DE2644777A1 - Schwungmoment stabilisiertes, aktives dreiachsen-satelliten-lagesteuersystem - Google Patents

Schwungmoment stabilisiertes, aktives dreiachsen-satelliten-lagesteuersystem

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Description

Patentanwalt· £" Dr.-Ing. Ernst Sommerfeld
7990-76 Dr" Dieter v· Bezold
Dipl.-Ing. Peter Schütz
RCA 69724 Dipt -Ing. Wolfgang Heusler
Ü.S. Ser.No.724,577 8München86, Postfach860668
vom 23.Sept.1976
RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)
SCHWUNGMOMENT STABILISIERTES, AKTIVES DREIACHSEF-SATELLITEN-LAGESTEUERSYSTEM
Die Erfindung "betrifft einen aktiv in drei Achsen gesteuerten Satelliten.
Gewisse zur Erde ausgerichtete Satelliten verwenden für ihre Lagesteuerung einen dreiachsigen Reaktionskreiselsatz. Eine genaue Lagesteuerung kann mit Steuerdrehmomenten erzielt werden, die durch drei Reaktionskreisel entwickelt werden, in "bezug auf von Sensoren abgeleiteten Lagefehlerinformationen. Die drei Reaktionskreisel sind in dem Satelliten derart angebracht, daß
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ihre Achsen parallel zu drei rechtwinkligen Raumkoordinatenachsen liegen, um die die Lagesteuerung vorgenommen v/erden soll. Pur einen auf die Erde weisenden Satelliten ist eine der Kreiselachsen deshalb parallel zu seiner Neigungsachse ausgerichtet, die nominell parallel zum Orbit-Normal verläuft. Die anderen beiden Kreiselachsen sind mit der Satellitenrollachse (Geschwindigkeitsvektor) und der Bahnabweichungsachse (Ortsvertikale) ausgerichtet. Wenn keine großen äußeren Störmomente auftreten, wird ein derartiges Satellitensystem als praktisch Nullmomentsystem bezeichnet, da das über die Zeit gemittelte Reaktionskreiselmoraent um jede Achse praktisch Null ist.
Bestimmte andere, zur Erde orientierte Satelliten verwenden einen einfachen Reaktionskreisel, der sich um eine Achse dreht, die in der Neigungsachse des Satelliten orientiert ist und im Mittelwert mit einem von Null abweichenden Moment arbeitet, um die Bahnabweichungsachse des Hauptrumpfteils des Satelliten mit der Ortsvertikalen ausgerichtet zu halten, während die Schwerkraftstabilität des Kreisels die Neigungsachse zum Orbit-Normal ausgerichtet hält. Ein derartiges Satellitensteuersystem ist Schwungmoment stabilisiert und befindet sich in den RGA-SATCOM I und RCA-SATCOM II Satelliten, die auf Synchronorbits zur Erde stehen, wie auch noch in mehreren anderen Satelliten, die die Erde umkreisen. Eine wesentliche Eigenart des Schwungmoment stabilisierten Systems besteht darin, daß die Winkelstellung des Satellitenkörpers nur um die Rollachse und um die Neigungsachse gemessen werden muß, während die kompliziertere Mess yng se^er Neigung zur Bahn entfällt.
Bei der dreiachsig stabilisierten lage-
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steuerung von Satelliten nach der Nullmomentart wird ein Lagebezug für jede der drei Achsen benötigt, um sie in der gewünschten Lage und Orientierung zu halten. Während die Erde selbst (für den Fall eines die Erde umkreisenden Satelliten) als Bezug ausreicht, um Neigungs- und Rollachsenfehler festzustellen, was mit Hilfe eines Horizontsensors geschehen kann, sind zur Bildimg der Bahnabweichungsachsen-Information andere Hilfsmittel erforderlich wie die Sonne, bestimmte Sterne, Funkfeuer und/oder Kreiselkompasse.
Um die Verwendung beweglicher mechanischer Anordnungen wie mit hoher Geschwindigkeit umlaufender Rotoren wie etwa Kompaßkreisel zu vermeiden oder, auch die Betriebsschwierigkeiten beim Erfassen von Sternen, kann die Sonne als bequemes Hilfsmittel benutzt werden, um Abweichungen von der Bahnbewegungsachse für den nicht im Schatten befindlichen Abschnitt des Orbit zu ermitteln. Die Sonne wird dann· als Bahnabweichungsbezug bezeichnet„ In der Umgebung der Mittags- oder Mitternachtstellung des Satelliten kann jedoch die Sonne nicht als Bahnabweiehungsbezug wirken, da dann die Bahnabweichungsachse nahezu mit der Verbindungslinie zur Sonne zusammenfällt, was sich in einer stark verminderten Empfindlichkeit bemerkbar macht. Bei genauer Übereinstimmung der Bahnabweichungsachse mit der Verbindungslinie zur Sonne ist überhaupt kein Bahnabweichungssignal erzielbar. Der Betrieb eines Nullmomentsystems ohne Bahnabweichungsfehlereingabe für diese Blindbereiche hat eine verschlechterte Richtungssteuerung zur Folge. Auf diesem Mangel bei einem Nullmoment-Dreiachsensystem, das hinsichtlich seiner Bahnabweichungsachsensteuerung von der Sonne als Bezug abhängt, beruht es, daß mit dem Nullmomentsystem eine äußerst genaue Lagesteuerung
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nicht erreichbar ist, wo lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit andere, komplexere Bahnabvreichung Sachs en Steuerungen ausgeschlossen sind.
Gemäß der Erfindung wird ein in drei
Achsen stabilisierter Satellit geschaffen mit einer Momentvorbelastung in der Bahnabweichungsachse. Die Momentvorbelastung wird bei einer Ausführungsform in Gestalt von drei, zueinander im rechten Winkel angeordneter Reaktionsräder verwirklicht, die parallel zur Rollachse, Neigungsachse und Bahnabweichungsachse des Satellitenrumpfes ausgerichtet sind, wobei das Neigungsrad mit einer von Null abweichenden mittleren Geschwindigkeit und das Rollrad und das Bahnabweichungsrad mit einer mittleren Geschwindigkeit von Null arbeiten.
