DK2615418T3 - Fremgangsmåde til forhøjelse af pålideligheden af sensorsystemer. - Google Patents

Description

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til orienteringsbestemmelse af et flyvende objekt ved hjælp af et sensorsystem med flere stjernesensorer, der hver ved hjælp af en optik og en lysfølsom matrixdetektor indsamler udsnit af stjernebilleder, hvor stjernesensorerne har ens eller forskellige synsfelter, forskellige blikvinkler og en evalueringsindretning til beregning af orienteringsinformation af det flyvende objekt ved hjælp af en sammenligning af de indsamlede stjernebilledeudsnit med et stjernekatalog.

Da orienteringsbestemmelsen er afgørende for udførelsen af planlagte missioner, får forhøjelsen af pålideligheden af sådanne systemer en særlig betydning. Stjernesensorerne består af en optik, en lysfølsom matrixdetektor og en evalueringsindretning til beregning af orienteringsinformationer af det flyvende objekt ved hjælp af en sammenligning af de indsamlede stjernebilledeudsnit med et stjernekatalog, der baserer på et inertisystem. Ved anvendelse af flere stjernesensorer i ét system, kan målenøjagtigheden af orienteringen og pålideligheden forhøjes.

En orienteringsbestemmelse af sådanne flyvende objekter, som fx satellitter, rumstationer, rumfærger og lignende, udføres ved hjælp af en fremgangsmåde, hvor data fra én eller flere stjernesensorer, der ved hjælp af et forudbestemt synsfelt er rettet imod et udsnit af stjernehimlen, herefter stjernebilledeudsnit, evalaueres og stjernebilledeudsnittet indsamlet i en matrixdetektor sammenlignes ved hjælp af billedgenkendelse med et stjernekatalog, der står til rådighed i et lager. Efter indordning af stjernebilledeudsnittet, fastslås det flyvende objekts orientering idet eulervinklerne og/eller kvaternionerne bestemmes, eksempelvis efter QUEST-algoritmen, ud fra de målte stjernevektorer og data fra stjernekataloget, og transformeres over på koordinatsystemet af det flyvende objekt fra sensorsystemet koordinatsystem. Jo flere stjerner, der evalueres i sensorsystemet, desto større er dets målenøjagtighed. Ved at indrette de enkelte sensorer i forskellige blinkretninger, opnår man, at fejlene af de tre rumvinkler (eulervinkler) er cirka lige store og minimale.

Fra EP 1 111 402 Al kendes et sensorsystem hvor tre stjernesensorer er arrangeret med synsfelter rettet i forskellige retninger, hvor hver stjernesensor indsamler stjernepositionerne og videregiver disse til en centralevalueringsindretning, hvor orienteringen af sensorsystemet fastslås og orienteringen af det flyvende objekt fastlås ud fra orienteringen af sensorsystemet i forhold til et flyvende objekt

Fra US 6,285,927 Bl kendes en indretning og en fremgangsmåde til bestemmelse af en orientering af et rumfartøj, hvor flere sensorer, der baserer på forskellige målemetoder, til fastsættelse af en orientering af rumfartøjet, fremsender målt og bearbejdet data til en centralcomputer, som udfører en beregning af rumfartøjets orientering.

Fra US 2003/0080255 Al kendes en fremgangsmåde og en indretning til fastsættelse af ladningsfordelingen i et rumfartøj, hvor rumfartøjet omformes afhængigt af ladningen, og de hertil fastgjorte orienteringssensorer derved indsamler orienteringssignaler, der afviger fra hinanden. Det foreslås derfor, at en orienteringssensor, der drives som en slavesensor, korrigeres af en orienteringssensor, der drives som en mastersensor.

Da orienteringen af et flyvende objekt er afgørende for at opfylde den planlagte mission, kræves der en høj pålidelighed af sensorsystemet.

Opfindelsens opgave er derfor, at foreslå et sensorsystem til orienteringsbestemmelse, som omfatter en forbedret nøjagtighed, og kompenserer for eller reducerer forstyrrelser som følge af svigt af enkelte stjernesensorer eller komponenter af systemet.

