DE2732201A1

DE2732201A1 - Regler fuer die lagestabilisierung eines satelliten

Info

Publication number: DE2732201A1
Application number: DE19772732201
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Bittner; Ernst Bruederle; Eveline Gottzein
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-07-16
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1979-01-25
Also published as: IT1097004B; JPS5420599A; US4174819A; CA1113586A; FR2397672A1; GB2001186A; NL7806496A; JPS6256040B2; FR2397672B1; DE2732201C2; IT7825588A0; GB2001186B

Description

Regler für die Lagestabilisierung eines Satelliten

Die Erfindung betrifft einen Regler für die Lagestabilisierung eines Satelliten.

Regler der genannten Art werden in Satelliten benotigt, um die sich aus einer Reihe von Einzelkriterien ergebende Winkelabweichung von einer Referenzrichtung, welche den Gebrauchswert des Satelliten auf seiner Bahn stark mindern oder auch völlig beseitigen kann, auf ein zulässiges Maß zu reduzieren·

In der US-Patentschrift 3 984 071 ist ein Lagestabilisierungsapparat für einen nutierenden Satelliten beschrieben, bei dem von einem Sensor ein Fehlersignal erzeugt und einem Filter zugeführt wird. Hinter dem Filter ist eine Summationsstelle angeordnet, von wo aus das Signal zu zwei Schmitt-Triggern weitergeführt wird. Der eine Schmitt-Trigger wird aktiviert, wenn das Signal vom Sensor einen positiven Fehler bestimmter Größe anzeigt, dementsprechend der zweite Schmitt-Trigger bei Vorliegen eines negativen Fehlers. Ein Ausgang des Schmitt-Triggers führt zu einem Multivibrator, welcher einen Puls abgibt, sobald er getriggert wird. Der andere Ausgang des Schmitt-Triggers führt zu eines ODER-Glied, welches ebenfalls mit dem Ausgang des Multivibrators verbunden ist. Der Ausgang des ODER-Gliedes führt xu einem weiteren ODER-Glied, von dessen Ausgang eine Schubdüse zur Erzeugung eines Gegenmomentes gegen den positiven Winkelfehler aktiviert wird. Das Wesen der Erfindung wird darin gesehen, daß hinter dem erstgenannten ODER-

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Λ

Glied ein Zähler angeordnet ist, welcher mit jedem vom ODER-Glied abgegebenen Puls auf Null gesetzt wird und eine Zählung beginnt, deren Ergebnis mit der gewöhnlichen Dauer einer Nutationsperiode verglichen wird. Wenn seit dem letzten Nullsetzen des Zählers ein bestimmter Anteil einer Nutationsperiode verstrichen ist, vorzugsweise 5/8 einer solchen Periode, ohne daß ein neuer Impuls vom ersten ODER-Glied geliefert worden ist, so aktiviert dieser Zähler über das bereits erwähnte zweite ODER-Glied die Schubdüse für eine weitere Zündung.

Auf diese Art und Weise soll verhindert werden, daß der Satellit zwischen den Grenzen eines vorherbestimmten Bandes infolge der Lageregelung mit dem Ergebnis hin- und herpendelt, daß sich ein hoher Kraftstoffverbrauch einstellt und damit die Lebensdauer des Satelliten in seiner Bahn bzw. die Nutzlastzuladung usw. herabgemindert wird.

Nachteilig bei dieser Einrichtung wirkt sich aber aus, daß jede Parameterschwankung, z.B. der Trägheitsmomente oder des Drallrades, die zu einer Änderung der Nutationsperiode führen muß, von dem vorgeschlagenen System nicht erfaßt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für eine aktive Regelung anzugeben, welche unabhängig von Parameterschwankungen, die Lagestabilisierung bewirkt.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung gelöst durch einen ersten Lageregelkreis durch den der Satellit in eine Lage innerhalb vorherbestimmbarer Bandgrenzen rückführbar ist, und einen zweiten Regelkreis, welchem vom ersten Lageregelkreis Werte für den Lagewinkel und die Lagewinkelgeschwindigkeit zuführbar sind und welcher einen Vergleicher auf- _t weist, von welchem bei übereinstimmenden Vorzeichen von CP ,ψ ein Ausgangssignal abnehmbar und zwei UND-Gliedern zuführ-

