DE2741008A1

DE2741008A1 - Lageregelungssystem fuer ein raumfahrzeug

Info

Publication number: DE2741008A1
Application number: DE19772741008
Authority: DE
Inventors: Jean Brocquet
Original assignee: Matra SA
Current assignee: Matra SA
Priority date: 1976-09-17
Filing date: 1977-09-12
Publication date: 1978-03-23
Also published as: FR2365153A1; DE2741008C2; GB1549544A; FR2365153B1

Description

DR.-INQ. DIPL-ING. M. SC. PIPL -PHY S. DR. DIPL-PHVS. HÖGER - STELLRECHT - GRiF.SSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART 9 7 Δ 1 Q Q 8

A 42 521 b Anmelder: Fa. MATRA S.A.

_u _ iß3 4, rue de Presbourg

12.September 1977 ^{75116 Par}*^s/ Frankreich

Beschreibung

Lageregelungssystem für ein Raumfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Lageregelungssystem für ein vollstabilisiertes, auf einer Umlaufbahn umlaufendes Raumfahrzeug mit senkrecht aufeinanderstehenden Roll-, Stampf- und Gierachsen mit einem von dem Raumfahrzeug getragenen Messfühler zur Bestimmung der Winkelabweichungen um mindestens zwei der drei orthogonalen Achsen.

Ein wichtiges jedoch nicht ausschliessliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Regelung der Lage eines Satelliten in einer stationären Erdumlaufbahn, beispielsweise eines Telekommunikationssatelliten, der in grosser Höhe in einer Umlaufbahn um die Erde umläuft, die gegenüber der Erdäquatorebene um einen Winkel oC geneigt ist, dessen Wert maximal einige Grad beträgt. Die Lage eines solchen Satelliten muss derart eingestellt werden, dass die vom Satelliten getragenen Elemente, beispielsweise Antennen, immer auf ein bestimmtes Gebiet zur Erde gerichtet sind.

Es sind verschiedene Lagekontrollsysteme für Satelliten bekannt. Bei einem solchen System ist ein grosses Drehmomentrad vorgesehen, dessen Geschwindigkeit durch eine elektrische Korrekturschaltung gesteuert wird. Dadurch können auf äussere Störungen zurückzuführende Abweichungen um die Stampfachse korrigiert

— 6 —

809812/0761

A 42 521 b 27 A 1 008

U - 163 *"

12.September 1977 - 6 -

werden. Wenn sich das Rad um eine feste Achse dreht, dann beeinflusst es jedoch auch die Lage bezüglich der Roll- und der Gierachse. Wenn der Orientierungswinkel des Satelliten um die Rollachse auf dem richtigen Wert gehalten wird, dann ändert sich der Orientierungswinkel um die Gierachse zyklisch um einen Betrag, der etwa der Neigung oC der Umlaufbahn gegenüber dem Erdäquator entspricht. Wenn das Rad kardanisch aufgehängt ist, dann ist zur Steuerung der Drehachsenlage eine komplizierte Elektronik nötig. Bei anderen bekannten Lageregelungssystemen sind drei Reaktionsräder vorgesehen, die der Roll-, Stampf- bzw. Gierachse zugeordnet sind und die jeweils mit Messfühlern zusammenarbeiten. Ein solches System ist ausserordentlich schwer.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lageregelungssystem zu schaffen, das relativ einfach aufgebaut ist, kein grosses Gewicht hat und eine ausreichende Lageregelung um alle Achsen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Lageregelungssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Regelungssystem ein Stellorgan mit zwei um nicht parallele, relativ zum Raumfahrzeug feste Drehachsen drehbaren Rädern sowie elektronische Steuerelemente aufweist, welche mit den Eingangssignale liefernden Messfühlern und mit dem Antrieb der Räder verbunden sind und die Drehgeschwindigkeit der Räder steuern, wodurch die Orientierung des Raumfahrzeuges bezüglich zwei der orthogonalen Achsen korrigierbar ist, und dass das Stellorgan im Betrieb immer ein eine Kreiselstabilität erzeugendes Drehmoment aufweist, wodurch eine Kurzzeitstabilisierung

-T-

809812/0761

U - 163

12.September 1977 - 7 -

um die dritte der orthogonalen Achsen erreichbar ist.

Der Ausdruck "Rad" kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Bedeutungen haben.

Entweder ist damit ein sogenanntes Reaktionsrad gemeint, welches eine Lagekontrolle durch Austausch von Drehmoment mit dem Satellitenkörper ermöglicht. Ein solches Reaktionsrad hat eine über einen breiten Bereich variable Drehgeschwindigkeit, welche umkehrbar ist.

