DE69212724T2

DE69212724T2 - Verfahren und System zur Steuerung einer Trägerplatte für ein Momentrad

Info

Publication number: DE69212724T2
Application number: DE69212724T
Authority: DE
Inventors: Douglas J Bender; James D Brehove; William F Hummel
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2012-05-08
Also published as: CA2066852C; CA2066852A1; EP0520165A1; US5261631A; DE69212724D1; JPH05185997A; JP2534006B2; EP0520165B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Fluglage- Stabilisierung eines Raumfahrzeuges, und insbesondere eine Schwungradplattform mit einer Steuervorrichtung, die für Fluglageregelung von körperstabilisierten Satelliten sorgt, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 dargelegt. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Steuern der Plattformraten einer Schwungradplattform.
Es ist bekannt, Schwungräder zum Ausgleichen periodischer Störungsmomente zu benutzen, die auf ein stabilisiertes Raumfahrzeug wie beispielsweise einen geostationären Nachrichtenverbindungs-Satelliten einwirken. Das Schwungrad ist an dem Raumfahrzeug um eine Achse drehbar angebracht, die wahlweise relativ zu den Achsen des Raumfahrzeuges ausgerichtet ist, üblicherweise senkrecht zur Ebene der Umlaufbahn des Raumfahrzeuges.
Die Drehzahl des Schwungrades wird einfach erhöht oder vermindert, um aktive Steuerung um die zur Umlaufbahnebene senkrechte Achse zu schaffen, wobei das Drehmoment des Rades ausreicht, die Auswirkungen der störenden Drehmomente auf das Raumfahrzeug auszugleichen. Um eine aktive Steuerung um Achsen in der Umlaufbahnebene zu erreichen oder Auswirkungen von störenden Drehmomenten um solche Achsen auszugleichen, muß die Ausrichtung der Schwungradachse gekippt werden.
Bisher wurde erwogen, daß Schwungräder des vorstehend beschriebenen Typs an einem Raumfahrzeug mit Hilfe eines Doppelkardan- Systems anzubringen, in der gleichen Art, wie es seit langem beim Befestigen von Kompassen und dergleichen in Gebrauch ist, die eine Redundanz in dem Antriebsinechanismus um jede Achse benutzen. Die Kardanaufhängungs-Anordnung ist jedoch aus verschiedenen Gründen nicht voll zufriedenstellend. Die herkömmlichen Kardanaufhängungen sind relativ kompliziert in ihrer Auslegung, schwerer als erwünscht (bei der Raumfahrt ein wichtiger Faktor) und ergeben Zuverlässigkeitsprobleme. Falls irgendein Abschnitt einer Kardanaufhängung versagt, ist die gesamte Schwungrad-Anordnung nicht mehr betreibbar.
Eine andere Art, Schwungräder zu kippen, ist in einer Veröffentlichung beschrieben mit dem Titel "CMG's and Momentum Wheels", Revision 3, Publication Nr. 61-7223-00-03, veröffentlicht durch Sperry Flight Systems. Das in dieser Veröffentlichung beschriebene kippbare Schwungrad ist fähig, eine dreiachsige Lagesteuerung zu schaffen und enthält lineare Kardanstellglieder, die um den Umfang des Schwungrades angeordnet sind und ein einzelnes Zentral-Kugelschwenklager, welches das Rad abstützt Sphärische Schwenklager sind an jedem Ende der Stellglieder vorgesehen und wirken so als Gelenkpunkte an der Fahrzeug/Schwungrad-Übergangsstelle und der Schnittstelle mit dem Gehäuse, das das Rad umgibt. Diese Art von Schwungrad leidet auch an einer Anzahl von Nachteilen, einschließlich der Tatsache, daß das Rad nicht richtig positioniert werden kann, falls eines der Linearstellglieder versagt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren und eine Vorrichtung zum Lenken von Schwungrad-Plattformen, wie sie in EP-A-424 937 diskutiert sind.
Die Schwungrad-Plattform und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird jeweils bestimmt durch die Merkmale der Patentansprüche 8 bzw. 1. Das Lenkverfahren und die Lenkvorrichtung für eine Schwungrad-Plattform nach der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet als primäres Lagesteuersystem für die Satelliten der Reihen AUSSAT B, GALAXY, ASTRA und MSAT.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leichter verstanden werden bei Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichartige strukturelle Elemente bezeichnen und in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Raumfahrzeuges mit einer Schwungrad-Plattform-Anordnung ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Dreieck-Plattform ist, an der ein Schwungrad angebracht ist und die an jeder ihrer Ecken Linearstellglieder (lineare Aktuatoren) besitzt;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer aktuellen Ausführung einer Schwungrad-Plattform-Anordnung ist, bei der das Verfahren und die Vorrichtung zum Lenken einer Schwungrad-Plattform nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
Fig. 4 ein vereinfachtes Schemaschaubild in Blockform eines Raumfahrzeug-Steuerprozessors ist, die mit der Schwungrad-Plattform-Anordnung nach Fig. 3 verbunden ist;
Fig. 5 ein vereinfachtes Schemaschaubild in Blockform des Raumfahrzeug-Steuerprozessors der Fig. 4 ist;
Fig. 6 und 7 Draufsichten bzw. Seitenansichten einer schematischen Schaubildskizze einer Schwungrad-Anordnung sind mit Definition der verwendeten Symbole;
Fig. 8 ein Schaubild ist, welches das Schwungrad-Plattform-Lenksystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9 ein Schaubild ist, welches die Schwungrad-Positionierlogik bestimmt und Transformationen mit drei Betätigungs- Stellgliedern zeigt; und
Fig. 10 ein vereinfachtes Schemaschaubild in Blockform eines Raumfahrzeug-Steuersystems gemäß der Erfindung ist, welche einige alternative Ausführungen und Abwandlungen anzeigt.
