DE60008103T2 - Momenten-positionsregelung - Google Patents

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • 1. Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Positionssteuerung von Fahrzeugen und insbesondere die Positionssteuerung unter Verwendung von Impulseinrichtungen wie etwa Steuerimpulskreiseln (CMGs) und Reaktionsradbaugruppen (RWAs), die auf dem Gebiet von Satelliten im Weltraum ihren Hauptnutzen haben.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • CMGs und RWAs werden seit langem dazu verwendet, durch den Einsatz eines Winkelimpulses Weltraumsatelliten zu positionieren und zu drehen. CMGs arbeiten dahingehend, ein relativ großes Drehmoment entlang einer ersten Achse zu erzeugen, wenn eine sich drehende Masse mit einem kleineren Drehmoment um eine zweite Achse gedreht wird, wobei dieser Prozeß oftmals als Drehmomentmultiplikation bezeichnet wird. RWAs enthalten eine sich drehende Masse, die entlang der Drehachse ein relativ kleines Drehmoment ausübt, wenn bewirkt wird, daß sich die Masse schneller oder langsamer dreht. Dementsprechend sind Kombinationen aus CMGs (üblicherweise 3 oder mehr in einem Array) in nichtzusammenfallenden Befestigungsebenen angeordnet, so daß ihre Drehmomente bei Verwendung verschiedener Kombinationen in jeder gewünschten Drehrichtung ausgeübt werden können. Reaktionsradbaugruppen sind analog angeordnet, wobei mehrere (üblicherweise 3 oder mehr in einem Array) Reaktionsräder so ausgerichtet sind, daß sie eine Drehung in einer beliebigen Richtung verursachen. Am häufigsten werden CMGs verwendet, wenn große und/oder schnelle Bewegungen oder Geräte mit hoher Trägheit mit hoher Präzision bewegt werden müssen, wie etwa bei Schwenkmanövern von Raumfahrzeugen. RWAs werden üblicherweise verwendet, wenn kleinere Bewegungen erforderlich sind, wie etwa beim Steuern der Scanrichtung eines Sensors oder Detektors, einer kleinen Kamera oder einer Radarantenne in Satelliten, die dahingehend arbeiten, Bereiche oder Ziele auf der Erde zu beobachten. Die großen Bewegungen werden hier als „Schwenken" bezeichnet, während die kleineren Bewegungen hier als „Scannen" bezeichnet werden.
  • CMGs sind extrem teure Einrichtungen, da ihr Einsatz normalerweise eine große Festigkeit und Präzision und somit einen teuren Aufbau erfordert, an dem qualitativ hochwertige Materialien und ausgeklügelte Prozesse beteiligt sind. RWAs sind erheblich preiswerter, da ihr Design einfacher ist und sie für kleinere Einrichtungen verwendet werden. Es existiert ein Bedarf an einer preiswerten Einrichtung, die in der Lage ist, Einrichtungen mit hoher Trägheit schnell von einer Position zu einer anderen zu drehen, wie beispielsweise bei einem Satelliten, die dazu verwendet wird, Ziele auf der Erde zu scannen, die aber schneller von einem Zielbereich zu einem anderen wegbewegt werden muß, als dies mit einem RWA-Array möglich ist.
  • Weil CMGs durch Drehmomentmultiplikation bei einem gegebenen kleinen Drehmoment in der Kardanachse ein großes Drehmoment in einer Ausgabeachse erzeugen, werden zusätzlich außerdem Störungen beim Eingangsdrehmoment verstärkt, was zu großen Störungen beim Ausgangsdrehmoment von der Einrichtung führt. Diese Störungen können sich auf die Leistung des Sensors oder Detektors, der das Raumfahrzeug während eines Scans präzise auszurichten versucht, abträglich auswirken. Falls die Trägheit des Raumfahrzeugs ausreichend klein ist, können sogar die präzisesten CMGs Störungen hervorrufen, durch die es dem Raumfahrzeug unmöglich wird, den Sensor mit seiner erforderlichen Präzision, damit er ordnungsgemäß arbeitet, auszurichten. Umgekehrt erzeugen RWA-Arrays im Vergleich zu CMGs relativ schwache Störungen, wodurch sie sich für Scanmanöver besser eignen.
