DE2746399A1

DE2746399A1 - Vorrichtung zur steuerung der einstellung von fahrzeugen

Info

Publication number: DE2746399A1
Application number: DE19772746399
Authority: DE
Inventors: Jean Brocquet
Original assignee: Matra SA
Current assignee: Matra SA
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1977-10-15
Publication date: 1978-05-11
Also published as: FR2369612B1; FR2369612A1; DE2746399C2; GB1536648A

Description

PATENTANWÄLTE

DH-MG. HUGER DIPL-ING. STKI .URECHT M. Sc

DW.-PHYS.DR.GR1E5S3ACH DIPL-PHYS.HASCKER

7 STUTTGART-1, UHLANDSTR. 14 c

MATRA 0437 77 B

Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung von Fahrzeugen.

Die Erfindung betrifft die Vorrichtungen zur Steuerung der Einstellung von Raumfahrzeugen mit einer Vorrichtung zur Messung der Einstellung. Sie ist insbesondere auf die durch einen gemäß drei Achsen stabilisierten Satelliten gebildeten Fahrzeuge anwendbar.

Es kommt häufig vor, daß ein Satellit so gehalten werden muß, daß oin von ihm getragenes Organ (z.B. eine Antenne oder ein Teleskop) ständig eine bestimmte Richtung oder einen bestimmten Stern anvisiert. Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen zur Steuerung dor Einstellung von Satelliten bekannt, welche gestatten, dieses Ergebnis zu erreichen. Es ist insbesondere eine Vorrichtung mit drei Trägheitsrädern bekannt, welche auf drei zueinander senkrechten Achsen liegen und durch Austausch von kinetischen Momenten mit dem Körper des Satelliten die richtige Einstellung desselben ermöglichen. Um jedoch einer etwaigen Betriebsstörung eines beliebigen Rades abzuhelfen, muß man entweder jedes Rad verdoppeln, oder ein Redundanzsystem vorsehen, welches die Kosten, das Gewicht und den Platzbedarf der Anordnung beträchtlich vergrößern.

Die Erfindung bezweckt die Herstellung einer Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung, welche besser als bisher den Erfordernissen der Praxis entspricht, insbesondere dadurch, daß man eine gleichwertige Zuverlässigkeit in einfacherer und wirtschaftlicherer Weise erhält.

Hierfür schlägt die Erfindung insbesondere eine Vorrichtung

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zur Steuerung der Einstellung von Fahrzeugen, insbesondere Satelliten, mit einer Vorrichtung zur Messung der Einstellung vor, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie η träge Detektoren enthält, wobei η eine ganze Zahl ist, welche größer als 3 ist, wobei jeder Detektor ein Ausgangssignal liefert, welches eine Funktion der Winkelbewegungen des Fahrzeugs um eine Achse von η gleichmäßig um eine an den Satelliten gebundene Bezugsachse verteilten Achsen ist, welche einen Winkel mit der Bezugsachse bildet, wobei die Benutzung von drei Detektoren oder mehr gestattet, vollständig die Winkelbewegungen des Fahrzeugs zu messen, derart, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung bei einem Ausfall von m Detektoren betriebsfähig bleibt, wobei m höchstens gleich η - 3 ist.

Das Interesse dieser Anordnung ist sofort klar. Die Benutzung von drei Detektoren genügt, um die Winkelstellung des Fahrzeugs vollständig zu identifizieren, so daß die Vorrichtung bei einer Störung von m Detektoren betriebsfähig bleibt, wobei m höchstens gleich η - 3 ist.

Die oben erwähnte Bezugsachse ist zweckmäßig eine bevorzugte Achse des Fahrzeugs, d.h. entweder die einzige Symmetrieachse des Körpers desselben,oder die Eauptträgheitsachse, oder eine bevorzugte Steuerachse.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Vorrichtung η identische vollständige Steuerketten, deren jede ein Trägheitsreaktionsrad, einen trägen Detektor, welcher für die Winkelbewegung des Fahrzeugs um eine Achse empfindlich ist, welche an das Fahrzeug gebunden ist und einen kleinen Winkel oder den Winkel Null mit der Achse des Rades bildet, und eine Steuerelektronik für die Steuerung eines Antriebsmotors des Rades aufweist, wobei die Eingangsgröße dieser Elektronik durch das Signal des entsprechenden trägen Detektors gebildet wird.