Oder ist damit ein Drehmoment- oder Momentenrad gemeint, welches sich im Betrieb immer mit einer so grossen Drehgeschwindigkeit dreht, dass sich eine Kreiselstabilität oder ein Widerstand gegen eine Ablenkung senkrecht zur Drehachse ergibt. In der Regel muss ein solches Momentenrad ein Drehmoment von mindestens 25 Nms aufweisen. Die Geschwindigkeit eines solchen Momentenrades ist in der Regel nur in relativ engen Grenzen von etwa +10% der Nominalgeschwindigkeit variierbar.

Da das Stellorgan eine gewisse Kreiselstabilität aufweisen soll, muss zumindest eines der Räder als Momentenrad ausgebildet sein.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die für über der Erde stillstehende Satelliten besonders geeignet ist, sind beide Räder als Momentenräder ausgebildet und haben Trägheitsmomente derselben Grössenordnung. Die Drehachsen der Räder

809812/0761

12.September 1977 - 8 -

schliessen typischerweise einen Winkel zwischen 10 und 80 ein.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel haben die Räder Drehmomente verschiedener Grössenordnung; ihre Drehachsen schliessen einen Winkel zwischen 9o° und 130° ein.

In allen Fällen sind die beiden Räder derart angeordnet, dass das Drehmoment des Stellorgans eine Komponente aufweist, die entgegen der positiven Richtung der Stampfachse verläuft. Gemäss einer weiteren bei Raumfahrzeugen mit über der Erde stationärer Position zu erfüllenden Bedingung ist der Winkel zwischen den Drehachsen der beiden Räder grosser als der doppelte Maximalwinkel oC zwischen der Ebene der Umlaufbahn und der Äquatorialebene (etwa 8 ). Wenn zwei identische Räder verwendet werden, dann kann der Winkel zwischen den Drehachsen zwischen 10° und 40° liegen.

Um eine erhöhte Zuverlässigkeit zu erreichen, kann das System redundant ausgebildet sein. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass man zwei getrennte Stellorgane mit zugeordneter Schaltung vorsieht, von denen eines in Betrieb genommen wird, falls das andere ausfällt. Oft kann es jedoch ausreichen, nur die Schaltung zweifach auszuführen, wenn die Räder magnetisch gelagert sind.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Achsen der Räder in einer parallel zur Stampf-Gier-Ebene oder parallel zur Stampf-Roll-Ebenc verlaufenden Ebene oder in einer anderen Ebene befinden, die parallel zu einer Ebene liegt, in welcher

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 9 -

die Stampfachse verläuft und welche senkrecht auf der RoIl-Gier-Ebene steht.

Vorteilhaft ist es, wenn Messfühler derart angeordnet sind, dass sie Winkelabweichungen um die Roll- und die Stampfachse bestimmen können, und wenn die Achsen der Räder beide in einer parallel zur Stampf- und Gierachse verlaufenden Ebene liegen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass jedes Rad einen Drehzahlgeber aktiviert, denen elektronische Elemente zur Berechnung der Geschwindigkeit der Räder in einem breiten Bereich zugeordnet sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch geschlossene elektronische Regelkreise zur Aufnahme der Drehzahlgebersignale und zur Regelung der Geschwindigkeit der Räder auf einen vorbestimmten Wert, der von der die Eingangssignale von den Messfühlern aufnehmenden elektrischen Schaltung geliefert wird.

Ein Sinuswellengenerator zur Erzeugung einer Sinuswelle mit der Frequenz des Bahnumlaufes kann vorgesehen sein, der einen Sollwert des Drehmomentenvektors relativ zu den orthogonalen Achsen erzeugt. Das Ausgangssignal des Sinuswellengenerators kann mit der gemessenen Winkellage des Momentenvektors relativ zu den orthogonalen Achsen durch eine elektronische Schaltung verglichen werden, die die äussere Drehmomente erzeugenden Elemente steuert, und die Differenz kann nahe Null oder nahe einem im wesentlichen konstanten Sollwert gehalten werden.

- 10 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 10 -

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines auf einer leicht gegenüber dem Erdäquator geneigten Erdumlaufbahn umlaufenden Raumfahrzeuges;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Anordnung der das Stellorgan bildenden Inertialräder relativ zu den Roll-, Stampf- und Gierachsen des Fahrzeuges gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektronischen Steuerschaltung;

Fig. 3a eine Ansicht ähnlich Fig. 3 einer abgewandelten Steuerschaltung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Drehmomentkomponenten des in Fig. 2 dargestellten Stellorgans und

Fig. 4a

und 4b Darstellungen ähnlich Fig. 4 für andere Stellorgane.