  • Es existiert eine andere Einrichtung, die als ein Scherenpaar von CMGs bezeichnet wird, die aus zwei CMGs besteht, die mit ihren Spinachsen in der gleichen Ebene positioniert sind, die aber individuell gedreht werden können, so daß sie um zwei parallele Achsen kardanisch aufgehängt sind. Scherenpaar-CMGs sind zum Einsatz bei den Rucksäcken von Menschen vorgeschlagen worden, die dazu verwendet werden, ihre Position bei Raumspaziergängen zu steuern. In einem Scherenpaar verwendete CMGs können analog wie CMG-Arrays multiplizierte Störungen auf das Host-Raumfahrzeug ausüben.
  • Aus US-A-5,681,012 ist eine Steuereinrichtung bekannt, die ein Scherenpaar aus Steuerbewegung und Kreiseln verwendet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe Anspruch 1) wird eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt, die folgendes umfaßt:
    eine Reaktionsradbaugruppe, die betätigt werden kann, damit das Fahrzeug eine begrenzte Scanbewegung erhalten kann, und
    ein Scherenpaar von Steuerimpulskreiseln mit jeweils einer Spinachse und einem Drehimpulsvektor und
    Mitteln zum Drehen der Spinachsen des Scherenpaars, um zu bewirken, daß die Impulsvektoren ihre Richtung ändern und je nach dem Ausmaß der Drehung der Spinachsen entweder in entgegengesetzten Richtungen, der gleichen Richtung oder Richtungen dazwischen wirken, wodurch das Scherenpaar eine Schwenkbewegung für das Fahrzeug bereitstellt.
  • Es wird außerdem ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt (siehe Anspruch 10).
  • Die vorliegende Erfindung macht sich das Konzept eines Scherenpaars von CMGs zunutze, die aber mit weniger Präzision und weniger aufwendigen Materialien und dementsprechend mit geringeren Kosten hergestellt werden, in Kombination mit einem RWA-Array. Ein dreiachsiges Präzisionsdrehmoment zum Scannen erhält man durch das RWA-Array, und ein großes Drehmoment erhält man von dem Scherenpaar, wenn dies notwendig ist, um eine preiswerte schnelle Schwenkbewegung zu erhalten.
  • 1 ist eine Darstellung eines Raumfahrzeugs und eines gescannten Teils der Erde;
  • 2 ist eine Darstellung der Kombination aus einem RWA und einem Scherenpaar von CMGs gemäß der vorliegenden Erfindung und
  • 3a, 3b und 3c sind Darstellungen dessen, wie die Richtung des Drehmoments bei einem Scherenpaar mit der Spinachsenausrichtung variiert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist ein Satellit 10 mit einer relativ großen Trägheitsmasse, als eine flache Platte 12 gezeigt, so gezeigt, daß er einen Scanner 14 aufnimmt, bei dem es sich um eine Fernerfassungseinrichtung wie etwa eine Kamera, eine Radarantenne oder eine wissenschaftliche Plattform handeln kann, die eine präzise Ausrichtung erfordert. Die Aufgabe des Satelliten 10 und des Scanners 14 besteht darin, selektive Teile oder Ziele auf der Erde zu betrachten, wie beispielsweise als Bereich T1 gezeigt. Ein am Satellit 10 befestigt gezeigtes RWA-Array kann betätigt werden, um eine Bewegung des Scanners 14 zu bewirken, wie durch die Strahllinien 22, 24 und 26 gezeigt, damit sie sich entlang Linien wie etwa 28 auf der Erde hin- und zurückbewegen, bis der ganze Bereich T1 gescannt worden ist.