Die Erfindung hat den Torteil, daß die Stabilität der Kreiselträgheit des resultierenden Neigungsmomentes eine gespeicherte Größe darstellt, die die nominelle Lage der Bahnabweichungsachse während der Zeit aufrecht erhält, in der überhaupt nicht oder mit verminderter Empfindlichkeit von der Sonne Bahnabweichungsfehlersignale abgeleitet werden können, so daß auf diese Weise die Auswirkung von Störmomenten klein gehalten werden kann. Die Überwachung der Bahnabweichungsachse während der Blindphasen, welche durch die nicht erwünschte Ausrichtung von Satellit, Erde und Sonne verursacht wird, wird durch das Moment um die Neigungsachse verbessert gegenüber dem Betrieb mit Nullmomentsystem während dieser Phasen,
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden drei oder mehr Reaktionsräder gegeneinander
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versetzt angeordnet, und die Drehzahl dieser Räder wird so gewählt, daß die Vektorsumme ihrer Momente über eine längere Zeit gemittelt zur Heigungsach.se nicht Null ergibt, während die entsprechenden Vektorsummen zur Rollachse und zur Bahnabweichungsachse praktisch Null sind. Werden Tier oder mehr Räder vorgesehen, läßt sich eine erhöhte Zuverlässigkeit erzielen, da mit der entsprechenden Steuerelektronik immer drei Räder eine vollständige Steuerung durchführen können.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung im einzelnen nochmals erläutert. Es zeigen:
Figur 1: Die Erfindung schematisiert an einem
Satelliten, der sich auf der Umlaufbahn befindet.
Figur 2: Ein Blockschaltbild des Lagesteuersystems
für den Satelliten in Figur 1;
Figur 3: ein Vektordiagramm der Raddrehzahlen und
Winkelmomente des Satelliten aus Figur 1;
Figur 4: ein Schemadiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Raumflugkörpers nach der Erfindung, worin die Räder nicht nach den Hauptachsen des Satelliten ausgerichtet sind, sondern wo vielmehr die Vektorsumme der Momente in die jeweiligen Hauptachsen fällt;
Figur 5: ein Blockschaltbild eines Lagesteuersystems
des Satelliten aus Figur 4;
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Figur 6: ein Vektordiagramm der schräg aufeinanderstellenden Kreiselradmomente, aus denen sich die Vektorsummen in den Hauptachsen des Satelliten nach Figur 4- ergeben.
Vorweg sei auf einen auf die Erfinder
selbst zurückgehenden Artikel hingewiesen, der auf der AIAA/CASI 6. Kommunikationssatellitensystem-Konferenz vom 5. - 8. April 1976 in Montreal, Ganada vorgelegt wurde unter dem Titel "A Few Concept for Control of Communication Satellite Using Residual Pitch Momentum (RPM)",
In der Figur 1 ist schematisch ein Satellit 10 auf einem Orbit 12 dargestellt, der einen Orbitmittelpunkt wie etwa die Erde 14 umkreist. Der Satellit kann sich auf einem Synchronorbit bewegen auf der Erweiterung der Äquatorialebene 16 der Erde, Die Erfindung kann bei Satelliten eingesetzt werden, die sich auf irgendeinem beliebigen Orbit befinden. Bei einem Synchronorbit erscheint der Satellit über einem festen Punkt der Erdoberfläche am Äquator 16 stillstehend. Die Rumpfhauptachsen des Satelliten haben hier die üblichen Bezeichnungen erhalten, nämlich die Feigungsachse (pitch axis) 18, die Rollachse (roll axis) 20 und die Bahnabweichungsachse (yaw axis) 22, wobei alle diese Achsen vom Schwerpunkt des Satelliten 10, räumlich aufeinander senkrecht stehend, ausgehen. Die Bahnabweichungsachse ist auf den Punkt auf der Erdoberfläche gerichtet, über dem der Satellit steht, und wird deshalb Ortsvertikale genannt. Die Neigungsachse steht nominell normal auf der Ebene des Orbit 12, während die Rollachse nominell parallel zum Geschwindigkeitsvektor verläuft, wenn es sich bei dem Orbit um eine Kreisbahn handelt.
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Drei Reaktionskreisel, nämlich ein Neigungskreisel 24, ein Rollkreisel 26 und ein Bahnabweichungskreisel 28, sind auf dem Satelliten derart angebracht, daß ihre Achsen parallel zu den zugehörigen Rumpfachsen, 18, 20 und 22, verlaufen. Aus Sicherheitsgründen können sämtliche Kreiselräder in an sich "bekannter Art aus mehreren Einzelrädern zusammengesetzt sein. Zusätzlich weist der Satellit zwei oder mehr Sonnensensoren 30, eine Steuerelektronik 32 und Roll- und Neigungssensoren 34 auf.
In dem in Figur 2 dargestellten Block-
diagramm des Lagesteuersystems ist die Zusammenschaltung und Anordnung der verschiedenen Komponenten des Satelliten dargestellt. Der Block 11 stellt die dynamische Größe des Satellitenkörpers 10 selbst dar. Bewegungen des Satelliten 10 gegenüber einem gewünschten Bezug werden als Abweichungen der Satellitenrumpfbewegung (Bahn 36) gewertet, die Anlaß geben, daß die Sonnensensoren 30 Sonnensensor-Abweichungssignale erzeugen im Bezug zur angestrebten Bezugsbahn, die dann an Koordinatenübertragungs-Elektronikschaltungen 32-1 weitergeleitet werden. Abweichungen der Satellitenbewegung werden auch vom Erdsensor 34 festgestellt, der die Rollabweichung wiedergebende Signale erzeugt sowie Neigungsabweichungssignale, welche auf Kreiselantriebs-Elektronikschaltungen 32-2 für die Rollabweichung und 32-3 für die Neigungsabweichung über Signalpfade 38 und 40 gegeben werden.
