liefern;
- die Fig. 2A eine Detailansicht der Fig. 2 ist;
- die Fig. 3 ein Schema des Prinzips der Erfassungseinrichtungen der Ausgangssignale und der Steuerung der Oszillationen ist;
- die Fig. 4, ähnlich zu der Fig. 2, das Bild zeigt, das auf dem Sensor in dem Falle eines Satelliten mit niedriger Umlaufbahn gebildet ist.
Ein Satellit, der sich auf einer geostationären Umlaufbahn befindet, sieht die Erde unter einem Winkel von ungefähr 17,5º. Die Erde besteht, gesehen vom Weltraum aus, ungefähr aus einem schwarzen Körper mit der Temperatur von 300 K, wohingegen der Himmelshintergrund aus einen schwarzen Körper mit einer Temperatur von 4 K besteht. Wenn die Vorrichtung ein rechteckiges Netz 16 von pyroelektrischen Detektoren verwendet, kann das Bild der Erde insgesamt auf diesem durch eine einfache Optik 18 (Fig. 3) abgebildet sein. In der Praxis ist eine Optik vorgesehen, für die jede Seitenhalbierende des Detektors 16 einem Sichtfeld von 20º · 20º entspricht, wie in Fig. 2 angedeutet ist. Der eben genannte Detektor ist auf einem Tisch 20 angeordnet, dem es durch eine Bewegungseinrichtung 22, die aus Oszillationseinrichtungen besteht, ermöglicht wird, in seiner Ebene zu oszillieren, das heisst senkrecht zur optischen Achse 24, und zwar mit einer Amplitude, die wenigstens einem Verteilungsschritt P der pyroelektrischen Detektoren des Netzes entspricht. Die Bewegungseinrichtung 22 ist in vorteilhafterweise vorgesehen, um eine Oszillation hervorzurufen, die parallel zu der Ebene des Erdäquators ist, wenn die Ausrichtung des Satelliten korrekt ist. In der Praxis überschreitet die Amplitude nicht 5 p. Ein Wert zwischen p und 2,5 p wird im allgemeinen beste Ergebnisse liefern.
Diese Oszillation ermöglicht es, die Tatsache zu verwenden, dass die pyroelektrischen Detektoren nur auf Temperaturvariationen reagieren. Folglich wird nur ein Ausgangssignal durch die pyroelektrischen Detektoren geliefert, die innerhalb der geschnittenen Zonen in der Fig. 2 liegen. Innerhalb der Zonen in der Nähe der Pole erzeugt jeder Punkt des Randes der Erdscheibe nur ein Ausgangssignal auf einen einzelnen pyroelektrischen Detektor. Demgegenüber bilden mehrere Detektoren ein Ausgangssignal, das mehr oder weniger intensiv auf Grund der relativen Erscheinungsdauer der Erdscheibe und des Weltraums ist, für die Zonen in der Nähe des Äquators. Die Fig. 2A zeigt beispielhaft, dass jeder Punkt des Randes der Erdscheibe innerhalb einer Zone in der Nähe des Äquators zwei Signale erzeugt, die von zwei pyroelektrischen Detektoren in einer Zeile stammen.
Der Verteilungsschritt p der pyroelektrischen Detektoren des Netzes ist von der Art, dass die geforderten Versetzungen nicht einige hundert Mikrometer überschreiten. Folglich kann die Bewegungsseinrichtung aus einem deformierbaren Element gebildet sein, das keine bewegliche Komponente aufweist. Dieses deformierbare Element kann insbesondere ein Stapel von Plättchen aus piezoelektrischem Material sein, der sehr einfach in Gang zu setzen ist. Die ausgeübten Kräfte sind gering, da nur der Detektor und nicht seine mechanische Halterung versetzt werden müssen.
Alle pyroelektrischen Detektoren erhalten gleichzeitig den Lichtstrom. Um ein sequentielles Einlesen der auf diese Art erfassten Informationen zu ermöglichen, ist das Netz von Detektoren in vorteilhafter Weise an eine Matrix aus Ladungsübertragungselementen, oder ein CCD gekoppelt, und zwar zum sequentiellen Einlesen Zeile für Zeile. Eine andere Lösung besteht in der Verwendung eines Ausgangs-Multiplexers.
Der eben genannte Detektor ist mit einer Elektronik verbunden, die von dem in Fig. 3 gezeigten Typ sein kann. Sie umfasst eine Ablaufschaltung 26, die eine Schaltung mit einer Ausgangsleistung 28 umfasst, die dazu bestimmt ist, die Bewegungseinrichtung 22 mit einer Frequenz und mit einer vorbestimmten Phase anzuregen. Die Ablaufschaltung 26 steuert auch eine Elektronik 30 zur Erfassung des Bildes, wobei ein simultanes Einlesen der Ausgangssignale der unterschiedlichen elementaren pyroelektrischen Wandler bewirkt wird. Schliesslich weist eine Verarbeitungsschaltung 32 eine mehr oder weniger komplexe Zusammensetzung auf und zwar insbesondere gemäss der gewünschten Präzision der Lokalisation.