  • 1 zeigt außerdem einen zweiten Bereich T2, der möglicherweise als Ziel plötzlich wichtig geworden ist, so daß der Wunsch besteht, den Satelliten 10 schnell in eine Position zu bewegen, in der der Scanner 14 den Bereich T2 ansehen kann. Ein Scherenpaar von CMGs 32 sind am Raumfahrzeug 10 montiert gezeigt, und diese können dazu verwendet werden, das schnellere und kräftigere Drehmoment zu verursachen, das zum korrekten Positionieren des Satelliten 10 benötigt wird. Es sei angemerkt, daß die Gier-, Quer- und Längsachse des Satelliten 10 durch die Bezugszahlen 34, 35 bzw. 36 gezeigt sind. Das Scherenpaar von CMGs wird Impulsvektoren aufweisen, die in einer Position in entgegengesetzten Richtungen wirken, so daß dadurch kein Nettoimpuls übertragen wird. Wenn die Impulsvektoren so bewegt werden, daß sie in der gleichen Richtung wirken, addieren sich die Vektoren und erzeugen einen summierten Vektor, der dahingehend wirkt, den Satelliten 10 in der vorliegenden Erfindung um die Längsachse zu bewegen und ihn schnell in eine Position zum Scannen des Bereichs T2 zu bringen. Falls das neue Ziel in einer anderen Richtung liegt, wie etwa T3 in 1, dann wird der Satellit gelenkt, indem zunächst das Scherenpaar von CMGs 32 zusammen gedreht wird, so daß ihre entgegensetzt gerichteten Impulsvektoren entgegengesetzt gerichtet bleiben, bis ihre Impulsvektoren senkrecht zu einer Eigenachse in der Längs-Quer-Ebene verlaufen. Danach bringt eine individuelle Drehung der Impulsvektoren, so daß die Vektoren einen additiven Impuls erzeugen, wie oben beschrieben, den Sensor 14 dahin, daß er sich auf den Bereich T3 ausrichtet. Es sei angemerkt, daß das Scherenpaar nicht in der Längs-Quer-Ebene montiert sein muß, sondern in der Quer-Gier-Ebene, der Längs-Gier-Ebene oder einer beliebigen Eigenebene, wie durch die Mission erfordert, montiert sein kann. Es sei außerdem angemerkt, daß gegebenenfalls das vom RWA-Array gelieferte Drehmoment während des Schwenkens dazu verwendet werden kann, die CMG-induzierten Störungen ganz oder teilweise aufzuheben oder sogar zu diesem Drehmoment von dem Scherenpaar von CMGs addiert werden kann, damit der Schwenk etwas mehr Geschwindigkeit und Kraft erhält. Falls für den Scanner 14 eine größere Geschwindigkeit gewünscht wird, kann ein Impulsbias von dem Scherenpaar von CMGs zu der Ausgabe des RWA-Arrays addiert werden.
  • 2 zeigt ein RWA-Array 38, das vier individuelle Reaktionsräder umfaßt, die in vier verschiedenen Richtungen um eine als ein Kasten 48 gezeigte Montageeinrichtung montiert sind. Man kann sehen, daß das Reaktionsrad 40 eine Masse aufweist, die sich um eine Achse 50 dreht, das Reaktionsrad 42 eine Masse aufweist, die sich um eine Achse 52 dreht, das Reaktionsrad 44 eine Masse aufweist, die sich um die Achse 54 dreht, und das Reaktionsrad 46 eine Masse aufweist, die sich um eine Achse 56 dreht. Die Achsen 50, 52, 24 und 56 liegen nicht in den gleichen Ebenen, so daß durch eine ordnungsgemäße Steuerung der Reaktionsräder 40, 42, 44 und 46 die Bewegung des Scanners 14 von 1 in einer beliebigen Richtung bewerkstelligt werden kann. Das RWA-Array 38 ist am Satelliten montiert gezeigt, wie die gestrichelten Linien 58 zeigen.