Es 1st zu bemerken, daß der Ausdruck "Reaktionsrad¹¹ in sehr weitem Sinn zu verstehen ist und auch den Fall eines Schwungrades einschließt, welches eine erhebliche gyroskopische Steifigkeit bei allen Betriebsphasen hat.

Die Räder sind zweckmäßig gleichmäßig um die Bezugsachse herum verteilt und bilden mit dieser einen zwischen 5° und 85° liegenden Winkel. Jeder Detektor liegt zweckmäßig in einer Flucht mit dem entsprechenden Rad. Aus Platzgründen kann er auch so angeord-

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net werden, daß seine Achse einen kleinen Winkel mit der Achse des Rades bildet und in der gleichen, durch die Bezugsachse gehenden Ebene liegt. Dieser kleine Winkel übersteigt bestenfalls nicht 10°.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält noch vorzugsweise EntSättigungsmittel, welche mit Auswurf von Masse oder durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Mittel arbeiten und den Rädern zugeordnet sind, sowie Mittel, welche die EntSättigungsmittel in Tätigkeit setzen, wenn die Berichtigung der Einstellung dazu zwingen würde, wenigstens einem der Räder eine Geschwindigkeit außerhalb seines normalen Arbeitsbereichs zu geben.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist ein Prinzipschema, welches einen auf einer stark elliptischen Bahn um die Erde umlaufenden Satelliten zeigt.

Pig. 2 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung der Räder der Vorrichtung um die Bezugsachse 0-z des Satelliten, wobei nur ein einziger Detektor dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt eines der Räder und den entsprechenden, mit Ihm in einer Flucht liegenden Detektor.

Fig. 4 ist ein Prinzipschema einer der die Vorrichtung bildenden Steuerketten.

Die Erfindung ist nachstehend in ihrer Anwendung auf die Steuerung der Einstellung eines Satelliten 10 (Fig. 1) beschrieben, welcher um die Erde T auf einer sehr stark elliptischen Bahn 11 umläuft und eine einzige Symmetrieachse 0-z besitzt. Mit 0-x und 0-y sind zwei weitere Achsen bezeichnet, welche an den Satelliten gebunden sind und mit 0-z ein Trieder mit drei rechten Winkeln bilden.

Die Steuervorrichtung des Satelliten weist bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform vier identische Ketten auf. Jede Kette umfaßt ein Trägheitsreaktionsrad (in Fig. 2 mit 12a, 12b, 12c und 12d bezeichnet), einen trägen Detektor (von denen ein einziger, 13a, in Fig. 2 dargestellt ist) und eine Elektronik zur Behandlung der von dem Detektor empfangenen Signale und zur Steuerung des entsprechenden Rades. Die Achsen der vier Räder schneiden die Symmetrieachse 0-z des Satelliten in dem gleichen Punkt 0. Die Achsen der vier Räder sind zweckmäßig gleichmäßig um die Achse 0-z verteilt. Zur Vereinfachung ist nachstehend angenommen, daß die

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Achsen der Räder 12a und 12c_ in der Ebene 0-y-z liegen, während die Achsen der Räder 12b und 12d in der Ebene 0~x-z liegen.

Die Achse eines jeden Rades bildet mit der Ebene 0-x-y einen zwischen 5 und 85° liegenden Winkel ß. In der Praxis beträgt dieser Winkel häufig größenordnungsmäßig 30°. Der Winkel ist zweckmäßig bei jedem der vier Räder der gleiche, obwohl diese Bedingung nicht unbedingt erfüllt zu werden braucht.

Jedem Rad, z.B. 12a, ist ein träger Detektor, z.B. 13a, zugeordnet, welcher ein Ausgangssignal liefert, welches eine Punktion der Winkelbewegungen um eine bestimmte Achse ist, welche bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform mit der Achse des entsprechenden Rades zusammenfällt, welche jedoch auch, wie in Fig. 2 dargestellt, einen nicht etwa 10° übersteigenden Winkel α bilden kann.