In den Zeichnungen ist in Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Raumfahrzeugs 10 mit einer zum Schaffen einer Lagestabilisierung desselben angebrachten Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 gezeigt. Diese Art von Raumfahrzeug 10 wird als drehmomentbeaufschlagtes körperstabilisiertes Fahrzeug oder dreiachsenstabilisiertes Fahrzeug bezeichnet, im Gegensatz zu einem spinnstabilisierten (drehungsstabilisierten) Fahrzeug. Typischerweise kann ein solches Raumfahrzeug 10 zur Redundanz mit zwei derartigen Schwungrad-Plattform-Anordnungen 11 versehen sein, von denen eine als die Nord-Schwungradanordnung, die andere als die Süd-Schwungradanordnung bezeichnet wird. In der schematischen Darstellung der Fig. 1 wird jedoch aus Vereinfachungsgründen nur eine Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 gezeigt. Die Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 ist mit einem Hochdrehzahl-Schwungrad 12 versehen, das um eine Drehachse 13 rotiert, die normalerweise mit der y-Achse des Raumfahrzeuges 10 ausgerichtet ist. Das Schwungrad 12 wird durch drei Linearsteliglieder wie Hebeschrauben 14, 15, 16 abgestützt, die jeweils mit 120º Abstand um seinen Umfang angeordnet und schwenkbar mit ihm verbunden sind. Die Hebeschrauben oder -spindeln 14, 15, 16 werden durch Schrittmotore 21 angetrieben, um das Schwungrad 12 zu kippen.
Nach Fig. 2 kann typischerweise die Schwungrad-Plattform- Anordnung 11 als Plattform 24 in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgeführt sein, wobei an jeder Ecke desselben jeweils eine Hebeschraube 14, 15, 16 schwenkbar angebracht ist, wodurch das Schwungrad 12 abgestützt wird. Die drei Hebeschrauben 14, 15, 16 wirken als Linearsteliglieder (lineare Aktuatoren), und jede Hebeschraube 14, 15, 16 kann unabhängig positioniert werden, oder sie können alle gleichzeitig betrieben werden, um die Dreieckplattform 24 mit gewünschten Raten zur Drehung um zwei Achsen zu bringen. Die vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Vorrichtung, die benutzt werden können, um die Zweiachsen-Rate und -Position wie auch die lineare Anhebung der dreieckigen Plattform 24 zu steuern, welche das Schwungrad 12 trägt. Durch Benutzen des Lenksystems nach der vorliegenden Erfindung zum Kippen des Schwungrades 12 kann ein Steuer-Drehmoment in der zur Nenn-Radumlaufachse 13 senkrechten Ebene erzeugt werden.
In Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer aktuellen Ausführung einer Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 gezeigt, wie sie in EPA-424 937 gezeigt und beschrieben ist. Ein Schwungrad 30 ist an einer dreieckigen Plattform 31 angebracht und diese besitzt an jeder ihrer Ecken einen dort angebrachten Kippmechanismus 32. Nur einer der drei Kippmechanismen 32 ist in Fig. 3 gezeigt. Jeder Kippmechanismus 32 umfaßt einen Schrittmotor 33, der eine mit Gewinde versehene Schraubenspindel 34 dreht. Ein mit Gewinde versehenes Kugelmutterteil 35 ist auf die Schraubenspindel 34 aufgeschraubt und wird bei deren Drehung in Längsachsenrichtung der Spindel 34 versetzt. Das kugelförmige Mutterteil 35 besitzt ein kugelförmiges Fassungsteil, das als Schwenkgelenk wirkt. Das Schwungrad 30 und die dreieckige Plattform 31 kippen als eine Einheit. Drei Linearpotentiometer 36 sind jeweils an einer der drei Ecken der dreieckigen Plattform 31 befestigt und jedes besitzt eine mit dem Mutterteil 35 verbundene Welle 37. Jedes Potentiometer 36 erzeugt eine Spannung, deren Amplitude auf die durch den entsprechenden Kippmechanismus 32 erzeugte Kippversetzung bezogen ist. Die Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 ist mit einer Abhebesperre 38 versehen, um das Schwungrad 30 vor und während Starts vom Boden zu sperren. Ein elektrischer Stecker 40 ist vorgesehen, um die elektrischen Klemmen der Schrittmotore 33 und der Potentiometer 36 mit einem Raumfahrzeug-Signalprozessor zu verbinden.
Fig. 4 ist ein vereinfachtes Schemaschaubild in Blockform eines Raumfahrzeug-Steuerprozessors 42, der mit der Schwungrad- Plattform-Anordnung 11 nach Fig. 3 verbunden ist. Es ist zu verstehen, daß der Raumfahrzeug-Steuerprozessor 42 auch viele andere Systeme und Vorgänge steuert, die ohne jede Beziehung zur Schwungradsteuerung sind und hier nicht beschrieben werden. Die Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 ist mit einer Schwungrad- Antriebselektronik 43 gekoppelt, welche das Beschleunigen und Abbremsen des Schwungrades steuert. Die Schwungrad-Ansteuerelektronik 43 erzeugt auch Indeximpulse, welche die Drehzahl des Rades 30 und seine Drehrichtugn bezeichnen. Die Indeximpulse werden dem Raumfahrzeug-Steuerprozessor 42 über einen ersten Bus 44 übermittelt, und Schwungrad-Drehmomentbefehle werden der Schwungrad-Ansteuerelektronik 43 über den ersten Bus 44 übermittelt. Hebeschrauben-Ansteuersignale werden der Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 über einen zweiten Bus 45 übermittelt. Das Ausfahren jeder Hebeschraube 14, 15, 16 wird angezeigt durch die Amplitude der durch das jeweilige Linearpotentiometer 36 erzeugten Spannung. Bei der in Fig. 4 gezeigten vorliegenden Ausführung werden die Meßergebnisse der Linearpotentiometer 36 von der Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 zu einer Telemetrie-Kodierereinheit 46 über einen dritten Bus 47 übertragen. Die Telemetrie-Kodierereinheit 46 ist mit dem Raumfahrzeug-Steuerprozessor 42 mittels eines vierten Bus 48 gekoppelt. Es ist zu verstehen, daß die Meßergebnisse von den Linearpotentiometern 36 je nach Wunsch zum Raumfahrzeug-Steuerprozessor 42 oder zu einer Bodensteuerstation übertragen werden können. Eine Befehlsdekodiereinheit so ist mit dem Raumfahrzeug-Steuerprozessor 42 über einen fünften Bus gekoppelt. Es ist zu verstehen, daß Signale von der Schwungrad-Plattform- Anordnung 11 zu einer Bodensteuerstation telemetriert werden können, und daß Bodenbefehle an die Schwungrad-Plattform- Anordnung angelegt werden können.