Opgaven løses ved hjælp af en fremgangsmåde til orienteringsbestemmelse af et flyvende-objekt med et sensorsystem ifølge krav 1, hvor stjernesensorerne står i signalforbindelse med hinanden igennem et bussystem, og der på denne måde, til at sikre en høj målenøj-agtighed også i tilfælde af svigt af komponenter, overføres data. Fortrinsvis er hver stjernesensor i stand til at udføre en orienteringsbestemmelse selvstændigt. I bussystemet udveksles signaler som data fra forskellige databehandlingsniveauer i forskellige bearbejdningsgrader, hvorved effekten af svigt af komponenter af enkelte stjernesensorer på funktionen af stjernesensorerne kan undertrykkes. I udførelsen af fremgangsmåden har det vist sig at være fordelagtigt, at en stjernesensor fastlægges som en mastersensor. Som mastersensor er det foretrukken at vælge en stjernesensor, der har en særlig stabil fastgørelse på en platform af det flyvende objekt. Koordinatsystemerne af de enkelte stjernesensorer resulterer fra x-y-planet af matrixde-tektoren og z-aksen i blikretningen. Et masterkoordinatsystem udgør sensorsystemets koordinatsystem. Masterkoordinatsystemet skal ikke tvangsvis stemme overens med mastersensorens koordinatsystem. Ved hjælp af koordinattransformation kan orienteringsdata fra de enkelte stjernsensorer af sensorsystemet transformeres ind i masterkoordinatsystemet. Ligeledes kan transformationen af masterkoordinatsystemet på koordinatsystemet af det flyvende objekt udføres ved hjælp af en orienteringsmatrix i form af en retningscosinusma-trix, således at det flyvende objekt får den aktuelle og løbende korrigeret orientering i form af eulervinkler og/eller kvaternioner.

De enkelte stjernesensorer består fortrinsvis af et objektiv, matrixdetektoren, et modul til beregning af stjernvektorerne og eliminering af uønskede signaler, et modul med et stjernekatalog til identificering af stjerner, et modul til beregning af orienteringsinformationen, fortrinsvis efter QUEST-algoritmen, en busstyreenhed med busgrænseflade, hvor busstyreenheden udvælger og koder informationerne til bussystemet samt styre bussystemet og udgangsmodulet af orienteringsinformationen af masterkoordinatsystemet eller af det flyvende objekt ifølge det tilgrundliggende inertisystem, så vel som en supervisorenhed, der overvåger alt arbejde af et modul af en sensor, afleder et kvalitetssignal og samarbejder med busstyreenheden og sikrer en hensigtsmæssig informationsudveksling mellem stjernesensorerne afhængig af en kvalitets bestemmende parameter som eksempelvis funktion og fejlfunktion af moduler af de enkelte stjernsensorer og lignende. Yderligere har hver stjernesensorer en taktgiver og en strømforsyningsenhed. Fortrinsvis arbejder stjernesensorerne af sensorsystemet parallelt med deres moduler, det vil sige, i varm redundans. For at forhøje nøjagtigheden af sensorsystemet sammenføres orienteringsinformationen over bussystemet i en funktionsenhed, eksempelvis i mastersensoren. Yderligere er der mulighed for at sammenligne orienteringsinformationen af de enkelte stjernesensorer med hinanden, for at fastslå mulige fejlorienteringer af enkelte stjernesensorer. I tilfælde af svigt af et modul overtager en næste/nærmest stjernesensor funktionen af modulet, der svigtede. Derfor er en hensigtsmæssig informationsudveksling igennem bussystemet nødvendigt. Med tanke om en rationel og omkostningseffektiv produktion er stjernesensorerne af sensorsystemet opbygget ens og anvendelige enkeltvis. Hvis sensorsystemet er opbygget af ensartet stjernesensorer, står der tilstrækkeligt redundante moduler til rådighed, til at sikre en høj pålidelighed ved en tilsvarende styret informationsudveksling mellem stjernesensorerne.

Bussystemet kan udveksle signaler eller data i fortrinsvis tre databehandlingsniveauer mellem stjernesensorerne af sensorsystemet. Sensorsystemet kan udføres redundant eller ikke redundant. Dette betyder at stjernesensorerne kan indsamle forskellige og/eller ens synsfelter.