Der Detektor 13a kann insbesondere durch ein integrierendes Gyroskop mit einer einzigen Achse gebildet werden, welches ein Ausgangseignal liefert, welches zu dem Integral der Drehgeschwindigkeit um die Eingangsachse proportional ist. Fig. 3 zeigt schematisch ein derartiges integrierendes Gyroskop der "schwebenden" Bauart. Der Motor und der Kreisel 14 des Gyroskops sind um eine Spin-Achse 15 in einem einen Aufhängerahmen bildenden Schwimmer 16 drehbar. Dieser um die Ausgangsachse 17 drehbare Schwimmer befindet sich im indifferenten Gleichgewicht in einer das Gehäuse 18 des Gyroskops erfüllenden viskosen Flüssigkeit. Ein Detektor 19 liefert ein Ausgangssignal, welches eine Funktion des Drehwinkels des Schwimmers um die Ausgangsachee 17 ist, d.h. ein elektrisches Signal, welches zu dem Winkel der Abweichung der Spin-Achse 15 von einer Bezugsstellung proportional ist.

Wie man sieht, liefert dann jeder Detektor ein Signal, welches als eine der Komponenten eines für einen Einstellungsfehler kennzeichnenden Vektors angesehen werden kann. Aus den verfügbaren Signalen muß entweder ein für das auf die Räder auszuübende Steuermoment kennzeichnendes Signal gebildet werden, oder ein für die den Rädern zu gebende Geschwindigkeit kennzeichnendes Signal, so daß die richtige Einstellung durch Austausch von kinetischen Momenten zwischen den Rädern und dem Körper des Satelliten wiederhergestellt wird.

Die Vorrichtung ist so vorgesehen, daß nur drei Steuer-

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ketten gleichzeitig benutzt werden. Die Vorrichtung ist z.B. so vorgesehen, daß ursprünglich die drei die Räder 12a, 12b und 12(5 enthaltenden Ketten benutzt werden. Ein Sicherheitssystem» welches hier nicht beschrieben zu werden braucht, greift bei einer Störung einer dieser drei Ketten ein und ersetzt dann die gestörte Kette durch die das Rad 12d enthaltende.

Eine mathematische Analyse gestattet, aus den empfangenen Signalen der drei im Betrieb befindlichen Detektoren den Vektor des "Einstellungsfehlers" zu bestimmen und aus diesem die um die diesen drei Detektoren entsprechenden Achsen erforderlichen Steuermomente abzuleiten. Die Beziehungen können in Form einer quadratischen Matrix mit drei Zeilen und drei Spalten beschrieben werden, in welcher alle Ausdrücke von Mull verschieden sind.

Wenn eine derartige Matrix nicht vereinfacht werden kann, müssen zur Crewährleistung der Steuerung des Satelliten die Steuerketten miteinander gekoppelt werden. Die Rechnung zeigt jedoch, und eine Nachbildung auf einem Rechengerät bestätigt, daß man in der Matrix alle nicht diagonalen Ausdrücke vernachlässigen kann. Infolgedessen kann man jedem von einem Detektor, z.B. 13a, gelieferten Signal ein auf das einzige Rad, z.B. 12a, auszuübende Moment» oder einem diesem Rad zu gebende Geschwindigkeit entsprechen lassen. Die drei Steuerketten können also vollständig unabhängig sein. Sie können außerdem Identisch sein, obwohl die Achsen der Räder nicht gleichmäßig um die Achse 0-z verteilt sind.

Die jedem Rad (z.B. dem Rad 12a) zugeordnete Kette kann in der in Fig. 4 dargestellten Weise ausgebildet sein. Das Ausgangssignal des Detektors 13a wird an einen Tiefpaß oder ein Bandfilter, dessen obere Grenzfrequenz unter Berücksichtigung des Rauschens (Insbesondere des Detektors) gewählt wird, angelegt. Auf den Tiefpaß 20 folgt ein analoges Steuernetz 21, welches übrigens mit dem Filter 20 kombiniert wird. Falls der Detektor ein integrierendes Gyroskop der oben beschriebenen Art ist und das Ausgangssignal das an das Rad 12a durch den Motor 22 anzulegende Moment darstellt, enthält das Netz 21 einen abgeleiteten Ausdruck (zur Erzielung der Dämpfung) und einen proportionalen Ausdruck (für die Ruckholung) und gegebenenfalls einen integralen Ausdruck zur Verringerung-des statischen Fehlers. Die Übergangsfunktion dieses Netzes wird natürlich gemäß der entsprechenden, oben erwähnten Matrix bestimmt.

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Schließlich wird das Avis gangs signal des Netzes 21 an eine logische Leistungsschaltung 23 angelegt, welche Schwellenwerte für die Inbetriebsetzung der Steuervorrichtung aufweist.

