DE2746399C2

DE2746399C2 - Lagesteuervorrichtung für Raumfahrzeuge

Info

Publication number: DE2746399C2
Application number: DE2746399A
Authority: DE
Inventors: Jean Saint-Cyr-L'Ecole Broquet
Original assignee: Societe des Telephones Ericsson SA
Current assignee: Societe des Telephones Ericsson SA
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1977-10-15
Publication date: 1983-05-19
Also published as: FR2369612B1; FR2369612A1; DE2746399A1; GB1536648A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung

der Lage von Raumfahrzeugen, insbesondere Satelliten, mit π = 3,4, 5 ... identischen Steuerketten, von denen jede einen Detektor und ein Drallreaktionsrad aufweist, welches ein regelbares Drallmoment bezüglich einer

zugeordneten Achse von insgesamt η gleichmäßig um

eine an das Raumfahrzeug gebundene Bezugsachse herum verteilten und einen Winke! mit dieser bildenden

Achsen liefert Eine derartige Vorrichtung ist aus der Druckschrift

ίο »AIAA-Paper Nr. 76-263« von Hummel, leid und

Tesch, mit dem Titel »A NEW CONCEPT FOR CONTROL OF COMMUNICATION SATELLITE USING RESIDUAL PITCH MOMENTUM« bekannt Bei der bekannten Steuervorrichtung wird die

is Geschwindigkeit, d. h. die Drehzahl der Reaktionsräder gemessen, um daraus die Winkellage des Satelliten zu bestimmen. Dieses Meßverfahren ist aber nur dann anwendbar, wenn

1. auf den Satelliten nur geringe externe und interne

Drehmomente einwirken oder 2. wenn der Satellit nur sehr schwachen äußeren

Störmomenten ausgesetzt ist und wenn er mit

Sensoren ausgerüstet ist, welche die Werte für mindestens zwei Orientierungswinkel des Satelliten bezüglich seines externen Bezugspunktes liefern.

Insgesamt ist in der zitierten Druckschrift eine Steuerung für die Winkellage eines Nachrichtensatelli-

jo ten beschrieben, der synchron mit der Erdumdrehung umläuft Ein solcher Satellit befindet sich bezüglich der Erde in einer stationären Höhe. Außerdem wirken auf einen solchen Satelliten nur sehr schwache externe Drehmomente in der Größenordnung von 10~⁵ Nm ein.

In diesem Fall kann das Gesetz der Aufrechterhaltung des kinetischen Gesamtmomentes des Satelliten ausgewertet werden, um eine Orientierung bezüglich der drei Satellitenachsen zu gewährleisten, indem man gemäß der oben aufgeführten zweiten Variante auf spezielle

Weise zwei Winkel mißt

Satelliten mit niedrigem Orbii, deren Umlaufbahn eine Höhe zwischen etwa 500 und 1000 Kilometer aufweist, sind jedoch externen Drehmomenten ausgesetzt, die üblicherweise aerodynamischen Ursprungs sind und 100 bis lOOOmal größer als die externen Drehmomente an Synchronsatelliten sind. Bei solchen niedrig fliegenden Satelliten gestattet die Messung der Drehzahl der Reaktionsräder jedoch nicht mehr die Bestimmung der Winkellage des Satelliten.

Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lagesteuervorrichtung anzugeben, die auch bei niedrig fliegenden Satelliten, welche hohen externen Drehmomenten ausgesetzt sind, eine zuverlässige Lagesteuerung gestattet und dennoch mechanisch und elektronisch vergleichsweise einfach ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jeder Detektor ein die Winkelabweichung oder die Abweichung der Winkelgeschwindigkeit bezüglich eines Sollwerts kennzeichnendes Signal liefert und daß die einzelnen Steuerketten unabhängig voneinander sind.

Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Lagesteuervorrichtung besteht darin, daß durch die Unabhängigkeit der einzelnen Steuerketten voneinander eine besonders einfache Ausgestaltung der insge-

samt erforderlichen Steuereinrichtungen ermöglicht wird. Weiterhin kann mit Hilfe von drei Steuerketten eine vollständige Messung der Winkelbewegungen des Raumfahrzeugs erfolgen und eine entsprechende Lagekorrektur herbeigeführt werden. Zusätzliche Steuerketten können als Reserve bereitgehalten werden.