Die Kreiselantriebselektronik 32-2 für Rollabweichungssignale erzeugt Steuersignale, mit denen die Drehzahl und die Richtung des Rollkreisels 34 gesteuert wird; die Kreiselantriebselektronik 32-3 für Nei-
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gungsabweichungssignale erzeugt Steuersignale, mit denen nur die Drehzahl des Heigungskreisels 26 gesteuert wird, während die Richtung des Meigungskreisels nicht geändert wird bei dieser Betriebsweise. Biese Steuersignale v/erden über Signalpfade 42 und 44 geleitet. Die Auswirkungen der Schwungmomentänderung des Rollkreisels 24, des tfeigungskreisels 26 und des Bahnabweichungskreisels 28 auf den Satelliten können der Satellitendynamik 11 entnommen werden, die auf diese Wirkungen über die Pfade 46 und 48 anspricht.
Die Sonnensensoren 30 geben ein Abweichungssignal bei einer Abweichung des Sonnenwinkels ab, der durch eine gestörte Bewegung des Satelliten einen falschen Wert angenommen hat, wodurch die Drehzahl und die Richtung des Bahnabweichungskreisels 28 gesteuert wird. Diese Steuerung des Bahnabweichungskreisels wird durch eine Kreiselantriebselektronik 32-5 erzielt, die auf Signale von der Koordinatentransformationselektronik 32-1 anspricht, wenn der Schalter 56 geschlossen ist0 Geeignete Signale, die kurzzeitig gültige Daten bezüglich der Stellung der Sonne relativ zur Erde enthalten, werden dem System über die Koordinatentransformationselektronik 32-1 zugeführt. Ein durch die Daten 33 erzeugtes Signal tätigt und steuert den Schalter 56,
Der Schalter 56 wird an den richtigen
Stellen des Orbit geöffnet (z.B. über die Steuerleitung 35 von den vorübergehenden Daten oder vom Speicher), um das vom Sonnensensor 30 hervorgerufene Signal nicht auf die Bahnabweichungskreiseisteuerung kommen zu lassen, wenn die Richtung zur Sonne mit der Ortsvertikalen (der Bahnabweichungsachse) zu nahe beieinander liegen (nahe
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der Mittags- oder Mitternachtposition des Satelliten). Während dieser Zeit wird, da kein Bahnabweichungsfehlersignal zugeführt wird, die Steuerung für die Bähnabweichungsachse durch· die Kreiselstabilisierung der Neigungsachse infolge des Neigungsachsenstabilisierungsmomentes festgehalten. Wenn der Schalter 56 geöffnet wird, wird die Drehzahl des Bahnabweichungskreisels entweder konstant auf dem Augenblickswert gehalten oder nach einem vorgeschriebenen Muster geändert, um dadurch eine bestimmte Abweichung in gewünschter Weise h e rb e i zufuhr en.
Die vorübergehenden Daten können in einem ROM im Satelliten gespeichert sein oder können von einer Bodenstationsteuerwarte zugeführt werden. Der Bahnabweichungsfehler, der durch Signale von den Sonnensensoren 30 festgestellt wird, wird über den Steuerpfad 58 eingekoppelt und durch die Kreiselantriebselektronik 32-5 verarbeitet, die ihrerseits dann Signale erzeugt, um die Drehzahl und die Richtung des Bahnabweichungskreisels 28 zu steuern. Die Schwungmomentauswirlcangen des Bahnabweichungskreisels 28 werden über den Pfad 60 auf die Satellitendynamik 11 abgegeben. Die Betriebsbedingungen der Kreisel 24, 26 und 28 werden über die Signalpfade 50, 51 und 52 als Eingangswerte der Desaturierelektronik 32-4 zugeleitet» Ss sei bemerkt, daß mit jedem Kreisel Drehzahl-und Richtungsfühler verbunden sind, um die entsprechenden Kreiselzustandssignale hervorzurufen« Die Desaturierelektronik 3.2-4 erzeugt entsprechende Signale für die Speisung von Antriebsmotoren 54, die Steuerdrehmomente entwickeln (Drehmomentpfad 56), um die Eehlabweichungen der jeweiligen Kreiseldrehzahlen von den angestrebten Bezugswerten zu verringern. Die
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JXrOiinionie.rroer-^^u^ei· din rl vorsygsv/eise Zu£dü3en, 'lie am Satelliten in geeigneter und an sieb "bekannter Weise angebracht, si,]·] ^ Um den 3a.telli tenkörper um jede der drei 3teuer*\chson drehen ?.\\ können.
Die Drehmomenterzeuger, die in der
Zeichnung der Einfachheit halber als einzelner Block dargestellt sin:l, nind auf dein Satelliten in geeigneter Weise verteilt und ausgerichtet, so daS sie mit ihrem Rliolcstoß die gewünschte Verdrehung erzielen können. Ss können auch die Drehmomente mit magnetischen Drehmomenterzeuger η hervorgerufen v/erden, die am Satelliten in an sich "bekannter V/eise angebracht sind und bei Erregung dann ή it dem Magnetfeld, der Erde zusammenwirken „
Die Elektroniksystene 32 für die Betätigung der Kreisel und die Desaturier-Drehmomenterzeuger sind aus herkömmlichen Schaltungselementen aufgebaut und dem entsprechenden Fachmann bekannt»
Kurs gesagt wird bei einem herkömmlichen dreiachsigen Fullmomentsystem der Satellit 10 in der gewünschten Orientierung und Lage, die in der Figur 1 angedeutet ist, durch einen Roll-, einen Neigungsund einen Bahnabweichungskreisel gehalten, die mit Nullwinkelmoment im Zeitmittel in bezug auf Fehlersteuersignale betätigt werden, welche von den Erdsensoren 34 und den Sonnensensoren 30 abgegeben werden. Während der Zeitabschnitte, in denen die Sonne und die Erde mit der Ortsvertikalen des Satelliten in einer Linie liegen, ist der Sonnensensor unempfindlich für Fehler der Baiinabweichungsacb.se, &o daß er bei einem derartigen herkömmlichen System keine Eontrollsignale erzeugen kann, um den Bahnabweichungskreisel 28 mit hinreichender Ge-
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nauigkeit zu steuern.