Fig. 5 ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild in Blockform des in Fig. 4 dargestellten Raumfahrzeug-Steuerprozessors 42. Wiederum ist zu verstehen, daß der Raumfahrzeug-Steuerprozessor 42 viele andere Systeme und Vorgänge steuert, die ohne jede Beziehung zu der Schwungradsteuerung sind und hier nicht beschrieben werden. Wie in Fig. 5 zu sehen, ist die Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 innerhalb eines Raumfahrzeug- Dynamikblocks 54 enthalten. Ein Schrittmotor-Steuerschaltungsblock 55 schafft Hebeschrauben-Schrittbefehle zu der Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 innerhalb des Raumfahrzeug-Dynamikblocks 54. Die Hebeschrauben-Schrittbefehle werden erzeugt durch einen Schrittlogikblock 56, der Hebeschrauben-Positionsbefehle von einem Plattform-Lenkalgorithmusblock 57 erhält. Roll/Gier-Plattformratenbefehle (Bewegungen um die Längs- bzw. die Hochachse betreffende Befehle) werden an den Plattform- Lenkalgorithmusblock 57 durch einen Steuergewinnblock (der den Gewinn der Steuerung beeinflußt) 58 angelegt. Ein Roll/Gier- Statusschätzer 60 legt ein Signal an den Steuergewinnblock 58 an. Der Schrittlogikblock 56 legt Schrittzählwerte an den Roll/Gier-Statusschätzer 60 und an einen Momentverwalterblock 61 an. Der Momenteverwalterblock 61 übermittelt Daten zum Plattform-Lenkalgorithmusblock 57 und tauscht Daten mit dem Roll/Gier-Statusschätzer 60 aus. Ein Normalmodus-Phasenfolge- Logikblock 62 sendet Daten zum Roll/Gier-Statusschätzer 60 und zu dem Steuergewinnblock 58.
Fig. 6 und 7 sind jeweils Ansichten von oben und von der Seite einer schematischen Zeichnung einer Schwungrad-Plattform- Anordnung 11, die verwendet werden, um die nachher benutzten Symbole zu definieren. Fig. 6 und 7 identifizieren die Stellglied- und Achsenausrichtung für den besonderen Fall, wo die Stellglieder sich an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks befinden. Eine Dreieck-Plattform 31 besitzt Eckpunkte A, B und C. Durch (nicht dargestellte) Schrittmotore angetriebene Spindelwellen 34 sind an den jeweiligen Ecken A, B, und C der Dreieck-Plattform 31 befestigt. Das Schwungrad 30 ist an der Dreieck-Plattform 31 befestigt. Die Schwungrad-Plattform- Anordnung 11 kann eine von zwei derartigen Anordnungen sein, die normalerweise in dem Raumfahrzeug 10 benutzt werden, eine als "nord" und eine als "süd" bezeichnet. Fig. 6 und 7 zeigen die der Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 zugeordneten - und γ-Achsen.
Das Schwungrad-Plattform-Lenksystem der vorliegenden Erfindung ist ausgelegt, Steuermomente für das Raumfahrzeug zu schaffen durch Drehen der Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 um Achsen, die senkrecht zu seiner Nenn-Umdrehungsachse liegen, wie auch Mittel zu schaffen, durch welche die Schwungrad-Plattform ohne irgendwelche begleitenden Drehungen angehoben oder abgesenkt werden kann. Die Roll- und Gier-Drehraten und der Schwungrad-Plattform sind auf die Roll- bzw. Gier-Steuermomente wie folgt bezogen:
TΦ = -H , oder = -Tφ/H,
= -Tψ, oder H , = -Tψ/H,
wobei Tφ und Tψ, die Drehmomente sind, die dem Raumfahrzeug um die Roll- bzw. Gierachse erteilt werden, und H das Drehmoment von nominell 61 N.m.s (45 ft-lb-sec) ist. Das Verfahren kann benutzt werden, um jedes Linearstellglied (jeden linearen Aktuator) unabhängig zu positionieren, oder es kann verwendet werden, um die dreieckige Plattform 31 mit den gewünschten Raten um die beiden Achsen und γ zu drehen. Auf jeden Fall wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt, um Plattformdrehungen zu errechnen, die wiederum durch das Roll/ Gier-Steuersystem benutzt werden, das ein Teil des Raumfahrzeug-Steuerprozessors 42 ist, um die Lagewinkel und -raten des Raumfahrzeuges zu steuern.
Mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren werden, wenn die gewünschten plattformraten zugeleitet werden, diese zuerst integriert und dann in die erforderlichen Ausfahrgrößen (Erstreckungen) der Linearstellglieder über eine "Vorwärtstransformation" transformiert. Diese Schritte werden umgangen, wenn die gewunschten Stellgliedausfahrungen direkt zugeliefert werden. Die Vorwärtstransformation drückt die drei Stellgliedausfahrungen, bezogen auf die zwei gewünschten Drehungen aus. Die gemessenen Stellgliedausfahrungen werden ebenfalls in Plattformdrehungen transformiert unter Benutzung einer "Rückwärtstransformation". Die jeweiligen Vorwärts- bzw. Rückwärtstransformationen sind in allgemeiner Form in den nachfolgenden Gleichungen 1 bzw. 2 gegeben.
wobei JAd, JBd und JCd die gewünschten Stellguedausfahrungen; JA, JB und JC die gemessenen Stellgliedausfahrungen; TR und TG die Vorwärtstransformations-Koeffizienten; TA, TB, TC, FA, FB und FC die Rückwärtstransformations Koeffizienten; d und γd die gewünschten Schwungrad-Plattformdrehungen; und γ die errechneten Schwungrad-Plattformdrehungen und JAf, JBf, JCf die gemessenen Ausfahrungen der Stellglieder im Versagensfall sind.
Wenn alle drei Stellglieder betriebsbereit sind, werden diese Transformationen eindeutig gemacht durch die Begrenzung, daß die Summe der Stellgliedausfahrungen Null ist. Wenn die Stellglieder an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks positioniert sind, erzwingt diese Begrenzung, daß die Mitte der Plattform 31 in einer festgelegten Höhe verbleibt. Diese Begrenzung ist erwünscht, da sie die erforderliche Abweichung jedes Stellgliedes von der Mitte seines Stellbereiches minimalisiert. Im Falle des Versagens irgendeines einzelnen Stellgliedes kann die Zweiachsen-Steuerung der Plattform 31 ohne Verhaltensverlust aufrecht erhalten werden durch Beseitigen dieser Begrenzung und Festsetzen der angemessenen Stellgliedausfahrungen in der Rückwärtstransformation JAf, JBf oder JCf auf den zugehörigen Meßwert.
