DE60302233T2

DE60302233T2 - Virtuelle reaktionsradanordnung bei benutzung von control moment gyros

Info

Publication number: DE60302233T2
Application number: DE60302233T
Authority: DE
Inventors: A. David BAILEY; E. Norman JOHNSON
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: EP1494919B1; WO2003086861A1; DE60302233D1; AU2003223570A1; US6648274B1; EP1494919A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Fluglagekontrollsystem für ein Raumfahrzeug und insbesondere die Kontrolle einer Control Moment Gyro-Anordnung mit einer Reaktionsradelement-Steuereinheit.
Es gibt derzeit zahlreiche dreiachsstabilisierte Raumfahrzeuge (zum Beispiel Satelliten), die Reaktionsradelemente (RWAs) für die Fluglagekontrolle verwenden. Aufgrund der Komplexität der Raumfahrzeug-Fluglagekontrolle, ist die Geldinvestition in Softwareprogramme für eine typische RWA-Steuereinheit im Allgemeinen recht umfangreich. Typischerweise werden Signale, die von einem Trägheitsmelder bereitgestellt sind, und auch Bezugssignale, die durch andere Melder (zum Beispiel Erd-, Sonnen- und Sternmelder), die im Raumfahrzeug aufgenommen sind, bereitgestellt sind, von der RWA-Steuereinheit verwendet, um den Effekt auf das Raumfahrzeug zu bestimmen, wenn eine Geschwindigkeit eines Rotors, das heißt eines Rades, von einem RWA geändert wurde. Im Allgemeinen umfasst jeder Melder und jedes Rad eine Oberfläche, die es den Meldern, und Rädern ermöglicht, der RWA-Steuereinheit Informationen in einem bestimmten Format (zum Beispiel 1553-Protokoll) bereitzustellen und/oder von ihr zu empfangen. Auf diese Weise kann die RWA-Steuereinheit die Telemetrie des Raumfahrzeuges angemessen kontrollieren.
Um die Fluglagekontrolle des Raumfahrzeug zu erreichen, stellt eine typische RWA-Steuereinheit jedem RWA-zugeordneten Stellglied (zum Beispiel Motor/Generator) Momentsignale bereit, die einen zugeordneten Rotor, das heißt Rad, dazu veranlassen, mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu laufen, wobei diese Radgeschwindigkeit im Betrieb der RWA-Steuereinheit bereitgestellt ist. Im Allgemeinen steht eine Radgeschwindigkeit (ω) durch die folgende Gleichung in Beziehung mit einem Momentbefehl (τ):
wobei J das Trägheitsmoment eines gegebenen RWA-Rades und S der Laplace-Operator ist.
Im Allgemeinen wird ein Momentbefehl von einer RWA-Oberfläche empfangen, die dem Motor ein angemessenes Signal bereitstellt und ebenfalls der RWA-Steuereinheit Rückkopplung bereitstellt, in Form einer zugehörigen Radgeschwindigkeit. Jedes RWA kann über seine eigene RWA-Oberfläche verfügen oder es kann eine zentralisierte Oberfläche für alle RWAs verwendet werden. Die Geschwindigkeiten, die von der RWA-Steuereinheit empfangen sind, werden zum Teil verwendet, um ein angemessenes externes Moment für den Satelliten zu bestimmen, um somit den gespeicherten Drehimpuls der RWA-Anordnung zu entsättigen. Es können verschiedene Entsättigungstechniken implementiert sein, wie Stabmagneten, die ein Moment erzeugen, indem sie dem Erdmagnetfeld entgegenwirken oder es können Heiß- oder Kaltgastriebwerke in Paaren verwendet werden, um ein gewünschtes Moment zu erzeugen. Obwohl viele Raumfahrzeuge Nutzen aus der erhöhten Agilität, die von Control Moment Gyros (CMGs) bereitgestellt wird, ziehen könnten, tendierten zahlreiche Raumfahrzeughersteller nicht zu CMG-Anordnungen, und dies aufgrund der umfangreichen Geldinvestition, die beim Schreiben und Verfeinern der Softwareprogramme zum Kontrollieren der RWA-Anordnungen anfallen. Ein anderes Beispiel eines Systems vom Stand der Technik kann in der US-Patentschrift Nr. B1-6340137 gefunden werden, die den nächstkommenden Stand der Technik bildet.
Folgendermaßen wäre es erstrebenswert, ein Fluglagekontrollsystem für ein Raumfahrzeug bereitzustellen, das fähig ist, eine Reaktionsradelement(RWA)-Steuereinheit zum Kontrollieren einer Control Moment Gyro(CMG)-Anordnung zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluglagekontrollsystem für ein Raumfahrzeug, das eine Fluglagenkontrollelement(ACA)-Oberfläche, eine Control Moment Gyro(CMG)-Anordnung und eine Reaktionsradelement(RWA)-Steuereinheit umfasst. Die CMG-Anordnung umfasst mehrere CMGs, die angekoppelt sind und CMG-Kardanraten von der ACA-Oberfläche empfangen und der ACA-Oberfläche CMG-Kardanwinkel bereitstellen. Die RWA-Steuereinheit ist an die ACA-Oberfläche gekoppelt und stellt der ACA-Oberfläche RWA-Momentbefehle bereit. Die ACA-Oberfläche konvertiert die Momentbefehle in CMG-Kardanraten und empfängt CMG-Kardanwinkel von den CMGs und konvertiert die CMG-Kardanwinkel in RWA-Geschwindigkeiten, die der RWA-Steuereinheit bereitgestellt sind.
Diese und weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden näher durch den Fachmann unter Bezugnahme auf die nachstehende Spezifikation, die Patentansprüche und die beiliegenden Zeichnungen verstanden und erkannt.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Raumfahrzeugs mit mehreren Control Moment Gyros (CMGs), die in einer Pyramidenkonfiguration angeordnet sind, um das Raumfahrzeug um jede beliebige Achse zu orientieren;
2 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Reaktionsradelement(RWA)-Steuereinheit, die an eine RWA-Anordnung gekoppelt ist;
3 ein Blockschaltbild einer RWA-Steuereinheit, die durch eine ACA-Oberfläche gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform an eine CMG-Anordnung gekoppelt ist; und