- 11 -

809812/0761

12.September 1977 - 11 -

In Fig. 1 ist ein Satellit 10 dargestellt, von dem angenommen wird, dass er sich in einer kreisförmigen stationären Erdumlaufbahn mit einem Radius von 42500 km befindet. Die Erdumlaufbahn ist um einen Winkel pe in der Grössanordnung von höchstens einigen Winkelgraden gegenüber der Erdäquatorialebene geneigt. Dem Satelliten 10 ist ein Koordinatensystem zugeordnet, dessen drei senkrecht aufeinanderstehenden Achsen die Rollachse x, die Stampfachse y und die Gierachse ζ des Satelliten bilden. Wenn die Lage des Satelliten korrekt ist, dann liegt die Rollachse χ unter idealen Bedingungen parallel zur Erdäquatorialobene in West-Ostrichtung. Die Gierachse ζ zeigt dann auf das Erdzentrum, und die Stampfachse y steht senkrecht auf der Roll- und auf der Gierachse und damit auch senkrecht auf der Ebene der Umlaufbahn. Da die Umlaufbahn geneigt ist, ändert sich die geographische Breite der Satellitenposition periodisch mit einer Periode von 24 Stunden. Daher muss die Winkellage des Satelliten um die Rollachse entsprechend der Bewegung des Satelliten längs seiner Umlaufbahn justiert werden. Auch äussere Störmomente wirken auf den Satelliten. Als Beispiel seien genannt der Sonnenstrahlungsdruck, dessen Einwirkungen auf einen geostationären, d.h. gegenüber der Erde stationären Satelliten, zu einer Beeinflussung führt,oder aerodynamische Störungen bsi Satelliten mit niedriger Umlaufbahn. Weiterhin beeinflussen die Korrektionsdüsen im Betrieb die Winkellage des Satelliten. Diese Einflüsse müssen kompensiert werden. Ausserdem muss der Satellit am Anfang einmal ausgerichtet werden, wenn er in die richtige Position der Umlaufbahn gebracht worden ist.

Der Satellit 10 weist ein Stellorgan auf, welches oben definiert wurde und dessen Drehmomentvektor in der Stampf-Gier-Ebene

- 12 -

809812/0761

A 42 521 b

12.September 1977 - 12 -

(y-z-Ebene) liegt. Zur Regelung der Winkellage macht man von den Beziehungen zwischen den Betriebsdaten des Satelliten Gebrauch. Folgende Beziehungen gelten dabei:

^ωο^Η1 - ^Mdx

■ (

ψ - H_t

I und I sind die Trägheitsmomente des Satelliten um die Roll- bzw. die Gierachse, diese Achsen sind satellitenfest;

H. ist die Komponente des Drehmoments des Stellorgans (das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Momentenräder aufweist) längs der Stampfachse y,

H, ist die Komponente des Drehmoments des Stellorgans längs der Gierachse ζ;

H, ist die zeitliche Ableitung von H,;

(jj ist die Winkelgeschwindigkeit des Satelliten ( in rad/sec) ; Φ und ψ sind die Roll- und Gier-Winkel (Euler'sehe Winkel);

M, und M, sind die Roll- und Gier-Störmomente verschiedenen dx dz

Ursprungs, einschliesslich der der intermittierend arbeitenden Korrekturdüsen.

Für die Regelung der Winkellage benötigt man eine Messung zur Feststellung von Winkelabweichungen und eine Korrektur.

- 13 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 13 -

Zwei Detektoren 11,12, die auch zu einem einzigen Detektor kombiniert sein können, messen Abweichungen um die Roll- und die Stampfachse. Man kann optische Detektoren (Horizontdetektoren) oder Detektoren vorwenden, die Radiofrequenzsignale von einer Quelle auf der Erde empfangen. Es wird angenommen, dass die Detektoren 11 und 12 Analogsignale liefern, jedoch können ebenfalls Digitalsignale abgebende Detektoren verwendet werden.

Die Messung zur Steuerung des Gierwinkels wird mit Hilfe von Signalimpulsen durchgeführt, die mit den Rädern 15,16 verbundene Drehzahlgeber 13,14 erzeugen. Diese Impulse werden mit Frequenzen f* , f_? abgegeben, die der Drehgeschwindigkeit der Räder 15 bzw. 16 proportional sind. Die Räder sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen identisch aufgebaut.