In einem einfachen Ausführungsbeispiel vergleicht die Schaltung 32 das Ausgangssignal, das jedem Pixel entspricht, d. h. welches durch jeden elementaren pyroelektrischen Detektor geliefert wird, mit einem Schwellenwert und speichert nur die Adressen der Pixel, die zugleich:
- ein Ausgangssignal über der Schwelle liefern,
- den Breitengraden zwischen zwei Grenzwerten, beispielsweise zwischen 30º und 60º entsprechen.
Mit den derart gespeicherten Werten kann die Verarbeitungsschaltung 32 einen Mittelwert bilden, der es ermöglicht, die Winkel der schlingernden und schwankenden Versetzung durch klassische Algorithmen zu berechnen.
In einem besser ausgearbeiteten Ausführungsbeispiel werden die Adressen und die Niveaus von jedem der Pixel, für die das Ausgangssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, gespeichert. Die Messwerte für jede Linie der Pixel werden digitalisiert und verarbeitet, um die Versetzungen und Übergänge von Weltraum-Erde und Erde-Weltraum mit einer Auflösung zu bestim men, die geringer als ein Pixel sein kann. Wenn einmal alle Werte der Übergänge gespeichert sind, kann die Schaltung das Zentrum des Kreises bestimmen, für das die mittlere quadratische Abweichung der Übergänge am geringsten ist.
Im Falle eines Satelliten mit niedriger Umlaufbahn wird die Erde unter einem offensichtlich zu grossen Durchmesser gesehen, damit die Gesamtheit des Bildes auf das Netz projiziert werden kann. Für einen gewöhnlichen Erdbeobachtungs- Satelliten kann der Winkel, unter dem die Erdscheibe gesehen wird, 110º überschreiten. In diesem Fall wird die Optik 18 durch eine Sichtfeldaufteilungseinrichtung vervollständigt, die aus einem reflektierenden Tetraeder oder einem Satz von Spiegeln gebildet ist und die es ermöglicht, auf das Netz nur die Bögen des Randes der Erdscheibe zu projizieren, typischerweise bei Breitengraden zwischen 30º und 45º, wie es die Fig. 4 zeigt.
Beispielhaft ist eine terrestrische Sensorvorrichtung für einen geostationären Satelliten bestimmt worden, die ein Netz von pyroelektrischen Detektoren vom Typ TCS THX7441A der Firma Thomson verwendet. Das Netz umfasste 128 · 128 pyroelektrische Detektoren, die mit einem Schritt von 85 gm verteilt waren, wobei die Grösse von jedem Pixel 81 · 81 um war. Die Sichtweite, die durch die Optik gegeben war, betrug 20º · 20º, was für jedes Pixel einen Sichtwinkel von 0,157 · 0,157º entspricht. Die Versetzung, die durch die piezoelektrische Bewegungseinrichtung gegeben war, betrug 80 bis 200 Mikrometer. Die Erfassungsfrequenz des Bildes, das durch das Netz geliefert wurde, betrug 10 Hz. Die Übertragung des Signals wurde mittels einer Leseeinrichtung bewirkt, die durch eine Matrix von 512 · 512 CCD-Elementen gebildet war.
Die Verarbeitungseinrichtung 32 war vorgesehen, um die Pixel, die ein Signal lieferten, das ein Schwellenniveau überschritt, zu identifizieren und zu konservieren, und die Adresse des Übergangspixels Weltraum-Erde und die Adresse des Übergangspixels Erde-Weltraum für jede Linie zu speichern. Die Schaltung be wirkte eine Suche nach einem Mittelwert, die es ermöglichte, eine bessere Genauigkeit als ein Viertel eines Pixels auf jeder Linie zu erhalten.
Mit diesen Vorgaben wurden die Werte der schlingernden und schwankenden Versetzung berechnet, und zwar für die Sehnen der Erdscheibe, die eine Länge entsprechend einem Breitengrad zwischen 45º und 55º aufweist.
Eine solche Verarbeitung ermöglicht es, eine relativ einfache Schaltung zu verwenden, die nicht über einen programmierten Taschenrechner hinausgeht.