  • Ein Scherenpaar aus CMGs 60 ist ebenfalls in 2 gezeigt und besteht aus zwei individuellen CMGs 62 und 64, die so montiert sind, daß sie sich um ein paralleles Paar aus Achsen 66 bzw. 68 drehen. In dem CMG 62 befindet sich eine Masse, die sich um die Achse 74 dreht, während sich im CMG 64 eine Masse befindet, die sich um die Achse 76 dreht. Als solches wirken die durch die Pfeile 74 und 76 gezeigten Impulsvektoren, die dadurch ausgeübt werden, in entgegengesetzten Richtungen. Die CMGs 62 und 64 sind so montiert, daß sich ihre Spinachsen 66 und 68 in einer beliebigen Richtung in einer senkrecht zu den gestrichelten Linien 58 verlaufenden Ebene drehen können. Dies wird durch geeignete Bewegungsmittel erreicht, wie Motoren 78 und 80, die durch Antriebe mit den CMGs 62 und 64 verbunden sind, wie durch gestrichelte Linien 82 und 84 gezeigt. Es kann veranlaßt werden, daß sich die Impulsvektoren 74 und 76 als solche in der gleichen Richtung addieren, wie man in 3 besser erkennen kann.
  • In 3a sind die CMGs 62 und 64 gezeigt, und zwar bei Betrachtung entlang einer Achse senkrecht zu den Ebenen der Drehpfeile 70 und 72. Man kann sehen, daß die Impulsvektoren 74 und 76 in entgegengesetzter Richtung zueinander verlaufen, wodurch sie sich aufheben und keinen Nettoimpuls erzeugen. In der 3b wurden die Spinachsen 66 und 69 um 90 Grad gedreht, so daß bei beiden die Impulsvektoren 74 und 76 nach oben weisen. In diesem Zustand addieren sich die Vektoren, so daß der summierte Impuls nach oben geht. In 3c wurden die Spinachsen 66 und 69 in entgegengesetzter Richtung um 90 Grad gedreht, so daß bei beiden die Impulsvektoren nach unten zeigen. In diesem Zustand addieren sich die Vektoren, so daß die summierten Impulsvektoren nach unten ist. Natürlich kann die Drehung der Spinachsen 66 und 68 irgendwo zwischen 0 Grad, wie in 3a, und plus oder minus 90 Grad, wie in den 3b und 3c, liegen, mit dem Ergebnis, daß sich die Impulsvektoren addieren, um einen Impuls in einer beliebigen Richtung innerhalb der Drehebene zu liefern. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die Scherenpaar-CMGs von normalen CMG-Arrays, die Impulsvektoren in einer beliebigen dreidimensionalen Richtung erzeugen können. Wie oben erwähnt, ist die Verwendung des Scherenpaars zur Drehung um eine einzige Achse annehmbar, da andere Richtungen von den anderen zur Verfügung stehenden Lenkvorrichtungen des Satelliten übernommen werden. Mit anderen Worten ist die einzige Ebene alles, was zum Schwenken des Satelliten 12 bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Bei den CMGs 62 und 64 könnte es sich genausogut um standardmäßige Kreisel handeln; das Vorliegen des RWA-Arrays für das Präzisionsdrehmoment während des Scannens gestattet jedoch einen CMG mit einer qualitätsmäßig geringeren Störausgabe und deshalb geringeren Kosten.
  • Die Vorteile der billigeren CMGs besteht neben den Koten darin, daß, während eine dreiachsige CMG-Steuerung in der Regel Schleifringe oder ähnliche Einrichtungen benötigt, um die elektrischen Signale in die sich drehende Kardanaufhängung der CMGs hinein- und herauszuführen, der Scherenpaar-CMG in der vorliegenden Erfindung lediglich Kabel oder Signalübertragungsbaugruppen mit begrenzter Verlagerung aufweisen kann, um die Signale weiterzuleiten, was zu einer einfacheren Einrichtung mit verbesserter Zuverlässigkeit führt. Die Drehmomentqualität des aufwendigen CMG ist notwendigerweise hoch, während es möglich ist, daß die CMGs der vorliegenden Erfindung ein „grobes" Drehmoment oder ein Drehmoment mit niedrigerer Qualität besitzen, damit man sowohl die Schwenk- als auch Scanmissionen erzielt. Bei der typischen Satellitensteuerung werden zudem als Minimum für die Steuerung drei CMGs benötigt, während bei der vorliegenden Erfindung nur zwei benötigt werden. Die Tatsache, daß das Scherenpaar aus CMGs in Kombination mit einem Reaktionsradarray verwendet werden, ermöglicht den Einsatz von kostengünstigeren CMGs und ihre reduzierte Anzahl.