Die Werte für die Vorwärts- und Rückwärtstransformations Koeffizienten hängen davon ab, welche Stellglieder betriebsbereit sind und wo sie an der Plattform 31 sitzen. Für den besonderen Fall, wo die Stellglieder an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks sitzen und die Achsen so, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, bestimmt sind, werden die Werte für die Koeffizienten in Tabelle 1 gegeben. Tabelle 1 - Übertragungs-Koeffizienten Versagende Hebeschr. Vorwärts-Übertragungs-Parameter keine Rückwärts-Übertragungs-Parameter Versagende Hebeschr. Multiplikatoren funktionierender Hebeschrauben-Terme keine Rückwärts-Übertragungs-Parameter Versagende Hebeschr. Multiplikatoren funktionierender Hebeschrauben-Terme keine
Ein Blockschaubild des Schwungrad-Plattform-Lenkverfahrens nach der vorliegenden Erfindung, das die Winkellagen der Schwungrad- Plattform steuert, ist in Fig. 8 gezeigt. Die Verdrahtung zu den Hebeschrauben-Schrittmotoren 33 des Kippmechanismus (Neigungsmechanismus) 32 ist so angeordnet, daß das gleiche Verfahren ohne Abwandlung benutzt werden kann, um entweder das Nord- oder das Süd-Schwungrad zu steuern.
Das Schwungrad-Plattform-Lenksystem hat drei Betriebsbefehl- Gestaltungen. (1) Normalerweise ist das System in einem Raten- Folgemodus. In dieser Gestaltung werden die durch das Roll/ Gier-Steuersystem erzeugte Drehratenbefehle für die Schwungrad- Plattform zuerst integriert, um die gewünschten Plattformwinkel zu ergeben, und dann in Hebeschrauben-Ausfahrungen transformiert. Hebeschrauben-Schrittbefehle werden errechnet als die Differenz zwischen diesen gewünschten Ausfahrungen und den gegenwärtigen Positionen der Hebeschrauben. Die gegenwärtigen Hebeschraubenpositionen werden auch zurücktrans formiert, um Plattformwinkel zu errechnen, die in den Roll/Gier-Statusschätzer 60 zurückgeleitet werden.
(2) Eine alternative Befehlskonfiguration sind die vom Boden befohlenen Schrittbefehle. In dieser Konfiguration arbeitet das Schwungrad-Plattform-Lenksystem genau wie vorher beschrieben, jedoch werden relative Hebeschrauben-Schrittbefehle von einer Bodenstation benutzt, statt der in der Ratenfolgekonfiguration errechneten Schrittbefehle. Diese Befehlskonfiguration ermöglicht es der Bodenstation, die Schwungrad-Plattform-Anordnung 11 zu positionieren.
(3) Die abschließende Befehlskonfiguration ist die Initialisierung. Diese Konfiguration, in der keine Hebeschrauben- Schrittbefehle erzeugt werden, wird durch die Bodenstation benutzt, um das Steuersystem mit den bestehenden Schwungrad- Plattform-Winkeln zu initialisieren. In dieser Gestaltung sendet die Bodenstation die gegenwärtigen Schwungrad-Plattform- Winkel, wie sie durch die Potentiometer 36 gemessen sind. Das Schwungrad-Plattform-Lenksystem initialisiert wiederum den Plattformraten-Befehlsintegrator mit diesen Winkeln, transformiert sie in Hebeschraubenausfahrungen und initialisiert die Hebeschrauben- Positionsregister. Dann initialisiert sie unter Verwendung der Rücktransformation die errechneten Schwungrad- Plattform-Winkel, welche zu dem Roll/Gier-Statusschätzer 60 zurückgeführt werden.
Das Lenksystem der Schwungrad-Plattform kann unter seinen drei Betriebskonfigurationen jederzeit umgeschaltet werden mit Verwendung eines Bodenstations-Befehls. In manchen Fällen wird eine Betriebsgestaltung automatisch ausgewählt durch Software, die auf dem Körpersteuermodus beruht. Die typische Betriebskonfiguration für jeden Körpersteuermodus ist in Tabelle 2 angezeigt. Tabelle 2 - Lenkbetriebsmodi der Schwungrad-Plattform Steuermodus Betriebs-Konfiguration Unter Beeinflussung von Aufstieg Bereitschaft Kreiselzeiger Sonnenzeiger Erdzeiger Übergang - Schub Übergang - Rad Normal Positionshalten Inaktiv Bodensteuerung-Schrittbetr. Ratenfolge Automatik durch S/W Boden Boden (S. Bem. (2)) Bemerkungen: (1) Initialisierung karin jederzeit durch Bodenbefehl befohlen werden. (2) Da dem Normalmodus ein Schwungrad-Übergangsmodus vorangeht, ist das System automatisch im Normalmodus in Ratenfolge.
Die Vorwärts-und Rückwärtstransformätionen für die drei Hebeschrauben-Betätigungsfälle sind an Bord als Ausgangswert gespeichert. Im Falle eines Hebeschraubenversagens kann eine abwechselnde Vorwärts- und Rückwärtstransformation vom Boden aus befohlen werden, um eine Schwungrad-Plattform-Steuerung mit nur zwei arbeitenden Hebeschrauben zu ermöglichen.
Das Blockschaubild in Fig. 9 zeigt, wie die befohlenen Schwungrad-Plattform-Drehraten in Einzelschrittbefehle für die drei Hebeschrauben transförmiert werden. Zuerst werden diese Drehraten integriert, um die gewünschte Schwungrad-Plattform-Ausrichtung d und γd zu errechnen.
Um die Schwungrad-Ausrichtungswerte d und γd in einen eindeutigen Satz von Hebeschraubenausfahrungen abzubilden, wenn alle drei Stellglieder in Betrieb sind, wird die Mitte der Plattform 31 auf stationären Verbleib beschränkt. Das schafft einen Satz von drei Gleichungen mit drei Unbekannten, wie in Fig. 9 gezeigt. Die Position jeder Hebeschraube wird durch diesen Satz von Gleichungen errechnet und dann durch die Schrittgröße quantisiert.
Ein Konstantdrehratenbefehl ergibt eine Reihe von Schritten für eine oder für mehrere Hebeschrauben mit einer durchschnittlichen Schrittrate in der Weise, daß sich die gewünschte Drehrate ergibt. Das sich ergebende an das Raumfahrzeug angelegte Drehmoment, während es im Durchschnitt gleich dem gewünschten Drehmoment ist, wird tatsächlich als eine Reihe vom Impulsen angelegt, wenn die Hebeschraubenschritte erfolgen, und kann zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt ganz unterschiedlich von dem Befehl sein. Damit der Roll/Gier-Statusschätzer 60 genau arbeiten kann, muß er die aktuellen Positionen und Raten der Schwungrad-Plattform kennen. Die aktuellen Plattformwinkel und γ werden errechnet durch Umkehren der vorher bschriebenen Transformation von den drei Hebeschraubenausfahrungen in zwei Schwungrad-Plattformwinkel.