Bei der Erfindung hat nun der Satellit ein verbleibendes Schwungmoment bezüglich der Neigungsachse \tfährend des gesamten Bahnumlaufs„ Das verbleibende Schwungmoment verleiht dem Satelliten eine Sch.wungmomen.tsteifigkeit, die ihn in einer gesteuerten und gewünschten Orientierung stabilisiert ohne Abhängigkeit von Stabilisierungsbetätigungen der drei Reaktionskreisel im NuIlmomentmodus über das Zeitmittel gesehen. Das Prinzip der Kreiselstabilisierung ist bekannt und wurde in den Satelliten RCl SATCOM I und II bereits angewendet. Diese Technik der Schwungmomentstabilisierung mit einem dauernd vorgegebenen Schwungmoment erfordert jedoch, daß das Winkelmoment so groß ist, daß überhaupt keine Bahnabweichungsmessung mehr nötig ist und die Bahnabweichungssteuerung vorgenommen wird durch den bekannten Viertelorbit-Austausch von Bahnabweichung und Rollorientierung, so daß die dauernde Steuerung der Rollorientierung eine wirksame Steuerung der Bahnabweichungsorientierung erzeugt aufgrund der Kreiselsteifigkeit der NeigungSachse. Bei der Erfindung kann nun das Schwungmoment um die Neigungsachse wesentlich kleiner gemacht werden, da die Kreiselsteifigkeit für eine kürzere Zeit benutzt wird, nämlich die Dauer der Mittags- und Mitternachtsspannen, während denen die Sonnenrichtung und die Ortsvertikale nahe beieinander liegen. Z„B„ ist bei einem Satelliten der RCA SATO OM-Kl as se das Winlcelschwungmoment auf der Neigungsachse, das zur Stabilisierung des Satelliten benötigt wird, in der Größenordnung von 130 cm kp s. Bei Satelliten einer anderen Klasse, die als ITOS NOAA-Satelliten bekannt sind und von der NASA betrieben
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werden, liegt das StaJjilisierungsschwungmoment in der Größenordnung von 180 cm kp s. Nach der Erfindung nun ist das verbleibende Stabil is ierungsschwungmoment in der Größenordnung von 13 cm kp s. Die Größe des Stabilisierungsschvmngmomentes, das vom ETeigungskreisel erzeugt wird, hängt von der Genauigkeit der gewünschten Bahnabweichungssteuerung ab und auch von der Zeitdauer, während der die normale Bahnabweichungssteuerung sich in geöffnetem Zustand (Schalter 56 offen) befindet.
Um die Erfindung zu verwirklichen, d.h, für die Steuerung des Systems ein Restschwungmoment zur Verfugung zu haben, wird das Neigungskreiselrad zusammen mit den Roll- und Bahnabweichungskreisein so betätigt, daß nicht nur das erforderliche Winkelschwungmoment für den herkömmlichen Betrieb in drei Achsen im ITullwinkelmomentrnodtis über das Zeitmittel gesehen ausgeführt wird sondern zusätzlich der Ueigungskreisel so gesteuert wird, daß ein dauerndes Restwinkelmoment am Satelliten vorhanden ist. Der Neigungskreisel arbeitet also fortwährend mit einem Stabilisierungsmoment, so daß während der Perioden, in denen der Sonnensensor unbrauchbare Sonnensignale liefert und seine Steuerung deshalb abgeschaltet ist, die Bahnabweichungssteuerung aufgrund der Kreiselsteif igkeit erzielt wird. Dieser Zustand der Unempfindlichkeit der Bahnabweichung tritt während der Mittagsund Mitternachtsphase des Satelliten auf. Es ist dann der Schalter 56 geöffnet aufgrund eines Signals vom Block 33, wie in der Figur 2 dargestellt.
Bevor mit der genauen Beschreibung des Betriebsablaufs des Systems fortgefahren wird, wird auf Figur 3 Bezug genommen, die ein Diagramm zeigt, welches
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die Beziehungen zwischen Drehzahl- und Momentvektoren im Betrieb des Systems darstellt. Die Vektoren 62 und 64 bedeuten jeweils den Drehzahlbereich (oder äquivalent den Momentbereich) des Rollkreiselrades während der verschiedenen Abschnitte der Kreisbahn des Satelliten«, Das Vorzeichen des Vektors 62 ist in Übereinstimmung mit dem positiven Sinn der Rollachse 20 positiv gewählt. Sine Drehrichtung des Rollkreisels 26 legt den Momentvektor in diesem Richtungssinn fest, während die Größe des Momentes von der Drehzahl des Kreisels abhängt. Vektor 64 stellt in gleicher Weise das Moment dar, das vom Rollkreisel 26 ausgeht, wenn er sich in der entgegengesetzten Richtung dreht. Die Drehrichtungsänderung des Rollkreisels 26 wird in bekannter Weise vorgenommen, wie es als Ergebnis der gesamten äußeren Satellitenrumpfdrehkräfte erforderlich ist. Die Drehzahl (und äquivalent das Moment) des Bahnabweichungskreisels ist mit den Vektoren 66 und 28 in gleicher Art dargestellt. Der Neigungskreisel 24 schafft im System ein verbleibendes Moment. Er dreht sich fortwährend in derselben Richtung während des gesamten Bahnumlaufs, da er stets normal zur Orbit-Ebene ist. Die Drehzahl (und so das Moment) des Neigungskreisels 24 ist durch die Vektoren 70 bzw. 72 dargestellt« Der Arbeitsbereich des Neigungskreisels wird durch die Differenz zwischen den Vektoren 70 und 72 dargestellt, deren Größe entsprechend^ den Änderungen der äußeren am Rumpf angreifenden Drehmomente um die Neigungsachse sich ändert. Der Durchschnittswert des Momentes des Neigungskreisels ist durch die Strecke 74 angedeutet. Der Vektor 74 ist der Grundmittelwert der Vorgabegeschwindigkeit oder des Trägheitsmomentes des Neigungsab\ireichungskreisels.