4 ein Blockschaltbild, das die Übertragungsfunktionen, die von der Oberfläche von 3 implementiert sind, darstellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein Fluglagekontrollsystem (ACS) für ein Raumfahrzeug eine Reaktionsradelement(RWA)-Steuereinheit, um eine Control Moment Gyro(CMG)-Anordnung zu kontrollieren. Dies erlaubt es Satellitenentwicklern auf vorteilhafte Weise CMG-Anordnungen für erhöhte Raumfahrzeugagilität zu verwenden, und dabei Softwareprogramme wieder zu verwenden, die zur Kontrolle der RWA-Anordnung entwickelt wurden.
1 zeigt eine beispielhafte CMG-Anordnung 100, die in einem zugehörigen Raumfahrzeug aufgenommen ist, die sechs CMGs 102–112 umfasst, die in einer Pyramidenkonfiguration angeglichen sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die CMGs 102–112 von einer RWA-Steuereinheit über eine Oberfläche kontrolliert werden, um die Fluglage des Raumfahrzeuges zu kontrollieren.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Fluglagekontrollsystem 200, das eine RWA-Steuereinheit 202 umfasst, die an mehrere Reaktionsradelemente (RWAs) 204, 206, 208 und 210 gekoppelt ist, die eine RWA-Anordnung 214 bilden. Die RWA-Steuereinheit 202 ist programmiert, um jedem der RWAs 204–210 Momentbefehle (τ) bereitzustellen und von jedem der RWAs 204–210 Radgeschwindigkeiten (ω) zu empfangen. Die RWA- Steuereinheit 202 empfängt ebenfalls Eingaben von einer Melderanordnung 212, die einen Trägheitsmelder umfasst und die Erd-, Sonnen- und Sternmelder umfassen kann.
Wie es in 3 gezeigt wird, ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche 316 implementiert, die es der RWA-Steuereinheit 202 erlaubt, verwendet zu werden, um eine Control Moment Gyro(CMG)-Anordnung 314 zu kontrollieren. Das bedeutet, dass die Oberfläche 316 Momentbefehle, die von der RWA-Steuereinheit 202 empfangen sind, in CMG-Kardanraten (δ .) konvertiert, und dies für jeden der mehreren Control Moment Gyros (CMGs) 304, 306, 308 und 310, die in der CMG-Anordnung 314 enthalten sind. Jedes der CMGs 304–310 stellt der Oberfläche 316 CMG-Kardanwinkel (δ) bereit, wobei die Oberfläche die Kardanwinkel in Radgeschwindigkeiten (ω) konvertiert, die der RWA-Steuereinheit 202 bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann die RWA-Steuereinheit 202 weiterhin Softwareprogramme verwenden, die zum Kontrollieren von RWA-Anordnungen entwickelt wurden, und gleichzeitig Nutzen aus der erhöhten Agilität ziehen, die durch CMG-Anordnungen bereitgestellt ist.
4 zeigt Übertragungsfunktionen, die in der Oberfläche 316 von 3 implementiert sind. Es ist offensichtlich, dass die Übertragungsfunktionen in Hardware oder in Software realisiert werden können. Wie gezeigt wird, sind der Oberfläche 316 mehrere Momentbefehle (τ) durch die RWA-Steuereinheit 202 bereitgestellt. Das Produkt der Momentbefehle (τ) und einer Satelliten-Drehimpulszahl (h ._s) ergibt Satelliten-Momente ω_s. Die Satelliten-Drehimpulszahl (h ._s) ist durch die folgende Formel definiert: h .s = B·h .nva wobei 'B' die Jacobi-Determinante von der RWA-Geschwindigkeit zum Drehimpuls
ist. Die Jacobimatrix 'B' ist eine '3 × n' Matrix vom Rang 3, wobei 'n' die Zahl aktiver RWAs ist. Das Produkt des Satelliten-Momentbefehls ω_s und einer Übertragungsfunktion [AA^T + λE]^–1 liefert die Kardanrate (δ .), die der CMG-Anordnung 314 bereitgestellt ist. Hier ist 'A' die Jacobi-Determiante vom CMG-Winkel zu, Drehimpuls
wobei 'H' der Drehimpuls und 'δ' der CMG-Kardanwinkel ist. Die stabile Pseudo-Umkehrung, wie sie in der US-Patentschrift Nr. 6,039,290 offenbart wird, wird verwendet, um den Momentbefehl in die CMG-Kardanrate umzuwandeln.
Die CMGs nehmen die jeweiligen Kardanrate erzeugenden Kardanwinkel (δ) auf. Das Produkt der Kardanwinkel (δ) und die 'A' Matrix ergeben den gespeicherten Drehimpuls 'H' der CMG-Anordnung. Das Produkt der umgekehrten 'B' Matrix und des Drehimpulses 'H' wird danach durch das Radträgheitsmoment 'J' geteilt, um äquivalente Geschwindigkeiten (ω) des virtuellen RWA zu ergeben. Wenn 'n' (das heißt die Zahl implementierter Räder) größer als drei ist, dann stellt B^–1 die Pseudo-Umkehrung von 'B' dar, die die Jacobi-Determinante von der RWA-Geschwindigkeit zum Drehimpuls ist. Dann werden die Geschwindigkeiten (ω) derart zur RWA-Steuereinheit 202 rückgekoppelt, dass die RWA-Steuereinheit 202 den Speicher-Drehimpuls des Raumfahrzeuges auf herkömmliche Weise verwalten kann.
Demgemäß wird hier ein Fluglagekontrollsystem beschrieben, das eine Fluglagenkontrollelement(ACA)-Oberfläche umfasst, die RWA-Momentbefehle von einer RWA-Steuereinheit empfängt und die Momentbefehle in CMG-Kardanraten konvertiert, die einer CMG-Anordnung bereitgestellt werden. Die ACA-Oberfläche konvertiert ebenfalls Kardanwinkel, die von der CMG-Anordnung empfangen sind, in RWA-Radgeschwindigkeiten, die der RWA-Steuereinheit bereitgestellt werden.
Die vorstehende Beschreibung betrifft nur die vorzugsweisen Ausführungsformen. Änderungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann und diejenigen, die die Erfindung ausführen oder verwenden werden. Demgemäß versteht sich, dass die Ausführungsformen, die in den Zeichnungen gezeigt werden und die vorstehend beschrieben werden, lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Rahmen der Erfindung einzuschränken, der durch die nachstehenden Patentansprüche definiert ist, die gemäß den Prinzipien des Patentgesetzes ausgelegt sind.