Claims

1. Terrestrische Sensorvorrichtung für einen Satelliten oder ein Weltraumfahrzeug, die umfaßt:

- eine Optik (18) zur Formation eines Bildes der Erde in einer Fokalebene, und

- einen Detektor, der in der Fokalebene angeordnet ist und gebildet ist aus einem zweidimensionalen Netz von pyroelektrischen Detektoren (16), einer Einrichtung (22) zur Oszillation des Netzes innerhalb der Fokalebene, und zwar senkrecht zu der optischen Achse der Optik zur Bildformation, mit einer bestimmten Frequenz und mit einer Amplitude, die wenigstens genauso groß ist wie ein Verteilungsschritt (p) der Detektoren, und

- eine Einrichtung (30, 32) zum Erfassen der Ausgangssignale der Detektoren mit der Frequenz und zum Vergleichen der Ausgangssignale mit einem Schwellenwert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Oszillationseinrichtung wenigestens einen piezoelektrischen Wandler umfaßt, der zwischen einer Halterung (20) und dem Netz angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Netz mit der Erfassungseinrichtung über eine Integrations- und Ladungsübertragungseinrichtung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, die dazu bestimmt ist, einen Sensor für den Erdhorizont in einem geostationären Satelliten zu bilden, wobei die Vorrichtung eine Optik (18) zur Bildformation umfaßt, die vorgesehen ist, das Bild der Gesamtheit der Erdscheibe auf dem Netz zu bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die dazu bestimmt ist, einen Sensor für den Erdhorizont in einem Satelliten mit niedriger Umlaufbahn zu bilden, wobei die Vorrichtung eine Optik zur Bildformation umfaßt, die vorgesehen ist, das Bild aus vier regelmäßig aufgeteilten Bogen des Randes der Erdscheibe zu bilden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Oszillationsvorrichtung (22) vorgesehen ist, um eine Amplitude der Oszillation zu erzeugen, die zwischen einem und 2,5 Verteilungsschritten der Detektoren liegt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Ermittlungs- und Speichereinrichtungen für den Ort der Übergänge Weltraum-Erde und Erde-Weltraum auf zumindest bestimmten Linien des Netzes, mit einer Suche eines Mittelwerts, um eine höhere Genauigkeit als ein Viertel eines Pixels auf jeder Linie zu erhalten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Linien Breitengraden zwischen 30º und 60º, vorzugsweise 45º und 55º entsprechen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Ermittlungseinrichtung vorgesehen ist, um die Adressen und die Pegel von jedem der Pixel, für die das Ausgangssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, zu speichern und eine Interpolation durchzuführen.