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Wie "bereits gesagt wird bei den berkömmlichen aktiven dreiachsigen Lagesteuei-systemen die Stabilität fies ILauiafahraeugs durch Steuerung Π er Kreisel der jeweiligen ITeigungs-Roll- und Bahnabweichungsachse mit ein^r? Zeibnittel von Full über einen längeren Zeitabschnitt erreicht. Jeder Kreisel durchläuft dabei die Dreh sah] en Lr bei^r Richtungen während eines gesamten Umlaufes, was insgesamt r.u einer nominellen Ausmittelung des Trägheitnmomenbes für das gesamte System auf etwa Full führt. Entsteht dabei ein Kreiselmoment, das einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, dann wird diese Änderung von dor. £reiseldrehsahlfühlern 24, 26, 28 festgestellt, mn eine Verminderung des Momentes durch Drehmotoren 54 zu bewirken wie Schubdüsen oder magnetische Dipole, die ein äußeres Drehmoment zuführen, wodurch das Gesam tsystemrroment geändert v/ird. In der ITähe der Mittags- oder Mitternachtsstellung sind die Sonnensensoren unempfindlich auf Bahnabweichungsfehler und können deshalb keine gültigen Signale in die Steuerschleife des Bahnabweichungskreisels eingeben» Wach der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß in Richtung der Feigungsachse ein Vorgabemoment von ausreichender Größe geschaffen wird, so daß das Moment in der Feigungsachse und somit des Satelliten selbst über das Langzeitmittel nicht ITuIl ist sondern einen solchen Wert hat, daß der Satellit eine gewissen Schwungmomentsteifigkeit hat. Während dieser Zeitspanne arbeitet der Rollkreisel in der üblichen Weise eines Fullmomentsystems, während der Feigungskreisel weiterhin in der gewöhnlichen Weise eines Yorgabemomentsystems arbeitet. Der Bahnabweichungskreisel vrlrd unter Bedingungen einer offenen Schleife gesteuert, so daß er mit einer festen oder vorgegebenen Drehzahl -während der Zeitspanne ar-
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beitet, in der der Schalter 56 offen ist. Während der Schalter 56 geschlossen ist, erzeugen die Sonnensensoren 30 die Steuersignale für die geschlossene Schleife des Bahnabweichungskreisels. Die Irägheitsstabilität des sich daraus ergebenden Neigungswinkelmoments (Vektoren 70 und 72 in Figur 3), das praktisch parallel zum OrMt-ITormal orientiert ist, d„h, auf einer Achse parallel zur Achse 18 in Figur 1, erteilt dem Satelliten 10 die angestrebte Unabhängigkeit der Bahnabweiehungsfühlung des herkömmlichen dreiachsigen Steuersystems mit Momentvorgabe, während die variablen, quer gerichteten Roll- und Bahnabweichungskreisel (26 und 28) die Steuerflexibilität eines Fullmomentsystems erteilen. Obgleich während der Örtlichen Mittags- und Mitternachtzeiten des Orbit keine Bahnabv/eichungslageinformation zu erhalten ist, hält der Kreiselspeicher aufgrund des zusätzlichen Torgabemomentes der. Ueigungsachse die nominelle Bahnabweichungsachsenlage bei und macht den Effekt äußerer Störungen sehr klein.
Die Größe des erforderlichen Vorgabemomentes in der ITeigungsachse ist eine !Punktion von der Dauer der offenen Schleife (Schalter 56 geöffnet), d.h. der Dauer, während der die Sonnensensoren in Richtung der Bahnabweichungsachse unwirksam sind, sowie der äußeren Störungen und der zulässigen Bahnabweichungsachsenauslenkung des Systems.
Im Normalbetrieb mit geschlossenem Schalter 56 wird der Satellit 10 in der gewünschten Ausrichtung gehalten, in welcher die Bahnab^eiehungsachse 22 mit der Ortsvertikalen, die auf die Erde zeigt, übereinstimmt. Der ErdPensor 34 stellt jede Abweichung der Rollachse oder
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der Neigungsachse fest, die durch Abweichungen des Satelliten von der gewünschten Ausrichtung auftreten. Derartige Fehler signale "bewirken in den Kreiselantriebselektroniken 32-2, 32-3, daß Signale auftreten, um die Drehzahl des Rollkreisels 24 und des ETeigungskreisels 26 in der benötigten Weise, und gegebenenfalls auch die Drehrichtung des Rollkreisels 24 zu verändern. Da der Roll- und der Bahnabweichungskreisel so gesteuert werden müssen, daß im Mittel über eine längere Zeitspanne das Durchschnittsmoment Null ist, ist es erforderlich, daß das Satellitensystem,das Moment, das sich über die Dauer integriert hat, abbaut, was für einen Durchschnitts wert nahe ITuIl wichtig ist, und ebenfalls daß für Neigungsachsenkreisel der Ausgleich gesteuert wird, um ein bestimmtes Durchschnittsvorgabemoment zu erhalten.
Das Moment wird mit einer geeigneten
logik gesteuert, um Signale zu erzeugen, die auf Berechnungen gegründet sind, welche von den Kreiselantriebselektroniken 32-2, 32-3 und 32-5 durchgeführt werden sowie von der Ausgleichselektronik 32-4 in Abhängigkeit von den Bezugssignalen von den Sensoren 30 und 34. Die Momente der entsprechenden Achsen werden in Übereinstimmung mit einem geeigneten Steuergesetzesablauf geändert, wie dem Fachmann bekannt. Eine genaue Aufstellung von Steuergesetzesabläufen für das bevorzugte Ausführungsbeispiel (Figur 4) findet sich in den Tabellen I und II im späteren Teil der Beschreibung.
Die Ausgleichselektronik 32-4 ist vorgesehen, auf die entsprechenden Rollkreiseldrehzahlen (24 und 26) anzusprechen, so daß dann, wenn Schvrellwerte den kritischen Wert übersteigen, ein entsprechendes
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Signal erzeugt wird, um Drehmotoren 54 einzuschalten. Die Drehmotoren 54 erzeugen im Betrieb entsprechende Drehmomente, wodurch das Moment, das durch änderungen der Drehzahl der entsprechenden Kreisel aufzubringen ist, verringert wird.