Die Drehachsen beider Räder 15 und 16 liegen in einer Ebene, die zu der y-z-Ebene des Satelliten 10 parallel verläuft, also zu der Ebene, welche die Gierachse ζ und die Stampfachse y aufnimmt. Die Drehachsen der Räder 15,16 schliessen einen Winkel ein, der grosser ist als der maximale Neigungswinkel oC der Satellitenumlaufbahn.

Das Stellorgan umfasst zwei von unabhängigen Motoren 17,18 angetriebene Räder, deren Drehgeschwindigkeit zumindest in einem vorbestimmten Bereich um einen Nominalwert variiert werden kann. Der Nominalwert ist normalerweise für beide Räder 15 und 16 gleich, zumindest wenn die Räder identisch aufgebaut sind. Durch die Variation der Drehgeschwindigkeit

- 14 -

809812/0761

A 42 521 b 27 A 1

u - 163

12.September 1977 - 14 -

der Räder kann folgendes erreicht werden:

Der Absolutwert und die Richtung des Drehmomentes H des die zwei Räder umfassenden Stellorgans können unabhängig von der Richtung des Drehmomentes geändert werden, so dass auf den Satelliten einwirkende Störmomente, deren Vektor in der von den Drehachsen der beiden Räder aufgespannten Ebene liegen, aufgenommen werden können; dadurch lässt sich der Satellit um die Richtung des Drehmomentes H des Stellorgans steuern;

die Richtung des Drehmomentes H kann getrennt in einem begrenzten Winkelbereich der durch die Drehachsen der Räder aufgespannten Ebene variiert werden, so dass als Ergebnis des Drehmomentaustausches zwischen den Rädern die Winkelstellung des Satelliten um die Rollachse geändert werden kann.

. Die kurzzeitige Winkelstabilisierung um die senkrecht auf dem Drehimpuls H und die senkrecht auf der Rollachse χ stehende Achse wird ohne den Einsatz eines aktiven Steuersystems allein durch die Kreiselstabilität des Stellorgans erreicht, d.h. passiv. Eine Langzeitregelung um diese Achse muss aktiv durchgeführt sein und wird erreicht durch die Anwendung äusserer Drehmomente auf den Satelliten, wie dies im folgenden beschrieben wird.

Die den Detektoren 11,12 und den Rädern 15,16 zugeordnete elektronische Steuerschaltung kann in der in Fig. 3 angegebenen

- 15 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 15 -

Form aufgebaut sein. Die Steuerschaltung für die Roll- und Stampfsteuerung umfasst ausgehend von den beiden Detektoren 11 und 12 einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verstärker und eine Kontrollschaltung 19,20. Die Kontrollschaltung 20 bestimmt die Komponente H. des Stellorgandrehmomentes längs der Stampfachse y des Satelliten, die nötig ist, um die richtige Orientierung um diese Achse zu erreichen. Die Kontrollschaltung 20 umfasst üblicherweise ein Tiefpassfilter, dessen Abschneidefrequenz entsprechend dem Hintergrundrauschen (insbesondere dem Detektorrauschen) gewählt wird, sowie eine Proportional-, Integral- oder Zweifachintegral-Korrekturschaltung, deren Ausgangssignal entweder der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitsänderung entspricht. Die Korrekturschaltung könnte auch

des Signal erzeugen; ein einem Drehmoment entsprechen/ in diesem Falle wäre die

Korrekturschaltung als Proportional-, Integral- und Differential-Schaltung auszuführen. Das Ausgangssignal der Korrekturschaltung 20 wird den Eingängen eines Analogrechners 21 zugeführt, der die Sollwerte der Drehgeschwindigkeiten der Räder 15 und 16 bestimmt.

Die Rollbewegungskontrollschaltung 19 bestimmt die Komponente H, des Stellorgandrehmomentes, die längs der Gierachse ζ benötigt wird. Ebenso wie die Kontrollschaltung 20 umfasst die Kontrollschaltung 19 üblicherweise ein Tiefpassfilter und eine Korrekturschaltung zur Erzeugung von Proportional-, Ableitungs-(zur Dämpfung) und Integrationssig^nalen (Korrektur). Um statische Abweichungen um die Rollachse zu vermindern, kann ferner noch ein Zweifachintegralsignal erzeugt werden. Die Ausgangssignale der Kontrollschaltung 19 werden einem zweiten Eingang des Analogrechners 21 zugeführt.