Claims

Fluglagekontrollsystem (200) für ein Raumfahrzeug, wobei das System Folgendes umfasst: eine Fluglagekontrollelement(ACA)-Oberfläche; eine Control Moment Gyro(CMG)-Anordnung (100) mit mehreren CMGs (102–112), die angekoppelt sind und CMG-Kardanraten von der ACA-Oberfläche empfangen und der ACA-Oberfläche CMG-Kardanwinkel bereitstellen; und wobei das Fluglagekontrollsystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner Folgendes umfasst: eine Reaktionsradelement(RWA)-Steuereinheit (202), die an die ACA-Oberfläche gekoppelt ist, wobei die ACA-Oberfläche RWA-Momentbefehle von der RWA-Steuereinheit empfängt und die Momentbefehle in die CMG-Kardanraten konvertiert, und wobei die ACA-Oberfläche von den CMGs die CMG-Kardanwinkel empfängt und die CMG-Kardanwinkel in RWA-Radgeschwindigkeiten konvertiert, die der RWA-Steuereinheit bereitgestellt sind.
System nach Anspruch 1, wobei die CMGs (102–112) einkardanische CMGs sind.
System nach Anspruch 1, wobei die CMGs (102–112) doppelkardanische CMGs sind.
System nach Anspruch 1, wobei die CMG-Anordnung (100) drei CMGs umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die CMG-Anordnung (100) vier CMGs umfasst.
System nach Anspruch 1, das ferner Folgendes um fasst: eine Melderanordnung (212), die an die RWA-Steuereinheit (202) gekoppelt ist, wobei die Melderanordnung der RWA-Steuereinheit Trägheitsinformationen bereitstellt.