Et første databehandlingsniveau angår eksempelvis de målte stjernevektor, det er enhedsvektorer i sensorkoordinatsystemet, der indsamles med matrixdetektoren. Dataene er forarbejdet én gang ved at fremmedlyskilder er sorteret fra. De har passeret en analog-digital konvertering, og der er allerede udført en subpixelinterpolation. Omfanget af dataene i dette plan, som skal overføres, afhænger af antallet af stjerner iagttaget i den respektive sensor. I et andet databehandlingsniveau, der er foretrukken til dataudveksling mellem stjernesensorerne, overføres bearbejdet data. Til produktion af dette data er stjernebillede identifikation nødvendigt. Der beregnes udtryk, der skal bruges til udførelsen af QUEST-algoritmen. Fordelen ved en dataoverførelse af denne form er dens reducerede overførelsesomkostninger over signalforbindelsen ved opnåelse af en nøjagtighed, der er sammenlignelig med data fra det første databehandlingsniveau.

Da orienteringsberegningen med stjernesensorer fortrinsvis udføres ved hjælp af den såkaldte QUEST-algoritme, kan en dataforarbejdning i det andet databehandlingsniveau eksempelvis udføres som følger:

Elementerne af en kvarternionvektors q, der gengiver orienteringen af et sensorsystem, kommer fra egenværdierne af 4x4-matrixen K:

(1) (2) (3)

(4) (5) og 3x3-matrixen I. 3x3-matrixen B og vektoren Z indeholder de målte stjernevektorer v, og de tilhørende referencevektorer Wi fra stjernekataloget. På grund af den summerende sammenknytning af stjernevektorerne i ligningerne (2) og (5) kan matrix B og vektor z anvendes som grænsefladeparametre af det andet databehandlingsniveau som forarbejdede stjernevektorer og overføres over bussystemet:

(6) (7)

Bk og Zk er data fra den k-ne stjernesensor. På denne måde opnås der en, i forhold til det første databehandlingsniveau, uforandret nøjagtighed af stjernevektorsammenknytningen ved et mindre antal af variabler, og derved en lavere overførelsesomkostning. I et tredje databehandlingsniveau stilles orienteringsinformationerne i form af eulervinkler og/eller kvarternioner fra hver enkelt stjernesensor parat og transformeres på masterkoordinatsystemet. Dataene kan ligeledes overføres over bussystemet. De beregnede eulervinkler og/eller kvarternioner af de enkelte stjernsensorer afviger generelt uvæsentligt fra hinanden. Den resulterende orientering af det flyvende objekt i forbindelse med masterkoordinatsystemet kan så beregnes ved midling af de tilhørende eulervinkler eller elementerne af kvarternionvektoren. Alternerativt eller supplerende til denne beregningsmetode kan der udføres beregninger af orienteringen af det flyvende objekt på grundlag af det første og/eller andet databehandlingsniveau. Afvigelser fra en forudbestemt parameter af orienteringsdataene, eksempelvis dannet ved midling af de andre stjernesensorer, peger mod en fejlfunktion eller fejlorientering af den pågældende stjernesensor. Orienteringsdataene af de kommunikerende stjernesensorer kan anvendes til korrektur af fejlorienteringer. Orienteringsdataene af mastersensoren, der er særligt stabilt forbundet til platformen af det flyvende objekt, kan bruges til reference. Afvigelserne af orienteringsdataene fra en sensor bruges til beregning af en orienteringsmatrix med hvilken stjernevektorerne af den fejltilpassede stjernesensor transformeres før videre bearbejdning, for således at kompensere for den mulige fejlorientering af en stjernesensor og at forhøje den resulterende nøjagtighed. Anvendelsen af dette databehandlingsniveau til gensidig korrektur af i givet fald eksisterende afvigelser udmærker sig ved en særlig simpel dataoverførelse og en simpel kompensation af i givet fald bestående afvigelser af de fastlagte orienteringer af stjernesenso rerne, eksempelvis i masterkoordinatsystemet, i koordinatsystemet af det flyvende objekt eller i inertisystemet af stjernekataloget.