Vorteilhaft ist es, wenn jedem Drallreaktionsrad jeweils ein Antriebsmotor zugeordnet ist, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des zugeordneten Detektors durcn eine Steuerelektronik steuerbar ist Dabei ist zu beachten, daß unter einem Drallreaktionsrad im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch ein Schwungrad zu verstehen ist, welches in allen Betriebsphasen eine erhebliche gyroskopische Steifigkeit besitzt

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Drallreaktionsräder gleichmäßig um die Bezugsachse herum verteilt sind und mit dieser einen Winkel zwischen 5 und 85° einschließen. Dabei liegen die einzelnen Detektoren zweckmäßigerweise auf einer Linie mit dem entsprechenden Drallreaktionsrad, können aus Platzgründen aber auch so angeordnet werden, daß ihre Achse jeweils einen kleinen Winkel von maximal 10° mit der Achse des Rades bildet, jedoch in der gleichen durch die Bezugsachse gehenden Ebene liegt

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ferner vnrziiirsweise noch Entsät-iaungsmittel. welche durch .■ ^.νί,Γ·" \on Masse odo- -lurch ''ViVi-iseiwirkung nut ;^;'--:r. !iii^cbcnden Mittel arbeiten una <:c-n Draüreaktionsrädern zugeordnet sind, und Betätigungs.Tiittel für die Entsättigungsmittel, durch die die Entsältigungsmittel dann aktivierbar sind, wenn eine erforderliche Lagekorrektur andernfalls bei mindestens einem der Drallreaktionsräder die Erzeugung einer die normale Betriebsdrehzahl desselben überschreitenden Drehzahl erforderlich machen würde.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines die Erde auf einer stark elliptischen Bahn umlaufenden Satelliten;

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung der Drallreaktionsräder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich der Bezugsachse O-z des Satelliten, wobei nur ein einziger Detektor dargestellt ist;

Fig.3 eine perspektivische Darstellung eines der Drallreaktionsräder mit seinem zugeordneten und mit ihm fluchtenden Detektor;

F i g. 4 ein Blockschaltbild einer der Steuerketten der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 einen Satelliten 10, welcher die Erde Tauf einer stark elliptischen Bahn 11 umkreist und eine einzige Symmetrie- bzw. Hauptachse O-z besitzt. Weitere Achsen O-x und O-y bilden mit der Achse O-z ein rechtwinkliges Achsensystem.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vier identische Steuerketten vorgesehen. Jede dieser Steuerketten umfaßt dabei ein Drallreaktionsrad 12a bis 12c/, einen tragen Detektor — in Fig. 2 ist nur ein einziger Detektor 13a dargestellt - und eine Steuerelektronik zur Aufbereitung der Ausgangssignale des Detektors und zur entsprechenden Steuerung des zugeordneten Drallreaktionsrades. Die Achsen der vier Drallreaktionsräder 12a bis 12c/ schneiden die Symmetrieachse O-z des Satelliten ailf im Punkt O. Die Achsen der vier Drallreaktionsräder 12a bis 12c/sind zweckmäßigerweise eleichmäßig um die Achse O-z verteilt. Der Einfachheit halber wird nachstehend angenommen, daß die Achsen der DrallreaktionsrSder 12a und 12c in der Ebene O-y- ζ liegen, während die Achsen der Drallreaktionsräder 12Z> und 12din der Ebene O-*-zIiegen.

Die Achse jedes Drallreaktionsrades — nachstehend der Einfachheit halber als Rad bezeichnet — bildet mit der Ebene O-x-y einen Winkel β zwischen 5 und 85", In der Praxis beträgt der Winkel β häufig etwa 30". Der

Winkel β ist zweckmäßig bei jedem der vier Räder gleich. Diese Bedingung muß jedoch nicht unbedingt erfüllt sein.

Jedem Rad, beispielsweise dem Rad 12a, ist ein träger Detektor, beispielsweise der Detektor 13a, zugeordnet, welcher ein Ausgangssignal liefert, das eine Funktion der Winkelbewegungen um eine bestimmte Achse ist weiche bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 mit der Achse des zugeordneten Rades zusammenfällt welche jedoch auch, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist, mit der Achse des Rades einen Winkel α von maximal ~10° einschließen kann.