Die Art des Netzes 21 muß natürlich verändert

werden, wenn sich die Art des Eingangssignals oder die dee Ausgangs· signals der Elektronik ändern. Wenn man z.B. von einem die Winkelabweichung kennzeichnenden Eingangssignal ausgeht, um ein die dem Rad zu gebende Geschwindigkeit kennzeichnendes Ausgangssignal zu erhalten, oder von einem eine Geschwindigkeitsangabe darstellenden Eingangssignal, um ein das. an ein Rad anzulegende Moment kennzeichnendes Ausgangssignal zu erhalten, enthält das Netz 21 proportionale und integrale Ausdrücke und gegebenenfalls Doppelintegrale.

Die Erfindung ermöglicht also die Steuerung durch einfache unabhängige elektronische Ketten, wobei gleichzeitig die für die Zuverlässigkeit des Systems erforderliche Redundanz auf Kosten der Hinzufügung einer einzigen Kette gewährleistet wird, deren Hauptelemente ein Rad und ein träfegr Detektor sind. Die Vorrichtung bietet außerdem den Vorteil, daß sie sich durchaus für Satelliten mit einer einzigen Symmetrieachse eignet, insbesondere die, deren Trägheitsmoment um diese Achse sehr verschieden von den Trägheitsmomenten um zwei zu dieser senkrechte Achsen ist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

\*J Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung für Fahrzeuge, insbesondere für Satelliten mit einer Vorrichtung zur Messung der Einstellung, gekennzeichnet durch η träge Detektoren (ζ·Β. 13a), wobei η eine ganze Zahl ist, welche größer als 3 ist, wobei jeder Detektor ein Ausgangssignal liefert, welches eine Funktion der Winkelbewegungen des Fahrzeugs um eine Achse unter η Achsen ist, welche gleichmäßig um eine an den Satelliten gebundene Bezugsachse herum verteilt sind und einen Winkel mit dieser bilden, wobei die Benutzung von drei Detektoren oder mehr die vollständige Messung der Winkelbewegungen des Fahrzeugs gestattet, derart, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung bei einem Ausfall von m Detektoren, wobei m höchstens gleich η - 3 ist, betriebsfähig bleibt.
2. Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung für Satelliten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsachse eine bevorzugte Achse des Körpers des Satelliten ist.
3* Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch η identische Steuerketten, deren jede ein Trägheitsreaktionsgrad (12a, 12b, 12£, 12d), deren jedes ein regelbares Reaktionsmoment um eine Achse von η Achsen liefert, einen trägen Detektor (z.B. 13a) und eine Steuerelektronik zur Steuerung eines Antriebsmotors des Rades, welcher das Ausgangssignal des Detektors als Eingangsgröße empfängt, enthält, wobei wenigstens drei Ketten gleichzeitig benutzt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch vier Räder, deren Achsen gleichmäßig um die Bezugsachse herum verteilt sind und mit dieser einen zwischen 5 und 85° liegenden Winkel bilden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor ein für die Winkelabweichung gegenüber einem Sollwert kennzeichnendes Signal liefert, und daß die Elektronik ein Berichtigungsnetz der proportionalen und abgeleiteten Bauart und gegebenenfalls der integralen Bauart enthält und ein für das an das entsprechende Rad anzulegende Moment kennzeichnendes Ausgangssignal liefert. - -
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor die Bauart aufweist, welche ein

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für die Winkelabweichung (oder die Abweichung der Geschwindigkeit) gegenüber einem Sollwert kennzeichnendes Signal liefert, und daß die Elektronik ein proportionales und integrierendes und gegebenenfalls doppelt integrierendes Berichtigungsnetz aufweist und ein für die dem entsprechenden Rad zu gebende Geschwindigkeit (oder das an dieses anzulegende Moment) kennzeichnendes Ausgangssignal liefert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel, welche gestatten, ein Rad und einen Detektor, welche einander zugeordnet/in Reserve gehalten sind, an die Stelle eines ursprünglich benutzten Rades und eines Detektors bei einem Ausfall eines dieser letzteren Organe zu bringen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch Entsättigungsmittel, welche durch Auswurf von Masse oder durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Mittel arbeiten und den Rädern zugeordnet sind, sowie durch Mittel, welche die Entsättigungsmittel in Tätigkeit setzen, wenn die Berichtigung der Einstellung dazu zwingen würde, wenigstens einem der Räder eine Geschwindigkeit außerhalb seines normalen Betriebsbereichs zu geben.

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