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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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1. Erfindungsgebiet
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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.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
US-A-5,681,012 ist eine Steuereinrichtung bekannt, die ein Scherenpaar
aus Steuerbewegung und Kreiseln verwendet.
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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.
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Es
wird außerdem
ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt (siehe Anspruch 10).
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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.
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1 ist eine Darstellung eines
Raumfahrzeugs und eines gescannten Teils der Erde;
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2 ist eine Darstellung der
Kombination aus einem RWA und einem Scherenpaar von CMGs gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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3a, 3b und 3c sind
Darstellungen dessen, wie die Richtung des Drehmoments bei einem Scherenpaar
mit der Spinachsenausrichtung variiert.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.