+) der Drehzahl -5-

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bar 1st, welchen je ein weiteres Signal von einem der positiven Richtung des Lagefehlers bzw. der negativen Richtung zugeordneten Schmitt-Trigger aufschaltbar ist und deren Ausgänge mit auch vom ersten Regelkreis aufschaltbaren ODER-Gliedern verbunden sind, von deren Ausgängen Schubdüsen aktivierbar sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteilhaft ist insbesondere, daß durch die aktive Regelung die Dämpfung des Satelliten auf besonders kraftstoffsparende Weise bewerkstelligt wird, ohne daß dafür ein nennenswerter apparativer Aufwand zu betreiben ist. Das Einschwingverhalten des Reglers ist dem anderer bekannter Einrichtungen überlegen. Außerdem ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Lageregelung nicht drallstabilisierter Satelliten geeignet ist, mithin universell für die Raumfahrt verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Regler mit Beobachter, Schmitt-Trigger, jedoch ohne Nutationsdämpfung;

Fig. 2 einen Regler mit Beobachter und Geschwindigkeitsbeschränkung zur aktiven Nutationsdämpfung;

Fig. 3 ein Beispiel für das Eingreifen des in Fig. 2 dargestellten Reglers.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Regler aus einem Sensor 100, Summationsstellen 1,10,13,11,12, den Beobachterkonstanten 2, 3, Integrationsgliedern 5,6, einem Verstärker4, einer Reglerkonstanten 7, Schmitt-Triggern 8,9 und Schubdüsen 14,15.

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- 6 Die Beobachtergleichungen für diesen Regler lauten:

m . u +

-φ

Reglersignal: u_R = — CP — U CP

L._r L : Beobachterkonstanten

\j : Reglerkonstante.

Geschwindigkeit CP und Lage CP werden im Ausführungsbeispiel geschätzt. Diese Schätzwerte werden korrigiert mit Hilfe der Messung CP und der Düsenausgänge u. Selbstverständlich kann der Geschwindigkeitswert auch anders als durch Schätzung, beispielsweise durch direkte Messung oder andere geeignete Maßnahmen gewonnen werden.

Mit Hilfe der Schmitt-Trigger 8,9 werden in bekannter Weise entweder die negative Schubdüse 14 oder die positive Schubdüse 15 je nach Richtung des vom Sensor 100 erzeugten Signals geschaltet. Wie aus dem Blockdiagramm ersichtlich ist, wird das Düsenausgangssignal u über den Verstärker 4, in welchem der feste Quotient m « ' gebildet wird, wobei Ι_χ das Trägheitsmoment des Satelliten* um die x-Achse darstellt, zur Korrektur des Messung CD dem Summationsglied 10 zugeführt.

Ein Regler, der nach dem in Fig. 1 dargestellten Regelungsprinzip arbeitet, würde den Satelliten zwischen den durch seine speziellen Parameter festgelegten Bandgrenzen hin und her pendeln lassen. Die für die Raumfahrt so entscheidende Dämpfung innerhalb des festgelegten Bandes kann mithin durch einen normalen Regelkreis der angegebenen Art nicht bewerkstelligt werden.

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In Fig. 2 ist dargestellt, wie ausgehend von dem in Fig. 1 dargelegten Grundkonzept ein für die Lageregelung von Satelliten besonders gut geeigneter Regler ausgeführt werden kann. Zur besseren Orientierung sind hierbei gleiche Bauteile mit denselben Zahlen wie in Fig. 1 bezeichnet. Zur Erläuterung des mit A bezeichneten konventionellen Kreises kann daher auf die Ausführungen für Fig. 1 verwiesen werden. Der

Regler (Teil B) greift nun die durch Schätzung bzw. anderweitig gewonnenen Größen (Messung usw.) CP und CP an den Knoten 230, 231 ab. Lageschätzwert CP und Geschwindigkeitsschätzwert Φ werden einem Vergleicher 217 zugeführt, welcher ein Ausgangssignal abgibt wenn ψ und <-P das gleiche Vorzeichen aufweisen. Der Schätzwert für & gelangt einen Vorzeichenumkehrer 216 zu zwei Schmitt-Triggern 218,219, welche analog zu den Schmitt-Triggern 8,9 ein dem Vorzeichen der Geschwindigkeit entsprechendes Signal an ihren Ausgängen abgeben. Der Ausgang des Gliedes 217 wird den UND-Gliedern 220, 221 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel liegt am UND-Glied 220 das Ausgangssignal des der negativen Schubdüse (214) zugeordneten SchmitWCriggers 218, und dementsprechend am UND-Glied 221 das Ausgangssignal des der positiven Schubdüse 215 zugeordneten Schmitt-Triggers 219.

Die Ausgänge der beiden UND-Glieder 220, 221 werden den ODER-Gliedern 223,222 zugeführt, welche an ihrem Ausgang die Schubdüsen 214 bzw. 215 ansteuern.