In Übereinstimmung damit wird bei geschlossenem Schalter 56 der Bahnabweichungskreisel 22 auf die erforderliche Drehzahl und Drehrichtung gesteuert, mit denen im Langzeitmittel ein Moment von Null oder nahe KuIl erhalten wird. Der Bahnabweichungskreisel wird auf Signale hin gesteuert, die von den Sonnensensoren 30 abgeleitet werden, welche Bahnabweichungsachsen-Fehlersignale erzeugen, die von der Koordinatentransformationselektronik 32-1 in Steuersignale für die Kreiselantriebselektronik 32-5 umgesetzt werden, die ihrerseits Betätigungssignale zur Steuerung von Drehzahl und Drehrichtung des Bahnabweichungskreisel 28 entwickeln» Während der unempfindlichen Zeiten gegenüber der Sonne, die dann im Bereich der Mittags- und Mitternachtsstellung des Satelliten steht, ist der Schalter 56 geöffnet (siehe Figur 2). Kurzzeitdatensignale steuern dann die Drehzahl des Kreisels 2.8 nach einem vorbestimmten Muster, wodurch die Stabilität des Satelliten unabhängig von den Sonnensensorsignalen ist. Wenn anschließend der Schalter 56 wieder geschlossen wird, ist der Bahnabweichungskreisel 28 wieder unter dem Einfluß der Signale von den Sonnensensoren 30.
Eine orthogonale Anordnung der Kreisel ist in der Figur 1 dargestellt. Diese arbeitet in der voran beschriebenen Weise und schafft in der Neigungsachse ein Restmoment, womit für den Satelliten eine
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Kreiselsteifigkeit erzielt wird. Eine bevorzugte Anordnung von Reaktionskreiseln (Figur 4) enthält drei oder mehr derartige Kreisel, die in bezug zur Hauptachse des Satellitenkörpers schräg angeordnet sind. Der Grund, weswegen diese Schrägstellimgsanordnung bevorzugt wird, ist der, da? ein Überschuß oder eine Reserve vorhanden ist, da beispielsweise in einem System mit vier Kreiseln, das anschließend beschrieben wird, eine vollständige Steuerung aufgrund des Überschußprinzips bereits zu erreichen ist, wenn jeweils drei der vier Kreisel in Betrieb sind. Damit kann für das Sat^llitensteuersystem Zuverlässigkeit über eine lange, wartungsfreie Lebensdauer auf der Umlaufbahn garantiert v/erden. Eine zweite Eigenschaft und ein praktischer Vorteil für das aus vier Kreiseln bestehende System besteht darin, daß keiner der Kreisel seine Drehrichtung ändern muß oder im kritischen Bereich nahe ^TuIl läuft, sondern daß alle drei arbeitenden Kreisel eine Vorgabedx'ehzahl im Langzeitdurchschnitt aufrecht erhalten, während die Vektorsumme ihrer in die einzelnen winke !richtungen weisenden Schwungmomente den Steuerungsgesetzen und Lehren der Erfindung folgt.
In Figur 4 ist der Rumpf des Satelliten 100 mit vier Kreiseln 102, 104, 106 und 108 ausgerüstet, die sxxf einem Pyramidenkörper 110 angebracht sind. Der Satellitenkörper weist außerdem einen Erdsensor 34 und eine Anordnung von Sonnensensoren 30-1, 30-2, 30-3 und 30-4 auf, die insgesamt mit 30 bezeichnet ist. Menge und Anordnung der Sonnensensoren richtet sich z,T. nach dem Feld, in welchem die Sonne für die Sender während des Satellitenumlarfs sic1:-I:oar ist. Die Neigungsachse, die Rollachse und die Bahnabweichungsachse sind genauso bezeichnet wie die Achsen des Satelliten in Figur 1,
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nämlich mit den Bezugszeichen 18, 20 und 22.
Der Aufbau und die Anordnung der verschiedenen Komponenten für das System mit schräg angeordneten Kreiseln nach Figur 4 ist im Blockdiagramm der Figur 5 wiedergegeben* Die Satellitenrurapfdynamik 11 wird von den vier Kreiseln 102 - 108 beeinflußt, die ihrerseits unter dem Einfluß der zugehörigen Kreiselantriebselektronik 112, 114, 116 und 118 stehen. Die Schwungmomentelektronik 120 schafft die erforderlichen Signale zur Steuerung der Kreisel in Abhängigkeit von den Abweichungen in Rollachsen- und Ueigungsachsenrichtung, die durch den Erdsensor 34 festgestellt werden, und für die Abweichung des Bahnabweichungsvektors, die von den Sonnensensoren 30 ermittelt werden, wobei die Fehlersignale durch die Koordinatentransformationselektronik 32-1 über Schalter 56 verarbeitet werden. Die Überbrückung wird von einer entsprechenden Datenquelle 33 geschaffen, die etwa die Form eines ROM-Speichers hat. Eine Rückstellelektronik 32-4 abhängig von Signalen, die die Kreiselgeschwindigkeiten der einzelnen vier Kreisel darstellen, erzeugt Steuersignale für Drehmotoren 54, um die einzelnen Arbeitskreisel durch Erzeugung entsprechender äußerer Drehmomente am Satellitenkörper 100 wieder zurückzustellen. Die Momentvektoren für die Schrägkreiselanordnung sind in Figur 6 gezeigt. Die Vektoren h., h2, h, und h,, die für die Momente der vier Kreisel stehen, sind mit 124, 126, 128 und 130 bezeichnet. Die Vektorsumme dieser vier Vektoren ist durch die Vektoren 132, 134 und 136 angezeigt, die den resultierenden Momenten auf der Rollachse HR, auf der Bahnabweichungsachse Hy und auf der Neigungsachse Ηρΐα,σΗ auftreten. Die Auflösung des Vektors 124 in seine drei Komponenten nach den Steuerachsen ist mit den Vektoren 138, 140 und 142 dargestellt. Diese Zerlegung
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des Vektors 124 gilt auch für die anderen drei Kreisel und braucht im einzelnen nicht gezeigt zu v/erden.
T)j.e Steuergesetzlichkeit, um die gewünschten Änderungen der Momente bei jedem der vier Kreisel hervorzurufen, ist in der nachfolgenden Tabelle I aufgeführt.