Der Detektor 13a kann insbesf ,*dere durch ein integrierendes, eine einzige Achse aufweisendes Gyroskop gebildet werden, welches ein Ausgangssignal liefert, welches zum Integral der Drehgeschwindigkeit um die Eingangsachse proportional ist Fig.3 zeigt schematich ein derartiges integrierendes Gyroskop vom sogenannten »schwebenden« Ty d. Der Motor und cur kreisii 14 des Gyroskops sind um eine Spin-Achse

■ 15 in einem eint: kardanische Aufhängung bildenden Schwimmer 16 drehbar, der seiner.eits um eine Ausgangsachse 17 drehbar ist und sich im indifferenten Gleichgewicht in einer das Gehäuse 18 des Gyroskops füllenden viskosen Flüssigkeit befindet Ein Detektor 19 liefert ein Ausgangssignal, welches eine Funktion des Drehwinkels des Schwimmers 16 um die Ausgangsachse 17 ist das heißt ein elektrisches Ausgangssignal, welches zum Winkel der Abweichung der Spin-Achse 15 von einer Bezugsstellung proportional ist. Man erkennt, daß

■Ό jeder Detektor in diesem Fall ein Signal liefert, welches als eine der Komponenten eines für einen Lagefehler kennzeichnenden Vektors angesehen werden kann. Aus den verfügbaren Signalen muß nun entweder ein für das auf die Räder auszuübende Steuermoment kennzeichnendes Signal gebildet werden oder ein für die den Rädern zu erteilende Drehzahl kennzeichnendes Signal, damit die richtige Lage des Satelliten bzw. ganz allgemein eines Raumfahrzeugs durch den Austausch von kinetischen Momenten zwischen den Drallreaktionsrädern und dem Körper des Satelliten wieder hergestellt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet werden, daß nur drei Steuerketten gleichzeitig benutzt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daO .-.iHächst nur die Steuerketten mit den drei Drallreaktionsrädern 12a bis 12cverwendet werden. Ein Sicherheitssystem, v. dches hier nicht näher beschrieben werden soll, greift nun bei einer Störung einer dieser Ketten ein und ersetzt die gestörte Steuerkette durch

^e" die Steuerkette mit dem Drallreaktionsrad 12c/.

Eine mathematistne Analyse gestattet es, aus den drei Ausgangssigiialen der drei im Betrieb befindlichen Detektoren den Vektor des Lagefehlers zu bestimmen und daraus die erforderlichen Steuermomente in

^b' Richtung der den drei Detektoren entsprechenden Achsen abzuleiten. Diese mathematischen Zusammenhänge können durch eine quadratische Matrix mit drei Zeilen und drei Spalten beschrieben werden, in welcher

alle Ausdrücke von Null verschieden sind.

Wenn eine derartige Matrix nicht vereinfacht werden kann, müßten zur Gewährleistung der Steuerung des Satelliten die Steuerketten eigentlich miteinander gekoppelt werden. Eine Berechnung zeigt jedoch, daß man alle nicht diagonalen Ausdrücke der Matrix vernachlässigen kann. Diese Rechnung wird durch eine Nachbildung des Systems mit Hilfe eines Rechners bestätigt. Infolgedessen kann man jedes Detektorausgangssignal einem einzigen Drallreaktionsrad zuordnen, um das dort auszuübende Moment bzw. die dort erforderliche Drehzahl einzustellen. Die drei Steuerketten können also völlig unabhängig voneinander und außerdem untereinander identisch sein, selbst wenn die Achsen der Drallreaktionsräder nicht gleichmäßig um die Achse Oz herum verteilt sind.

Die zu den einzelnen Dralireaktionsrädern gehörigen Steuerketten, beispielsweise die Steuerkette mit dem Drallreaktionsrad 12a, können in der in F i g. 4 gezeigten Weise ausgebildet sein. Gemäß F i g. 4 wird das Ausgangssignal des Detektors 13a einem Tiefpaß oder einem Bandfilter 20 zugeführt, dessen obere Grenzfrequenz unter Berücksichtigung des Rauschens (insbesondere des Detektors) gewählt wird. Auf den Tiefpaß 20 folgt ein analoges Steuernetz 21, welches im übrigen in der Praxis mit dem Tiefpaß 20 kombiniert wird. Falls der Detektor ein integrierendes Gyroskop der oben beschriebenen Art ist und sein Ausgangssignal das durch einen Motor 22 an das Drallreaktionsrad 12a anzulegende Moment darstellt, enthält das Steuernetz 21 außerdem einen differenzierenden Regelteil (zur Erzielung der Dämpfung) und einen proportionalen Regelteil (für die Rückholung) und gegebenenfalls einen integralen Regelteil zur Verringerung des statischen Fehlers. Weiterhin wird die Übertragungsfunktion des Steuernetzes entsprechend der zugeordneten, vorstehend erläuterten Matrix bestimmt.