  • Es ist deshalb ersichtlich, daß ein Steuersystem bereitgestellt wird, das im Scanmodus arbeiten und dann mit weniger Störung als bisher möglich in einen schnelleren Schwenkmodus umschalten kann. Dies wird durch ein Gerät erreicht, das preiswerter und einfacher im Einsatz ist als Systeme nach dem Stand der Technik. Dem Durchschnittsfachmann bieten sich viele offensichtliche Modifikationen, beispielsweise unter Verwendung der Scherenpaare in anderen Umgebungen als im Weltraum und zu anderen Zwecken als zum Schwenken und Scannen. Außerdem sind zwar zwei CMGs als ein Scherenpaar gezeigt worden, doch kann es zwei oder mehr Scherenpaare geben und es kann bewirkt werden, daß sich alle ihre Impulsvektoren addieren, wodurch die Ausgabe verdoppelt, verdreifacht usw. wird. Sogar drei und andere ungeradzahlige Anzahlen von CMGs können verwendet werden, solange sie so angeordnet sind, daß sich ihre Impulsvektoren in einer Position aufheben und in anderen addieren. Eine „Y"-förmige Anordnung aus drei CMGs mit 120 Grad zwischen den Armen würde eine Nullsituation erzeugen, und eine Änderung der Winkel würde eine summierte Situation mit einem maximalen Impuls des Dreifachen des einzelnen CMG-Impulses erzeugen.

Claims (12)

  1. Steuervorrichtung für ein Fahrzeug (10), umfassend: eine Reaktionsradbaugruppe (38), die betätigt wer den kann, damit das Fahrzeug eine begrenzte Scanbewegung erhalten kann, und ein Scherenpaar von Steuerimpulskreiseln CMGs (32) mit jeweils einer Spinachse und einem Drehimpulsvektor und Mitteln zum Drehen der Spinachsen des Scherenpaars, um zu bewirken, daß die Impulsvektoren ihre Richtung ändern und je nach dem Ausmaß der Drehung der Spinachsen entweder in entgegengesetzten Richtungen, der gleichen Richtung oder Richtungen dazwischen wirken, wodurch das Scherenpaar eine Schwenkbewegung für das Fahrzeug bereitstellt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegung der Scherenpaar-Spinachsen auf eine einzige Ebene beschränkt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Scherenpaar (32) dazu verwendet wird, ein großes Drehmoment zu erzeugen, damit man für eine Neuorientierung des Fahrzeugs (10) zwischen Scans einen schnellen Schwenk erhält.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die von der Reaktionsradbaugruppe (38) erzeugte Scanbewegung durch den von dem Scherenpaar (32) erzeugten Impuls unterstützt wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Scherenpaar (32) eine Störung erzeugt und mit der Reaktionsradbaugruppe (38) die Störung gemildert wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Anzahl der CMGs in einem Scherenpaar (32) über 2 liegt und wobei sie zusammen verwendet werden, um in einer Ebene ein Drehmoment und einen Impuls zu erzeugen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Impulsvektoren des Scherenpaars (32) im wesentlichen in einer Ebene liegen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug (10) ein Satellit ist und die Scanbewegung terrestrische Ziele beobachten soll.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Scanbewegung für den Satelliten (10) zur Verwendung durch eine Radarantenne erzeugt wird.
  10. Verfahren zum Steuern eines Satelliten (10) und deshalb einer Scaneinrichtung (14) daran, mit den folgenden Schritten: Bewirken einer Scanbewegung der Scaneinrichtung durch Verwendung einer Reaktionsradbaugruppe (38) und Bewirken einer Schwenkbewegung des Satelliten durch Verwendung mindestens eines Scherenpaars von Steuerimpulskreiseln (32).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, weiter mit dem folgenden Schritt: Verwenden des Scherenpaars von Steuerimpulskreiseln (32), um das Erzeugen der Scanbewegung durch die Reaktionsradbaugruppe (38) zu unterstützen.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin mit dem folgenden Schritt: Verwenden der Reaktionsradbaugruppe (38) zum Mildern einer von dem Scherenpaar (32) erzeugten etwaigen Störung.
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