VEKTORADDITION DER EINZELBETT MOMENTE PUR DIE KREISELANORDNUNG NACH FIGUR 4
1 2, 3, 3P 1 Kreisel ir +h4P L Betrieb 3, 4 +h 4P CNJ 3, 4 ·
Steuer H P = II Hp -
achse h IP +h 2P+h 3R h , 2, 4 h4R 1, +h 3P -h 4R h2P +h 3P+h4P
Neigung H R = II P Jfrl = 11R =
h IR +h 2R"h 3Y h lP+h2P + h4Y hlP -h 3R +h 4Y h2R -h 3R"h4R
Roll H Y _ Π 11R 11Y _
h IY -h 2Y"h h lR+h2R hlR -h 3Y "h2Y"h3Y+h4Y
•Bahnab Y = 11Y
wei
chung
lY"h2Y
Hierin ist beispielsweise b^p die Komponente des Momentes des Kreisels Nr. 1 (Kreisel 102 in Figur 4) in Richtung der Neigungsachse 18. Die Tabelle I zeigt die Aufteilung jedes möglichen Satzes von drei Kreiseln und umschließt die vier möglichen Kombinationen aller drei Kreisel enthaltenden Sätze. Jeder und stets nur einer der vier sträg angeordneter Kreisel kann als im Normalbetrieb stillstehender Reserve-
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ζ?
kreisel verwendet werden, der dann in Betrieb genommen \tfird, wenn einer der im Einsatz befindlichen Kreisel unbrauchbar wird. Die Steuergesetzmäßigkeiten fordern eine genauere Kontrolle der Momente auf jeder der Haxiptaohsen des Satelliten, wie dies durch die in der Tabelle II listenmäßig aufgeführten Gleichungen dargestellt ist. Die nachfolgende Tabelle II zeigt die Gleichungen für das mit schräg eingesetzten Kreiseln nach der Figur 4 bestückte System, bei dem die Kreisel 1, 2 und 3 laufen und der Kreisel 4 in Bereitschaft ist, d.h. stillsteht. Vergleichbar ähnliche Gleichungen können leicht für eine andere Kombination von drei Kreiselsätzen aufgestellt werden.
MOMENTSTEUERBEISPIEL (EINSATZ DER KREISEL 1, -2, 3 in PIG. 4)
a) Um Hp auf den Wert Hp, zu ändern, wird nur der Drehimpuls der Kreisel 1 und 3 um denselben Betrag geändert.
Hpt = (η+ΔΚ) + h2p + (h3 + Ahlp) = Hp + ΔΗ
worm ΔΗ = 2Δηρ
HRt = (h1R+ Ah1R) + h2R - (h3R+Ah3R) = HR
da AhlR = Ah3R Ηγι = (h1Y+Ah1Y) - h2Y-Ch3Y +Ah3Y) = Πγ
da Δη., γ = Ah,γ
b) Taxc Änderung von Hn wird nur der Drehimpuls der Kreisel 2 und 3 um den gleichen Betrag aber in entgegengesetzter Richtung geändert.
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Hp, = hlp + (h2p + Ah2p) + (h3p - Ah3p) - Hp
da Ah2p - Ah,p
HR, = h1R + (h2R + Ah2R) - (h3R - Ah3R) = HR + ΔΗ
worin ΔHn = 2Ahn
Hy, = h1Y - (h2Y + Δΐι) - (h3Y - Ah3Y) = ΙΙγ
da Ah2Y = Ah3Y
o) Soll mir Hv geändert werden, wird der Drehimpuls der Kreisel 1 und 2 um den gleichen Betrag in entgegenge setzter Richtung geändert.
Hpi = Chlp + Ahip) + Ch2p - Ah2p) + h3p = Hp
da Ahip = Ah2p
HR, = Ch1R + Ah1R) + Ch2R - Ah2R) - h3R - HR
da Ah1R = Ah2R
HY, = (h1Y + Ah1Y) - Ch2Y - Ah2Y) - h3Y = IfY ¥ AfI
worin AH = 2A hv
In den Gleichungen der Tabelle II sind gestrichene Parameter, z.B. Hp,, verwendet, um das Schwungmoment auf der Hauptachse zu bezeichnen, das durch die gewünschte Änderung beeinflußt, wird. Es sei bemerkt, daß nur das Moment, das einer Änderung unterworfen werden soll·, in seinem Wert geändert wird, während die Schwungmomente auf den anderen beiden Achsen unverändert bleiben am Ende des Vorgangs der Schwungmomentverstellung.
Die Momentsteuerelektronik 120 (Figur 5) führt die Berechnungen aus aufgrund von Signalen vom Erdsensor und den Sonnensensor·«!!, welche für die Drehzahländerungen der einzelnen laufenden Kreisel nach der Steuergesetzlichkeit der Tabelle I erforderlich sind, und zwar
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in einer Weise ähnlich wie bei einer Dreikreiselanordnung mit zueinander rechtwinkligen Achsen. Im Hormalbetrieb also bei geschlossenem Schalter 56 arbeitet das System so, daß bezüglich der Rollachse und der Bahnabweichungsachse das Moment im Mittel Hull bleibt und bezüglich der Neigungsachse (Vektor 136 in Figur 6) ein bestimmtes Restmoment verbleibt, wobei das Bahnabweichungsmonent durch das Bahnabweichungsachsen-Fehlersignal gesteuert wird, das von der Sonne abgeleitet wird. Während der Zeit des örtlichen Mittags und der Mitternacht (Schattendauer) ist Schalter 56 offen auf ein Datensignal über den Pfad 35 hin, und das Bahnabweichungsachsenmoment wird dann nach einem vorbestimmten Muster aufgrund von Daten 33 gesteuert. Das Restmoment auf der Neigungsachse liefert die Momentvorgabe, um den Satelliten in der gewünschten Orientierungsrichtung zu halten, damit er die stabile lage nicht aufgrund innerer oder äußerer, am Satelliten v/irksam werdender Drehmomente verliert.
Der Erdsensor 34, der die Pehlersignale
für die Roll- und die Ueigungsachse für das System liefert, kann jede bekannte Vorrichtung sein wie etwa ein Horizontsensor, einer oder mehrere Beschleunigungsmesser oder Empfänger für Einphasen- oder Mehrphasen-Punkfeuersignale, die von der Erde her übertragen werden.