Die Schwungrad-Plattform 31 kann sowohl um die Roll- wie die Gierachse mit nur zwei der drei Hebeschrauben gesteuert werden. Diese Fähigkeit kann im Fall eines Hebeschraubenversagens benutzt werden. In diesem Fall wird die Begrenzung fallengelassen, daß die Mitte der Schwungrad-Plattform 31 stationär bleibt. Die Vorwärts- und Rückwärtstransformationen sind in allgemeiner Form in Gleichungen 1 bzw. 2 gegeben. Im Falle eines Versagens werden die entsprechenden Transformations- Koeffizienten aus Tabelle 1 gewählt.
Die Vorwärts- und Rückwärtstransformationen für drei arbeitende Hebeschrauben werden im Speicher an Bord des Raumfahrzeuges gespeichert. Im Falle eines Hebeschraubenversagens kann eine alternative Vorwärts- und Rückwärtstransformation durch die Bodenstation befohlen werden, um eine Schwungrad-Plattform- Steuerung mit nur zwei arbeitenden Hebeschrauben zu ermöglichen.
Im Falle eines Versagens kann es notwendig sein, das Schwungrad-Plattform-Lenksystem neu zu initialisieren. Das kann erreicht werden durch Ablesen der Ausfahrung jeder Hebeschraube von den Meßergebnissen des Linearpotentiometers, wie sie in Telemetrie von der Bodenstation zugeleitet werden. Diese können dann an der Bodenstation unter Benutzung der gleichen Transformation, die an Bord des Raumfahrzeuges benutzt wird, in Plattformwinkel transformiert werden. Das jetzige Verfahren kann dann reinitialisiert werden durch Befehlen einer Initialisierungs-Gestaltung und Aufladen der Initial-Plattformwinkel. Das erfindungsgemäße Verfahren nimmt den Normalbetrieb wieder auf, sobald es in den Ratenfolgemodus geschaltet wird.
Es sollte klar zu verstehen sein, daß das Schwungrad-Plattform- Lenksystem gemäß der vorliegenden Erfindung in mehr als einer Weise betrieben werden kann und nicht auf einen Betrieb nur nach der vorangehenden Beschreibung begrenzt ist. Beispielsweise sammelt oder akkumuliert in der vorstehend beschriebenen bestimmten Ausführung der Plattformwinkel-Rückmeldung das System die Hebeschrauben-Stufenbefehle, transformiert die akkumulierten Hebeschrauben-Stufenbefehle zurück, um Plattformwinkel zu berechnen, und führt die errechneten Plattformwinkel zu dem Steuersystem zurück. Als eine Alternative könnte das System einfach die integrierten Plattform-Ratenbefehle dem Steuersystem zurückliefern und so den gesamten Rücktransformationsbetrieb beseitigen.
Das System errechnet auch in der bestimmten Ausführung des Ratefolgemodus, wie er vorstehend beschrieben wurde, den Schrittbefehl als Differenz zwischen der gewünschten und der gemessenen Hebeschraubenposition, wobei die gemessene Hebeschraubenposition die Summe der vorhergehenden Schrittbefehle ist. Es ist auch ein anderes Maß für die Hebeschraubenpositionen verfügbar. Die Potentiometer schaffen eine Messung der Hebeschraubenpositionen, die normalerweise nur bei der Bodensteuerstation benutzt wird. Als eine Alternative kann das System ggf. die Hebeschrauben-Schrittbefehle unter Benutzung der in dem Raumfahrzeug-Steuerprozessor verfügbaren Potentiometerablesung errechnen. Diese Alternative beseitigt die Notwendigkeit, die Schrittbefehle zu akkumulieren.
In Fig. 10 ist nun eine Ausführung des erfindungsgemäßen Schwungrad-Plattform-Lenksystems gezeigt. In der Ausführung nach Fig. 10 legt ein Roll/Gier-Statusschätzer und -Steuerer 100 Plattform-Ratenbefehle an einen Ratenintegrator 101 an, der Plattform-Winkelbefehle erzeugt, die an einen Vorwärtstransformations-Computer 102 angelegt werden. Der Vorwärtstransformations-Computer 102 erzeugt Stellglied-Ausfahrbefehle, die an einen Hebeschraubenschritt-Computer 103 angelegt werden. Alternativ können Plattform-Ratenbefehle oder Plattform-Winkelbefehle ggf. über eine Befehlsdekodiereinheit 104 übermittelt werden. Der Hebeschrauben-Schrittcomputer 103 legt Schrittbefehle an die drei Hebeschrauben 105 an, welche eine Schwungrad-Plattform 106 kippen. Das Ausfahren der Hebeschrauben 105 wird durch Potentiometer 107 gemessen, und die Messung über eine Telemetrie-Kodiereinheit 108 gesendet. Die Schrittbefehle werden in einem Schritt-Zähler und -Akkumulator 110 gezählt und akkumuliert. Die akkumulierten Schrittbefehle werden an einen Rückwärtstransformations-Computer 111 angelegt, der Plattformwinkel-Rückkopplungssignale erzeugt, die an den Roll/Gier- Statusschätzer und -Steurer 100 angelegt werden. Es sollte ersichtlich sein, daß es nicht notwendig ist, die Schrittbefehle zurückzutransformieren und die errechneten Winkel an den Roll/Gier-Statusschätzer und -Steurer 100 zurückzuführen. Dieser Vorgang ist nicht zum Betrieb des Systems erforderlich. Alternativ können die integrierten Plattform-Ratenbefehle von dem Ratenintegrator 101 zu dem Roll/Gier-Statusschätzer und -Steurer 100 zurückgeführt werden, wie durch eine gestrichelt gezeichnete Verbindung 112 in Fig. 10 gezeigt. Es wird offensichtlich sein, daß diese Verbindung den gesamten Rücktransformationsbetrieb umgeht.
Zweitens wird in der Ausführung nach Fig. 10 der Schrittbefehl im Hebeschrauben-Schrittcomputer 103 errechnet als die Differenz zwischen der gewünschten und der gemessenen Hebeschraubenposition. Wiederum ist dieser Vorgang nicht für den Betrieb des Systems erforderlich. Alternativ können die Schrittbefehle errechnet werden durch Benutzen der Ablesungen oder Meßergebnisse der Potentiometer 107, die dem Hebeschrauben-Schrittcomputer 103 zugeführt werden können, wie durch die wiederum bei 113 gestrichelt eingezeichnete Verbindung. Das beseitigt die Notwendigkeit zur Akkumulierung der Schrittbefehle.