Samarbejdet af stjernesensorer i forskellige niveauer med forskellige forarbejdningsgrader af dataene muliggør desuden en kompensering ved svigt af moduler af en eller flere stjernesensorer. Det er af særlig betydning da stjernesensorerne er placeret på yderhuden af flyvekorpussen og er udsat for særligt hårde miljøforhold. Når eksempelvis en supervisorenhed af en stjernesensor konstaterer svigt af stjernebillede identifikations modulet, kan stjernevektorerne overføres til en anden stjernesensor, fortrinsvis til mastersensoren. Der kan stjernebillede identifikation og den videre databearbejdning gennemføres.

De tre beskrevne databehandlingsniveauer muliggør en høj fleksibilitet ved en sikker drift af stjernesensorerne. Den følgende tabel 1 giver en oversigt over opførelsen af et sensorsystem på grundlag af typiske ikke afsluttende opførte svigt, hvor forholdene angivet i de med fed trykte tabelrækker, kan løses med den foreslåede fremgangsmåde med forhøjet målenøjagtighed.

Tabel 1

Drift uden driftsforstyrrelser implementeres fortrinsvis igennem mastersensoren, som fortrinsvis modtager Orienteringsinformationen fra de andre stjernesensorer igennem det midterste databehandlingsniveau. De andre stjernsensorer arbejder i varm redundans og levere ligeledes orienteringsinformation, dog med mindre nøjagtighed. Væsentlige afvigelser af den beregnede orientering, i forhold til den af mastersensoren, kan bruges til at korrigere stjernvektorerne af den fejltilpassede stjernesensor ved hjælp af den egnede definition af en retningscosinusmatrix.

Et flyvende objekt indeholder stjernesensorerne, der er optimeret til gennemførelse af fremgangsmåden og er særligt indrettet med hensyn til høj nøjagtighed, lav påvirkning af spredt lys, høj mekanisk stabilitet, høj strålingsmodstandsdygtighed, lavt energiforbrug, lav vægt, tilstrækkelig regnekraft og tilstrækkelig størrelse af stjernekataloget. Fortrinsvis anvendes stjernesensorer, der har et synsfelt på cirka 20° x 20° henholdsvis et cirkelrundt synsfelt på 20°.

De med hinanden forbundet stjernesensorer af et sensorsystem til udførelse af den foreslåede fremgangsmåde kan især ved svigt af en eller flere stjernesensorer anvendes på traditionel vis.

Opfindelsen omfatter ud over den foreslåede fremgangsmåde, et sensorsystem med stjernesensorer, som er forbundet med hinanden, som beskrevet i disse anmeldelsesdokumenter, til udførelse af den foreslåede fremgangsmåde.

Opfindelsen bliver forklaret nærmere ved hjælp af udførelsesformerne vist i figurerne 1 og 2. Her viser:

Figur 1 en skematisk afbildning af et sensorsystem med en bus til at signalforbinde stjernesensorerne,

Figur 2 en skematisk afbildning af en stjernesensor med dens moduler.