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e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. ) Lagesteuersystem für einen Satelliten
    t Neigungs-, Roll- und Bahnabweichungsachse, die -aufeinander senkrecht stehen, dadurch gekennzeichnet , daß das System wenigstens drei Reaktionskreisel (24, 26, 28) aufweist, die mit ihren Achsen in fester Winkelbeziehung su den drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen (18, 20, 22) des Satelliten (10) stehen, lagesensoreinrichtungen (30, 34) vorhanden sind zur Bestimmung der Winkelabweichung des Satelliten von einer vorgegebenen Bezugslage mit einem ersten Sensor (34) zur Erzeugung von Lageabweichungs-eignalen bezüglich Roll- und Heigungsachse relativ zur Erde und einem Sonnensensor (30) zur Er^fuigung eines Lageabweichungssignal?! bezüglich der Bahnabweichungsachse, bezogen auf die Sonne, und daß eine Steuereinrichtung- (32-2, 32-3, 32-5) aufgrund der Lageabweichungssteuersignale die Winkelgeschwindigkeit der Kreisel (24, 26, 28) so steuert, daß die Lageabweichungssignale gegen Null gehend korrigiert werden, daß Mittel (33) vorhanden sind, die Datensignale für kurze Bahnabschnitte abgeben zur Erzeugung von Signalen während Zeiten, in denen der Sonnensensor (34) "und damit die lagesensoreinrichtung unempfindlich auf Schwankungen der Satelliten-Bahnabweichungsachse (22) gegenüber der Bezugslage ist, wozu ferner ein Schalter (56) gehört, der in Abhängigkeit von den Signalen während der kurzzeitigen Bahnabschnitte anspricht, um die Bahnabweichung sachsen-Lagefehlersignale von der Steuereinrichtung fernzuhalten, und daß die Steuereinrichtung die Drehzahl der Kreisel so steuert, daß ihr langzeitiger Schwungmomentmittelwert bezüglich der Rollachse und der Bahnabweichungsachse im wesentlichen Null ist und ein Restvorgabeschwungmoment
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    ORIGINAL INSPECTED
    (70) auf der Neigungsachse erzeugt wird, um eine Kreiseiste if igke it des Satelliten zu erhalten.
    2. 3,7 .stern nach Anspruch 1 mit Drehmotoren (54), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Entzettlungseinrichtung (32-4) enthält, die abhängig von den Drehzahlen der Kreisel die Drehmotoren (54) erregt für äußere Drehmomente am Satelliten (10), wodurch die Kreiseldrehzahlen innerhalb bestimmter Drehzahlbereiche gehalten xverden.
    3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für kurze Orbitbereiche ansprechenden Mittel Signale abgeben, so daß ein Schalter (56) die Bahnabweichungsachsen-Lagefehlersignale von der Steuereinrichtung während dieser Orbitabschnitte des Satelliten fernhält, in denen der Winkel zwischen der Sonnenlinie und der Bahnabweichungsachse unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt, und daß die Steuereinrichtung Mittel enthält, die während dieser Bahnabschnitte die Drehzahlen der Kreisel so steuern, daß das Schwungmoment in Richtung der Bahnabweichungsachse nach einem bestimmten Muster gesteuert \vird.
    4. System nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß nur drei Reaktionskreisel in zueinander rechtwinkliger Stellung und mit den Satelliten-Hauptachsen ausgerichtet vorgesehen sind und die Steuereinrichtung für die Drehzahländerung des Kreisels de:*·. Bahnabweichungsachse sorgt, um sie aufgrund von Signalen zu ändern, die von Sonnensensorsignalen abgeleitet sind.
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    5. System.nach, einem der Ansprüche 1 - 3 ,
    dadurch gekennzeichnet, daß nur vier Reaktionskreisel (102, 104, 106, 108) in schräger Stellung zu den Roll-, Bahnahweichungs- und ITeigungsachsen des Satelliten angeordnet sind und daß die Steuereinrichtung die Drehzahlen der einzelnen Kreisel so steuert, daß im Langzeitmittel die Vektorsumme der Drehimpulse (132, 134) in der Roll- und Bahnabweichungsachse praktisch TIuIl ist und im Langzeitmittel die Vektorsumme des Drehijnpulses auf der Neigungsachse (136) die Restmomentvorgabe ist, wobei die Einzeldrehzahlen der Kreisel so gesteuert sind, daß kein Kreisel seine Drehrichtung ändert oder nahe dem Stillstand lauft sondern im Bereich einer durchschnittlichen Vorgabedrehzahl,
    6 c System nach Anspruch 5, d a d u r c h
    gekennzeichnet , daß einer der Kreisel im Normalbetrieb stillsteht und eine Einrichtung vorgesehen ist, die "bei Ausfall eines der laufenden Kreisels den stillstehenden in Betrieb setzt.
    7. Verfahren zum Steuern der Lage eines auf
    einer Erdumlaufbahn kreisenden Satelliten, der eine Neigungs-, eine Roll- und eine Bahnabweichungskörperachse hat und mit drei oder mehr Reaktionskreiseln auf Achsen ausgestattet ist, die in fester Winkelbeziehung zu den Satellitenachsen stehen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Feststellen eines Richtungsfehlers des Satelliten von einer Bezugslage relativ zur Erde und Sonne, Steuern der Geschwindigkeit der Kreisel in Abhängigkeit von den Lagefehlern, wobei das Langzeitmittel der Vektorsumme der Drehimpulse auf der Rollachse und der Bahnabweichungs-
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    achse praktisch Full und das Langzeitmittel der Vektorsumme des Drehimpulses auf der Neigungsachse ein bestimmter Vorgabegrößenwert ist,
    S. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
    gekennzeichnet , daß die Schwungmomente aller Kreisel derart entsättigt werden, daß die Drehzahlen der Kreisel innerhalb bestimmter Geschwindigkeitsbereiche liegen.
    3 ο Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlen der Kreisel dann, wenn der Winkel zwischen der Sonnenlinie und der Bahnabweichungsachse unter einem bestimmten ¥ert liegt, so geändert werden, daß das Sehwungmoment in der Bahnabweichungsachse nach einem vorgegebenen Iiuster gesteuert wird.
    10. Verfahren nach einem der Anspruch 7-9,
    bei welchem einer der Kreisel normalerweise stillsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der stillstehende Kreisel in Betrieb gesetzt wird, wenn einer der übrigen Kreisel ausfällt.
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