Claims

1. Schwungradplattform (106) für ein Raumfahrzeug, welche lineare Aktuatoren (105) aufweist und mit einer Steuervorrichtung in einem Modus mit einer von einem an Bord befindlichen Computer gesteuerten Rate, wobei die Steuervorrichtung Befehlssignale erzeugt zum Bewegen der linearen Aktuatoren, um die Schwungradplattform um einen bestimmten Betrag zu neigen, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform umfaßt:

eine Schätzeinrichtung zum Abschätzen der Drehung um die Längsachse und die vertikale Achse (roll-yaw state) und eine Steuereinheit (100) zum Erzeugen gewünschter Raten für die Schwungradplattform;

eine Integratiouseinrichtung (101), die mit der Schätzeinrichtung und der Steuereinheit gekoppelt ist, zum Integrieren der gewünschten Raten für die Schwungradplattform, um gewünschte Winkel für die Schwungradplattform zu erzeugen;

eine Einrichtung (112) zum Zurückführen des Ausgangssignals der Integrationseinrichtung (101) zu der Schätzeinrichtung (100) und der Steuereinheit als ein Rückkopplungssignal für den Winkel der Schwungradplattform;

einen Vorwärts-Transformationscomputer (102), der mit der Integrationseinrichtung gekoppelt ist und auf die gewünschten Winkel für die Schwungradplattform anspricht zum Berechnen gewünschter Aktuatorerstreckungen; und

einen Schrittcomputer (103), der mit dem Vorwärtstransformationscomputer gekoppelt ist und auf die gewünschten Aktuatorerstreckungen anspricht, um Aktuatorschrittbefehlssignale zu erzeugen.