Figur 1 viser et sensorsystem 1 installeret i et ikke vist flyvende objekt, med stjernesensorerne 2, 3, 4, der står i signalforbindelse ved hjælp af bussystemet 8. Stjernesensorerne 2, 3, 4 er, i modsætning til den simplificerede afbildning, fortrinsvis indrettet i de tre forskellige rumretninger ved hjælp af deres optiske akser. Ved hjælp af den igennem bussystemet 8 indstillede signalforbindelse, overføres data tovejs fra eksempelvis tre forskellige databehandlingsniveauer, alt efter anvisningerne fra busstyreenheder af de enkelte sensorer 2, 3, 4. Alternativt kan der på stjernsensorerne 2, 3, 4 være tilvejebragt yderligere grænseflader med forskellige signalforbindelser. I drift uden driftsforstyrrelser bliver de forarbejdede signaler af det andet databehandlingsniveau af stjernesensorerne 3 og 4 overført til, som mastersensor udset, stjernesensor 2. I mastersensoren udføres derefter den videre databearbejdelse, fortrinsvis med QUEST-algoritmen og den nødvendige transformation til bestemmelse af orienteringen af masterkoordinatsystemet og orienteringen af det flyvende objekt, i form af eulervinkler og/eller kvarternioner. Parallelt dertil, ved drift uden driftsforstyrrelser, bestemmer stjernesensorerne 3, 4, der ikke er mastersensorer, selvstændigt, ved hjælp af de stjernevektorer de har selv har målt, orienteringerne af stjernesensorer 3, 4 og transformere dem ind i masterkoordinatsystemet. Ved fejlfri funk tion af alle stjernesensorerne 2, 3, 4 resulterer det i, i det væsentlige, ens orienteringsdata med henblik på masterkoordinatsystemet. Hvis mastersensoren i form af stjernesensor 2 svigter, overtager en af stjernesensorerne 3, 4 af sensorsystemet 1 funktionen som mastersensor. Hvis moduler af stjernesensorerne 3, 4, der ikke er mastersensorer, svigter, så sørger supervisorenheden for i hvilke databehandlingsniveauer, der kan overføres signaler til mastersensoren, uden forstyrrelser fra sensoren med driftsforstyrrelser, således at det resulterende orienteringssignal kan bestemmes ud fra flest mulige stjerner. Stjernesensorerne 2, 3, 4 omfatter hver, udover ikke viste forsyningsforbindelser, to udgange, hvor udgangene Ai, A2, A3 videregiver den ikke korrigerede orientering, eksempelvis i form af en kvarternionvektor, medens udgangene Asi, AS2, AS3 hver gengiver en korrigeret orientering af stjernesensorerne 2, 3, 4, eksempelvis i form af en kvarternionvektor, hvor denne fortrinsvist er korrigeret ved hjælp af dataene fra de øvrige stjernesensorer. Udgangene Asi, As2, As3 indsamles af evalueringsindretningen 5 og bliver der fastsat som en sammenfattet orientering, eksempelvis ved hjælp af en tilsvarende vægtning af troværdig orienteringsinformation, undertrykkelse af ikke-troværdig information og lignende, hvilken sammenfattet orientering eksempelvis kan transformeres fra masterkoordinatsystemet til et koordinatsystem af det flyvende objekt og eksempelvis videregives som kvarternionvektor over udgang As til en styring af det flyvende objekt.

Figur 2 viser en skematisk afbildning af stjernesensoren 6, der er i det væsentlige tilsvarende til stjernesensorerne 2, 3, 4 i figur 1, og består af stjernekamera Bl med objektiv og matrixdetektor, en analogdataforarbejdning B2 med efterfølgende AD-konvertering, en digitaldatabearbejdning B3 med centroiding og stjernevektor beregning, en stjernebilledeidentifikation B4 med stjernekatalog, en enhed B5 til beregning af kvarternionerne og/eller eulervinkler, en udgangsenhed B6 med beregning af de resulterende henholdsvis korrigerede orienteringsdata og overførelse af disse til det flyvende objekt over dataledningen 7, en supervisorenhed B7 til at overvåge funktionen af modulerne af stjernesensoren 6, en busstyreenhed B8, en taktgiver B9 og en strømforsyning BIO. I tilfælde af forstyrrelsesfri drift overfører bussystemet 8 fortrinsvist signalerne Bk og Zk af det andet databehandlingsniveau af de øvrige stjernesensorer, til mastersensoren. Hvis supervisorenheden B7 fastslår at der er forstyrrelser, vælges der, afhængigt af det forstyrrede modul, en signaloverførelse, som realiserer den maximale nøjagtighed af sensorsystemet 1 (figur 1). Bearbejdningsenheden 5 (figur 1) til korrektur af orienteringsdata kan både implementeres i stjernesensoren eller som en selvstændig enhed. Selvom alle stjernesensorer fortrinsvist er opbygget ens, kan nogle moduler slukkes eller ikke implementeres afhængigt af driftstilstanden af det flyvende objekt og/eller sensorsystemet, eksempelvis for at spare energi.