Wie aus der Figur ersichtlich, wird parallel zu dem ersten Regelkreis A das Geschwindigkeitssignal CP beschränkt. Die Beschränkung dieser Geschwindigkeit bedeutet gleichzeitig die Beschränkung der Nutation, da der Abbau der Geschwindigkeit innerhalb des vorbestimmten Bandes einer aktiven Dämpfungsregelung gleichzusetzen ist.

+) über

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In Fig. 3 ist ein Beispiel für das Eingreifen des Lagereglers dargestellt. Auf der Abszisse des Diagrananes ist der Lagewinkel ψ sowohl in positiver als auch negativer Richtung aufgetragen, während die Ordinate den Gierwinkel ⁴ des Satelliten angibt. Mit - ^und + 4g sind die Grenzen des für den speziellen Satelliten vorgegebenen Bandes bestimmt. Die Kurve von 1 nach 2 gibt die Richtung der Lageänderung an. Befindet sich die Satellitenlage in Punkt 1 am linken Rand des Bandes, so greift der Lageregelkreis B auch dann noch nicht ein, wenn die Geschwindigkeit den zulässigen Wert bereits übersteigt. Es ist sinnvoll, in Punkt 2, wo ψ und <j das gleiche Vorzeichen aufweisen, die Geschwindigkeit abzubauen, da nur hier die baldige Ankunft an der Bandgrenze verhindert wird.

Ist die Cf -Ablage gering im Vergleich zur Bandgrenze, so kann eine Beachtung allein des Vorzeichens von ψ zu unnötigen Schubaktivierungen führen, so daß es sich als günstig erweist, auch auf den Betrag von ψ bzw. (f abzustellen. Vorzugsweise soll am Glied 217 ein Signal abnehmbar sein, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

1. /y/ - UT I(f I^ 6_} CP ^ O Aktivierung der negativen

Schubdüse 214,

2. \cf\ - OJ-M ^£, (p«C O Aktivierung der positiven

Schubdüse 215,

wobei CW und C konstante Parameterwerte sind· In diesem Fall übernimmt das Glied 217 die Funktion der Glieder 216, 218, 219, 220, 221.

Die Schaltung im Kreis B kann auch so ausgelegt werden, daß das Glied 217 die Funktion der Schmitt-Trigger durch eine dem Fachmann geläufige Schwellenschaltung mitübernimmt. In diesem Fall bedarf es der Glieder 216, 218, 219, 220, 221 ebenfalls nicht. Das Glied 217 weist dann zwei Ausgänge auf, deren einer der negativen Schubdüse und der andere Ausgang der positiven Schubdüse zugeordnet ist.

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Leerseite

Claims

PATENTANS PRÜCHE

1. Regler für die Lagestabilisierung eines Satelliten gekennzeichnet durch

- einen ersten Lageregelkreis (A) durch den der Satellit in eine Lage innerhalb vorherbestimmbarer Bandgrenzen ( -γ_Β, +ψ_Β) rückführbar ist,

- und einen zweiten Regelkreis (B) welchem vom ersten Lageregelkreis (A) Werte für den Lagewinkel (C?) und die Lagewinkelgeschwindigkeit ( <f) zuführbar sind und welcher einen Vergleicher (217) aufweist, von welchem bei Obereinstimmenden Vorzeichen von φ, C^ein Ausgangssignal abnehmbar und zwei UND-Gliedern (220, 221) zuführbar ist, welchen je ein weiteres Signal von einem der positiven Richtung des Lagefehlers

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ORIGINAL INSPECTED

bzw. der negativen Richtung zugeordneten Schmitt-Trigger (218,219) aufschaltbar ist und deren Ausgänge mit auch vom ersten Regelkreis (A) aufschaltbaren ODER-Gliedern verbunden sind, von deren Ausgängen Schubdüsen (214,215) aktivierbar sind.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß am Vergleicher (217) ein Ausgangs signal abnehmbar ist, wenn die Werte (ty^>,^</^>) vorherbestimmbaren Betrag und Vorzeichen erreicht haben.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß am Vergleicher (217) ein Ausgangssignal abnehmbar ist, wenn die Werte von CP und Cf> folgendes Kriterium erfüllen:

l./y/ - OJ!&/>.£,<?> >O Aktivierung der negativen ¹ ' Schubdüse 214,

_φ φ

2Jf/ -οθΊψΙ>&/ψ< O Aktivierung der positiven

Schubdüse 215 , C- = konstante Parameterwerte.

4. Regler nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Glied (217) eine Auslöseschwelle in Abhängigkeit der Werte ψ bzw. CP aufweist und daß an seinem Ausgang ein Signal für die Ansteuerung der positiven (215) bzw. negativen Schubdüse (214) bei Überschreiten der Schwelle abnehmbar ist.

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