2. Schwungradplattform nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

einen Schrittzähler und einen Akkumulator (110), die mit dem Ausgang des Schrittcomputers gekoppelt sind zum Akkumulieren der Aktuatorschrittbefehlssignale; und

einen Rückwärtstransformationscomputer (111), der zwischen dem Schrittzähler und dem Akkumulator und der Schätzeinrichtung und der Steuereinheit gekoppelt ist zum Entwickeln einer Rückkopplung für den Schwungradplattformwinkel und zum Anlegen der Rückkopplung an die Schätzeinrichtung und die Steuereinheit.

3. Schwungradplattform nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schrittcomputer (103) die Aktuatorschrittbefehlssignale erzeugt durch Errechnen der Differenz zwischen der gewünschten Aktuatorposition und der bestehenden Aktuatorposition, wobei die bestehende Aktuatorposition bestimmt wird durch Berechnen der Summe der vorangegangenen Aktuatorschrittbefehlssignale; und

die Schwungradplattform (106) im Ansprechen auf die Aktuatorschrittbefehlssignale die linearen Aktuatoren bewegt, um die Schwungradplattform um einen vorbestimmten Betrag zu neigen, wodurch die gewünschte Rate für die Schwungradplatttorm erzeugt wird.

4. Schwungradplattform nach Anspruch 3, weiterhin umfassend:

eine neigbare Plattform (106), die auf einem Raumfahrzeug (10) angeordnet ist;

drei Zapfen (A, B, C) zum Stützen der Plattform, welche mit gleichen Abständen um die Plattform herum angeordnet sind;

drei lineare Aktuatoren (14, 15, 16), von denen jeder eine von einem Schrittmotor (33) angetriebene Hebeschraube aufweist, wobei jeder der genannten linearen Aktuatoren individuell mit einem anderen der Zapfen gekoppelt ist und die Aktuatoren so ausgebildet sind, daß sie ihren entsprechenden Zapfen heben oder senken;

ein Schwungrad (30), das auf der Plattform montiert ist und dazu ausgebildet ist, sich mit hoher Geschwindigkeit um eine Drehachse (13) zu drehen, um einen Momentvektor zu erzeugen, wobei die Drehachse des Rads anfangs in eine vorbestimmte Richtung bezüglich des Raumfahrzeugs ausgerichtet ist, die Plattform und das Rad dazu ausgebildet sind, um schmale Winkel geneigt zu werden, um eine Komponente des Radmomentenvektors in einer Ebene transversal zu der Drehachse des Rades zu erzeugen;

drei lineare Potentiometer (36), von denen jedes einzelne mit einem anderen Zapfen gekoppelt ist zum Bereitstellen einer Anzeige der Erstreckung des entsprechenden linearen Aktuators (14, 15, 16);

wobei der Schrittcomputer (103) Aktuatorschrittbefehlssignale erzeugt durch Berechnen der Differenz zwischen der gewünschten Aktuatorposition und der bestehenden Aktuatorposition die bestehende Aktuatorposition auf der Grundlage der Anzeige der Erstreckung bestimmt wird, die von den drei linearen Potentiometern bereitgestellt wird;

wobei die drei linearen Aktuatoren (14, 15, 16) mit dem Aktuatorschrittcomputer gekoppelt sind und auf die Aktuatorschrittbefehlssignale zum Bewegen der linearen Aktuatoren ansprechen, um die neigbare Plattform (106) und das schwungrad (30) um einen vorbestimmten Betrag zu neigen, wodurch die gewünschte Rate für die Schwungradplattform erzeugt wird.

5. Schwungradplattform nach Anspruch 4, worin die Steuereinrichtung weiterhin umfaßt:

einen Plattformsteuerungscomputer (57), der mit der Schätzeinrichtung (60) gekoppelt ist zum Wandeln der Raten für eine Drehung um die Längsachse und die vertikale Achse (gieren) in Hebeschraubepositionsbefehle;

wobei der Schrittcomputer (56) mit dem Plattformsteuerungscomputer (57) gekoppelt ist zum Umwandeln der Hebeschraubepositionsbefehle in Hebeschraubeschrittbefehle; und

eine Vielzahl von Schrittmotorsteuerantrieben (55), die von dem Schrittcomputer (56) zu den linearen Aktuatoren (14, 15, 16) gekoppelt sind zum Anlegen der Hebeschraubeschrittbefehle an die Schrittmotoren (33).

6. Die Schwungradplattform nach Anspruch 5, weiterhin umfassend:

eine Telemetrieverschlüsselungseinheit (46), die mit den Potentiometern gekoppelt ist zum Telemetrieren der Anzeige an eine Steuerstelle; und

eine Befehlsentschlüsselungseinheit (50), die mit der Schätzeinrichtung (60) für die Drehung um die Längsachse und vertikale Achse gekoppelt ist zum Empfangen der Befehle, die dazu dienen, die Neigung des Schwungrads zu steuern.