- 16 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 16 -

Dieser Analogrechner 21 bestimmt die Sollwerte der Drehgeschwindigkeit, welche die Räder 15 und 16 aufweisen müssen, wenn ihre Drehmomente H- und H₂ gerade das Gesamtdrehmoment H ergeben sollen, dessen Komponenten H. und H, längs der y- bzw. der z-Achse sind. Diese Rechnung ergibt sich durch einfache Komponentenzerlegung der Drehmomente bezüglich der Stampfachse Y, wie dies in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Die Winkel oL ^ und oL· 2 sind die Winkel zwischen den Drehachsen der Räder 15 und 16 und der Stampfachse y. Der Analogrechner 21 steuert über die Ausgänge 22 und 23 die Versorgung der die Räder 15 und antreibenden Motoren 17 bzw. 18.

Aufgrund der Werte von H₁ und H- kann es notwendig sein, die Sollgeschwindigkeit so hoch oder so niedrig anzusetzen, dass dies praktisch unmöglich wird. Für diesen Fall aktiviert eine Bereichsgrenzen-Detektorschaltung (nicht dargestellt) eine Gasdüse 32, deren Achse in der y-z-Ebene liegt und durch Ausstoss von Masse einen Drehimpuls geeigneter Richtung auf den Satelliten überträgt. Dadurch lässt sich eine Verringerung des Drehmoments in Richtung der Stampfachse erreichen.

Wenn die Eingangssignale digital sind, dann kann die Giersteuerungsschaltung so ausgebildet sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die dort dargestellte Schaltung versorgt eine der beiden in entgegengesetzter Richtung wirkenden Düsen des Antriebes 26 (Fig. 2) oder zwei einzelne, getrennte Antriebe mit Signalen, welche den oder die Antriebe der gewünschten Richtung betätigen, wenn es notwendig wird, den Winkel des Momentenvektors H des Stellorganes in der v'-z-Ebene auf einen Sollwert einzustellen, der der geographischen Breite des

- 17 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 17 -

Satelliten entspricht. Die Achse des Antriebes 26 oder der
Achsen symmetrisch angeordneter Antriebe, welche ein Drehmoment erzeugen, ohne gleichzeitig eine laterale Antriebskraft auf den Satelliten auszuüben, schneidet die Stampfachse y.

Die Eingangsschaltung 24 des Giersteuersystems bestimmt zunächst den Winkel P des Drehimpulses H in der y-z-Ebene, wobei beispielsweise die y-Achse als Ursprungsachse genommen wird. Diese Schaltung 24 kann aus einem Zähler bestehen, der die von den entsprechenden Drehzahlgebern 13 und 14 gelieferten Signale empfängt. Diese Signale haben Frequenzen f.. und f _ , die der Drehgeschwindigkeit der Räder 15 bzw. 16 proportional sind. Wenn die Schaltung 24 genügend oft ein Meßsignal abgibt (bei-

im Abstand
spielsweise /einer oder mehrerer Minuten), dann bleiben die Ausrichtfehler in annehmbarer Grosse. Zu diesem Zweck wird die Giersteuerungsschaltung jedesmal von neuem aktiviert, wenn ein periodisches Signal an einen Auslöseeingang 25 gelegt wird. Beim Erhalt dos Auslösesignals liefert die Schaltung 24 ein Ausgangssignal |5 für den Winkel von H gemäss folgender Beziehung

af - bf
IL

wobei a,b, a¹ und b¹ Konstanten sind, deren Werte von der
Geometrie des Stellorgans abhängen, während f.. und f_ die
Signalfrequenzen darstellen, die den Drehmomenten der Räder 15 und 16 proportional sind.

- 18 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 18 -

Die Schaltung 24 kann extrem einfach aufgebaut sein. Sie kann aus Registern und zwei Auf-Ab-Zählern bestehen. Ein Zähler speichert Signale der Frequenz a'f..+b'f₂, sobald er ein Auslösesignal empfängt. Wenn der Inhalt dieses Zählers eine vorbestimmte Zahl N erreicht, dann sperrt er die Aufnahme des Signals der Frequenzen af-.-bf₂ durch den anderen Zähler, Der Inhalt des letzteren ist dann proportional zu@. Die auf diese Weise durchgeführte Berechnung führt ausserdem zu einer Filterung, da hochfrequente Störungen ausgeschaltet werden.