Henvisninasteanliste 1 Sensorsystem 2 Stjernesensor 3 Stjernesensor 4 Stjernesensor 5 Evalueringsindretning 6 Stjernesensor 7 Dataledning 8 Bussystem

Ai Udgang A2 Udgang A3 Udgang

Asi Udgang

As2 Udgang

As3 Udgang

As Udgang

Bl Stjernekamera med objektiv og matrixdetektor B2 Analogdataforarbejder og AD-konvertering B3 Digital databearbejdning, Centroiding, Stjernevektorberegning B4 Stjernebilledeidentifikation med Stjernekatalog B5 Beregning af kvarternionerne og/eller eulervinklerne B6 Udgangsgrænseflade B7 Supervisorenhed B8 Busstyreenhed B9 Taktgiver BIO Strømforsyning

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til orienteringsbestemmelse af et flyvende objekt med et sensorsystem (1) med flere stjernesensorer (2, 3, 4, 6), der hver ved hjælp af en optik og en lysfølsom matrixdetektor indsamler udsnit af stjernebilleder, hvor stjernesensorerne har ens eller forskellige synsfelter, forskellige blikretninger og en evalueringsindretning (5) til beregning af orienteringsinformation af det flyvende objekt ved hjælp af en sammenligning af de indsamlede stjernebilledeudsnit med et stjernekatalog, kendetegnet ved, at et første databehandlingsniveau omfatter stjernevektorer, et andet databehandlingsniveau omfatter data fra stjernevektorerne behandlet ved hjælp af stjernekataloget, og et tredje databehandlingsniveau omfatter orienteringsinformationer i form af eulervinkler og/eller kvarternioner fra de respektive stjernesensorer (2, 3, ,4 ,6), og at stjernesensorerne (2, 3, 4, 6) til forbedring af målenøjagtigheden udveksler data imellem hinanden fra mindst ét databehandlingsniveau via et bussystem (8).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1 kendetegnet ved, at dataet fra mindst én stjernesensor (2, 3, 4, 6,) fra mindst ét databehandlingsniveau overføres til en anden fejlagtig arbejdende stjernesensor (2, 3, 4, 6) ved hjælp af bussystemet (8).

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2 kendetegnet ved, at dataene fra mindst et databehandlingsniveau af mindst én stjernesensor (2, 3, 4, 6) overføres på evalueringsindretningen (5), eller en stjernesensor (2, 3, 4, 6) der anvendes som mastersensor.

4. Fremgangsmåden ifølge et af kravene ltil3kendetegnet ved, en orientering af det flyvende objekt fastslås ved hjælp af en midling af dataene fra mindst én af databehandlingsniveauerne.

5. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1 til 4 kendetegnet ved, at en fejlfunktion af en stjernesensor (2, 3, 4, 6) fastslås ved hjælp af en forudbestemt afvigelse i mindst ét databehandlingsniveau i forhold til en middelværdi af de andre stjernesensorer (2, 3, 4, 6).

6. Fremgangsmåde ifølge et at kravene 1 til 5 kendetegnet ved, at en fejl og/eller en fejlorientering af en stjernsensor (2, 3, 4, 6) korrigeres ved hjælp af dataene fra mindst ét databehandlingsniveau af mindst én stjernesensor (2, 3,4, 6).

7. Fremgangsmåde ifølge et af kravene ltil6kendetegnet ved, at en stjernesensor (2, 3, 4, 6), der i sammenligning med de andre stjernesensorer (2, 3, 4, 6) er særligt fast forbundet til en platform af det flyvende objekt, fastlægges som en mastersensor, hvor mastersensorens data mindst indgår i ét databehandlingsniveau med forhøjet vægtning i en bestemmelse eller korrektur af en orientering af det flyvende objekt og eller korrektur af en stjernesensor (2, 3, 4, 6).

8. Sensorsystem (1) til orienteringsregulering af et flyvende objekt med flere stjernesensorer (2, 3, 4, 6), der hver ved hjælp af en optik og en lysfølsom matrixdetektor indsamler udsnit af stjernebilleder, hvor stjernesensorerne har ens eller forskellige synsfelter, forskellige blikretninger og en evalueringsindretning (5) til beregning af orienteringsinformation af det flyvende objekt ved hjælp af en sammenligning af de indsamlede stjernebilledeudsnit med et stjernekatalog, til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1 til 7.