7. Schwungradplattform nach Anspruch 5 oder 6, weiterhin umfassend:

eine Befehiseinrichtung zum Erzeugen von Hebeschraubebefehlen und Anlegen dieser an die drei linearen Aktuatoren (14, 15, 16) zum Neigen des Schwungrads (30);

eine Akkumulatoreinrichtung (110), welche mit der Befehlseinrichtung gekoppelt ist zum Akkumulieren der Hebeschraubebefehle;

eine Rücktransformationseinrichtung (111), die mit der Akkumulationseinrichtung (110) gekoppelt ist, zum Rücktransformieren der akkumulierten Hebeschraubebefehle, um Schwungradplattformwinkel zu berechnen; und

eine Rückkopplungseinrichtung (112) zum Zuführen der berechneten Schwungradplattformwinkel dem Plattformsteuerungscomputer.

8. Verfahren zum Steuern von Plattformraten einer Schwungradplattform umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen von gewünschten Plattformraten für einen Computer an Bord eines Raumfahrzeugs;

Integrieren der Plattformraten, um gewünschte Plattformwinkel bereitzustellen;

Transformieren der integrierten Plattformraten in erforderliche lineare Aktuatorerstreckungen über eine Vorwärtstransformation;

Bereitstellen von Messungen von bestehenden inearen Aktuatorerstreckungen für den Computer an Bord des Raumfahrzeugs;

Transformieren der gemessenen Aktuatorerstreckungen in Plattformdrehungen mittels einer Rückwärtstransformation;

Beschränken der Summe der Aktuatorerstreckungen auf den Wert Null;

Anlegen der Aktuatorpositionsbefehle an einen logischen Schrittcomputer, der diese in Schrittbefehle umwandelt; und

Anlegen der Schrittbefehle an die Schrittmotoren des linearen Aktuators (105), um die gewünschten Plattformraten zu erzeugen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, welches weiterhin ausgestaltet ist eine Schwungradplattform zu steuern, die einen fehlerhaften Aktuator besitzt, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfaßt:

Berechnen der Aktuatorschrittbefehlssignale für betriebsbereite Aktuatoren mittels Begrenzen des fehlerhaften Aktuators auf seine bestehenden Erstreckungen; und

Anlegen der Schrittbefehlssignale an die Schrittmotoren der betriebsbereiten linearen Aktuatoren, um die gewünschten Plattformraten zu erzeugen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin die Aktuatorerstreckungen Hebeschraubenerstreckungen sind, welche gemessen und berechnet werden und das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist:

Erzeugen von Hebeschraubeschrittbefehlen als Differenz zwischen den gewünschten Hebeschraubeerstreckungen und den gemessenen Hebeschraubeerstreckungen; und

Anlegen der Hebeschraubeschrittbefehle an die Hebeschrauben (105), um die Schwungradplattform (106) zu neigen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend folgende Schritte:

Übertragen der gewünschten Hebeschraubepositionsbefehle von einer Bodenstation an ein Raumfahrzeug (10);

Messen der bestehenden Hebeschraubeerstreckungen (107);

Erzeugen einer Anzahl von Hebeschraubeschrittbefehlen, welche gleich den gewünschten Hebeschraubepositionsbefehlen vom Boden sind; und

Anlegen der Hebeschraubeschrittbefehle an die Hebeschrauben, um die Schwungradplattform zu neigen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, welches weiterhin folgende Schritte umfaßt:

Initialisieren eines Systems zum Steuern der Neigung der Schwungradplattform an Bord des Raumfahrzeugs durch Befehle von der Bodenstation;

Telemetrieren der bestehenden Hebeschraubeerstreckungen, wie sie von den Potentiometern (107) im Raumfahrzeug gemessen werden an die Bodenstation;

Transformieren uer gemessenen Hebeschraubeerstreckungen in bestehende Plattformwinkel an der Bodenstation;

Übertragen der bestehenden Plattformwinkel von der Bodenstation an das Raumfahrzeug;

Initialisieren des Plattformratenbefehlsintegrators (101) mit den übertragenen Plattformwinkeln;

Transformieren der Plattformwinkel in Hebeschraubeerstreckungen;

Initialisieren von Hebeschraubepositionsregistern; und

Initialisieren der berechneten Plattformwinkel unter Verwendung der Rücktransformation

13. Verfahren wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12, weiterhin umfassend folgende Schritte:

Berechnen von Aktuatorschrittbefehlssignalen von den erforderlichen linearen Aktuatorerstreckungen;

Akkumulieren (110) der Aktuatorschrittbefehlssignale;

Rücktransformieren (111) der Aktuatorschrittbefehlssignale, um Rückkopplungssignale für den Schwungradplattformwinkel zu erzeugen; und

Anlegen der Rückkopplungssignale für den Schwungradplattformwinkel an die Schätzeinrichtung für die Bewegung um die Längs- und Vertikalachse und an eine Steuereinheit (100).

14. Verfahren nach Ansprucn 13, worin der Schritt des Berechnens der Aktuatorschrittbefehlssignale folgenden Schritt umfaßt:

Berechnen von Aktuatorschrittbefehlssignalen als Differenz zwischen der gewünschten Aktuatorpostion und der bestehenden Aktuatorposition, worin die bestehende Aktuatorposition bestimmt wird durch Berechnen der Summe der vorangegangenen Aktuatorschrittbefehlssignale.

15. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Schritt des Berechnens der Aktuatorschrittbefehlssignale folgenden Schritt umfaßt:

Berechnen der Aktuatorschrittbefehlssignale als Differenz zwischen der gewünschten Aktuatorposition und der bestehenden Aktuatorposition, wobei die bestehende Aktuatorposition bestimmt wird durch Erfassen des Ausgangs der linearen Potentiometer (107), die mit der Schwungradplattform (106) verbunden sind.