Der tatsächliche Wert von β und der Sollwert $ werden in einer Vergleichsschaltung 27 verglichen, welche das Ausgangssignal der Schaltung 24 und ein Digitalsignal $_Q erhält, welch letzteres nach jedem Auslösesignal durch einen Sollwertgenerator 28 geliefert wird. Der Wert des Sollwertes ändert sich periodisch mit der Periode der Umlaufbewegung des Satelliten um die Erde (24 Stunden im Fall eines erdfesten Satelliten). Der Unterschied zwischen β und ß stellt die Abweichung des Drehmoments um die Rollachse χ relativ zu einer Bezugsrichtung dar, in welcher die Satellitenantennen ideal ausgerichtet sind. Eine Schwellwertschaltung 29 vergleicht die Abweichung mit einem vorgegebenen Wert. Der vorgegebene Wert liegt üblicherweise zwischen 0,05 und 0,2 . Sobald dieser Wert überschritten wird, übermittelt die Schwellwertschaltung 29 ein Korrektursignal an eine logische Schaltung 30, welche die entsprechenden Düsen des Antriebes 26 aktiviert und ein Kompensationssignal erzeugt. Die Schaltung 30 betätigt den Antrieb 26 während einer vorbestimmten Zeit. Kurz bevor der Antrieb 26 aktiviert wird, übermittelt die Schaltung 30 der Rollkontrollschaltung ein

- 19 -

809812/0761

U — 1 Dj

12.September 1977 - 19 -

Warnsignal, welches die durch den Antrieb 26 zu erwartende Störung übermittelt. Dieses Signal wird der Schaltung 19 über einen zusätzlichen Eingang zugeführt und minimalisiert eine Nutationsschwingung, wenn der Antrieb den Impuls auf den Satelliten überträgt. Eine solche Nutationsschwingung tritt infolge der Zeitkonstanten auf, mit welcher eine Geschwindigkeitsänderung der Räder verbunden ist. Ferner können Resonanzfrequenzen des Rollsteuersystems zu einer solchen Nutationsschwingung führen.

Die Vergleichsschaltung 27 kann zusätzlich ein Signal von einem Generator 31 erhalten, welcher so justiert ist, dass er eine Nullabweichung oder Vorspannung der Räder zulässt, deren Wert in Versuchen ermittelt wird, die vor oder nach dem Einbringen des Raumfahrzeuges in die Umlaufbahn durchgeführt werden.

Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten, abgewandelten Ausführungsform werden die Änderungen im Nenner der Formel (2) vernachlässigt. Diese Näherung führt zu einer Vereinfachung der elektronischen Schaltung.

Es ist auch möglich, ρ nicht aus den gemessenen Drehgeschwindigkeiten der Räder zu bestimmen, sondern aus den diese Geschwindigkeiten steuernden Signalen (d.h. aus den die Nominalgeschwindigkeit der Räder bestimmenden Signalen). Bei dieser Näherung kann man die Schaltung der Fig. 3 durch die vereinfachte Schaltung der Fig. 3a ersetzen, in welcher entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen tragen. Bei der Schaltung der Fig. 3a liefern die Schaltungen 19 und 20 die Sollwerte für H, bzw. H.. Es wird hier angenommen, dass P durch die

- 20 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 20 -

folgende Gleichung richtig wiedergegeben wird;

H₁ (set) (3) J₀^n β ₌ I

^Ht (set)

tanf* wird durch einen Teiler 33 geliefert, da γ immer klein ist, so dass man im allgemeinen davon ausgehen kann, dass die Beziehung tanfi ungefähr gleich β gilt. Im übrigen ist die Arbeitsweise der Schaltung ähnlich der der Fig. 3.

Wenn die Struktur so ist, dass H. (Nominalwert) sich nicht sehr stark ändert, dann gilt P^ η (Nominalwert).

Wenn diese Annahme erfüllt ist, dann Kenn die Schaltung noch weiter vereinfacht werden.

In den meisten Fällen sind Sollv/ertgeneratoren 28 vorgesehen;sie können jedoch verschiedene Funktionen haben:

Wenn der Winkel cA· gross ist, dann benötigt man einen Korrekturterm, um die Effekte der unterschiedlichen geographischen Breite zu kompensieren, das entsprechende Signal hat dann die Form einer Sinuswelle;

wenn aussere Störmomente mit einer Periode von 24 Stunden auf den Satelliten einwirken (beispielsweise durch die Wirkung der Sonne), dann muss der Nominalwert ebenfalls abgeändert werden. Diese Abwandlung wird durch ein zusätzliches sinusförmiges Signal simuliert, welches häufig eine Phasenverschiebung gegenüber dem ersten sinusförmigen Signal aufweist.