Schließlich wird das Ausgangssignal des Steuernetzes 21 an eine logische Treiber- bzw. Leistungsschaltung 23 angelegt, welche Schwellwerte für die Ansteuerung des Motors 22 aufweist.

Das Steuernetz muß natürlich verändert werden, wenn sich die Art des Eingangssignals oder die Art des Ausgangssignals ändert. Wenn man zum Beispiel von einem die Winkelabweichung kennzeichnenden Eingangssignal ausgeht, um ein die dem Drallreaktionsrad zu erteilende Drehzahl bzw. Geschwindigkeit kennzeichnendes Ausgangssignal zu erhalten oder von einem eine Geschwindigkeitsangabe darstellenden Eingangssignal, um ein für das an das Drallreaktionsrad anzulegende Moment kennzeichnendes Ausgangssignal zu erhalten, dann enthält das Steuernetz 21 proportion« le und integrierende Regeleinrichtungen und gegebenenfalls doppelt integrierende Regeleinrichtungen. In vorteilhafter Weise wird also die Steuerung durch einfache, voneinander unabhängige elektronische Steuerketten ermöglicht, wobei gleichzeitig die für die Zuverlässigkeit des Systems erforderliche Redundanz durch eine einzige zusätzliche Steuerkette gewährleistet wird, deren Hauptelemente ein Drallreaktionsrad und ein träger Detektor sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet dabei zusätzlich den Vorteil, daß sie sich besonders für Satellitei. mit einer einzigen Symmetrieachse eignet, insbesondere für Satelliten, deren Trägheitsmoment bezüglich dieser Symmetrieachse von den Trägheitsmomenten bezüglich zweier dazu senkrechter Achsen stark verschieden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vonbhtung zur Steuerung der Lage von Raumfahrzeugen, insbesondere Satelliten, mit π = 3, 4, 5 ,.. identischen Steuerketten, von denen jede einen Detektor und ein Drallreaktionsrad aufweist, welches ein regelbares Drallmoment bezüglich einer zugeordneten Achse von insgesamt π gleichmäßig um eine an das Raumfahrzeug gebundene Bezugsachse herum verteilten und einen Winkel mit dieser bildenden Achsen liefert, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (13aj ein die Winkelabweichung oder die Abweichung der Winkelgeschwindigkeit bezüglich eines Sollwerts kennzeichnendes Signal liefert und daß die einzelnen Steuerketten unabhängig voneinander sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Drallreaktionsrad (12a bis \2d) jeweils ein Antriebsmotor (22) zugeordnet ist, welcher in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des zugeordneten Detektors (13 bis \3d) durch eine Steuereücfttronik (20,21.23) steuerbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallreaktionsräder (12a bis \2d) gleichmäßig um eine als Bezugsachse dienende bevorzugte Achse des Raumfahrzeugs verteilt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vier Drallreaktionsräder (12a bis Md) vorgesehen sind, deren Achsen gleichmäßig um die Bezugsachse herum verteilt sind und mit dieser einen Winkel zwischen 5 und 85° einschließen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, cjß die Steuerelektronik P-Regeleinrichtungen umfaßt

6. Vorrichtung nach einem ier Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik Pl-Regeleinrichtungen umfaßt

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik PID-Regeleinrichtungen umfaßt

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierende Teil der PID-Regeleinrichtungen als doppelt integrierender feil ausgebildet ist

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor und das Drallreaktionsrad mindestens einer als Reserveeinheit vorgesehenen Steuerkette anstelle einer ausgefallenen Steuerkette einsetzbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Entsättigungsmittel vorgesehen sind, weiche durch Auswurf von Masse oder durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Mittel arbeiten und den Drallreaktionsrädern zugeordnet sind, und daß Betätigungsmittel für die Entsättigungsmittel vorgesehen sind, durch die die Entsättigungsmittel dann aktivierbar sind, wenn eine erforderliche Lagekorrektur andernfalls bei mindestens einem der Drallreaktionsräder die Erzeugung einer die normale Betriebsdrehzahl desselben überschreitenden Drehzahl erforderlich machen würde.