- 21 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 21 -

Um den Verbrauch an Treibstoff niedrig zu halten, kann der Antrieb 26 (aber nicht der Antrieb 32) vorteilhafterweise durch Magnetspulen ersetzt werden. Wenn der Winkel d. gross ist oder wenn der Satellit bezüglich der Rollachse genau ausgerichtet werden soll (beispielsweise bei einem einer Erdstation zugeordneten Kommunikationssatelliten, der mit einem geringen Erhebungswinkel und unter einer hohen geographischen Breite arbeitet), dann liefert der Generator eine Sinuswelle an den Analogrechner 21. Dieses Signal wird zur Rollsteuerung verwendet und führt dazu, dass die Gierachse in eine Richtung gesteuert wird, die nicht durch das Erdzentrum geht, sondern die Effekte der Breitenvariation genau kompensiert.

In dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Stellorgan aus zwei Momentenrädern, deren Drehmomente relativ zur Stampfachse y symmetrisch angeordnet sind.

In dem in Fig. 4a schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Stellorgan aus einem Momentenrad, dessen Drehachse in der y-;z-Ebene liegt und einen Winkel von einigen Grad mit der negativen y-Achse einschliesst sowie einem Reaktionsrad (oder eine.Ti Momentenrad mit einem wesentlich unterhalb dem des ersten Rades liegenden Drehmoment). Die Achse des Reaktionsrades liegt längs der Gierachse z. In Fig. 4a sind die Drehmomente H₁ und H_ der beiden Räder und die Komponenten H. und H. längs der Stampf- bzw. der Gierachse beispielhaft dargestellt. Das Drehmoment des Reaktionsrades wird in Abhängigkeit vom Winkel cj zwischen H₁ und der y-Achse gewählt.

- 22 -

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 22 -

Wenn die relativen Drehmomente der beiden Räder und der Winkel (*>in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4a geeignet gewählt werden, dann wird es möglich, eine Lagekontrolle zu erreichen, bei welcher man das Reaktionsrad nur in einer Richtung umlaufend

.mit
betreibt, so dass die/der Drehrichtungsumkehr verbundenen Probleme sowie die Probleme der Messung geringer Drehgeschwindigkeiten entfallen. Diese Probleme stellen sich insbesondere dann, wenn konventionelle Lager verwendet werden. Wenn andererseits magnetische Lager verwendet werden, dann kann die in Fig. 4b dargestellte Ausführungsform vorteilhaft sein.

Bei dieser Ausführungsform ist die Drehachse des ersten Rades mit dem Drehmoment H₁ in Richtung der negativen y-Achse gerichtet, während das zweite Rad ein reines Reaktionsrad ist, das in beiden Richtungen umlaufen kann. Entsprechend kann dessen Drehmoment H_ je nach Drehrichtung längs der positiven oder längs der negativen ζ-Achse liegen.

809812/0761

ο ι e ι t e

Claims

OR. ING. OIPL -ING. M. SC. PIPL-fH»)·. Di). DIPL-PMVS.

HÖGER - STELLRECHT - GRiF3S3ACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART 0*7/ 1 fl Π Q

A-) ςιι κ Anmelder: Fa. MATRA S.A.

_ΛA 4, rue de Presbourg

^September 1977 —■ ^{75116 Paris}' Frankreich

Patentansprüche :

.1 Lageregclungssystum für ein vollstabilisiertes, auf einer Umlaufbahn umlaufendes Raumfahrzeug mit senkrecht aufeinanderstehenden Roll-, Stampf- und Gierachsen mit einem von dem Raumfahrzeug getragenen Messfühler zur Bestimmung der Winkelabweichung um mindestens zwei der drei orthogonalen Achsen, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem ein Stellorgan mit zwei um nicht parallele, relativ zum Raumfahrzeug feste Drehachsen drehbaren Rädern (15,16) sowie elektronische Steuerelemente aufweist, welche mit den Eingangssignale liefernden Messfühlern (11,12) und mit dem Antrieb (17,18) der Räder (15,16) verbunden sind und die Drehgeschwindigkeit der Räder (15,16) steuern, wodurch die Orientierung des Raumfahrzeugs bezüglich zwei der orthogonalen Achsen korrigierbar ist, und dass das Stellorgan im Betrieb immer ein eine Kreiselstabilität erzeugendes Drehmoment (H) aufweist, wodurch eine Kurzzeitstabilisierung um die dritte der orthogonalen Achsen erreichbar ist.

2. Lageregclungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Achsen der Räder (15,16) in einer parallel zur Stampf-Gier-Ebene (y-z-Ebene) oder parallel zur Stampf-Roll-Ebene (x-y-Ebene) verlaufenden Ebene

die parallel zu einer Ebene liegt, oder in einer anderen Ebene befinden,/in welcher die Stampfachse (y-Achse) verläuft und welche senkrecht auf der Roll-Gier-Ebene (_x-₂-Ebene) steht.

809812/0761

A 42 521 b

12.September 1977 - 2 -

3. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfühler (11,12) derart angeordnet sind, dass sie Winkelabweichungen um die Roll- und die Stampfachse (χ- bzw. y-Achse) bestimmen können, und dass die Achsen der Räder (15,16) beide in einer parallel zur Stampf- und Gierachse (y- bzw. z-Achse) verlaufenden Ebene liegen.

4. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Räder (15,16) gleich aufgebaut sind und dass der Winkel ( γ⁴') zwischen den Achsen der Räder (15,16) zwischen 10° und 80° liegt.

5. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Räder (15,16) Drehmomente (H-, H_) verschiedener Grössenordnung haben und der Winkel zwischen ihren Drehachsen zwischen 90° und 130° liegt.

6. Lageregelungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Drehmoment zumindest relativ zur dritten Achse erzeugendes Element (26) vorgesehen ist, welches durch Massenausstoss oder durch Wechselwirkung mit dem das Raumfahrzeug umgebenden Medium arbeitet.

7. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Rad (15,16) ein Drehzahlgeber (13 bzw. 14) zugeordnet ist und dass die elektrischen Steuerelemente den Drehzahlgebern zugeordnete Recheneinheiten (24) umfassen, die die Stellung

809812/0761

u - 163

12.September 1977 - 3 -

des Drehmoments (H) des Stellorgans relativ zu den Fahrzeugachsen bestimmen.

8. Lageregelungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlgeber (13,14) Signale mit der Geschwindigkeit der Räder (15,16) proportionalen Frequenzen (f., bzw. f„) abgeben und dass die Recheneinheiten (24) die Stellung des Drehmoments (H) des Stellorgans relativ zu den orthogonalen Achsen dadurch bestimmen, dass sie die Anzahl der Signale der Frequenz (af..-bf₂) zählen, die in einer Zeitspanne auftreten, in welcher eine vorbestimmte Anzahl von Signalen der Frequenz (a'f^+b'f») gezählt werden kann.

9. Lageregelungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, der der Winkellage des Drehmoments des Stellorgans relativ zu den orthogonalen Achsen entsprechende Signale zuführbar sind, und dass diese Schaltung mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die äussere Drehmomente liefern kann, wodurch die Winkellage des Drehmomentvektors veränderbar ist.

10. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rad (15,16) einen Drehzahlgeber (13 bzw. 14) aktiviert, dem elektronische Elemente zur Berechnung der Geschwindigkeit der Räder in einem breiten Bereich zugeordnet sind.

809812/0761

12.September 1977 - 4 -

11. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch geschlossene elektronische Regelkreise zur Aufnahme der Drehzahlgebersignale und zur Regelung der Geschwindigkeit der Räder (15,16) auf einen vorbestimmten Wert, der von der die Eingangssignale von den Messfühlern (11,12) aufnehmenden elektrischen Schaltung geliefert wird.

12. Lageregelungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass die vorbestimmten Werte der Geschwindigkeit zur Steuerung der äussere Drehmomente erzeugenden Elemente dienen, insbesondere der Elemente, die Drehmomente erzeugen, aufgrund welcher die Drehmomente der Räder auf einen geringeren Wert einstellbar sind.

13. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sinuswellengenerator zur Erzeugung einer Sinuswelle mit der Frequenz des Bahnumlaufs vorgesehen ist, der einen Sollwert des Drehmomentenvektors relativ zu den orthogonalen Achsen erzeugt.

14. Lageregelungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Sinuswellengenerators mit der gemessenen Winkellage des Momentenvektors (H) relativ zu den orthogonalen Achsen (y- bzw. z-Achse) durch die elektronische Schaltung verglichen wird, welche die äussere Drehmomente erzeugenden Elemente (26) steuert, und dass die Differenz nahe Null oder nahe einem im wesentlichen konstanten Sollwert gehalten wird.

809812/0761