ES2340047T3 - Dispositivo electromagnetico de generacion de una fuerza y de un par con el fin del posicionamiento de un cuerpo. - Google Patents

Dispositivo electromagnetico de generacion de una fuerza y de un par con el fin del posicionamiento de un cuerpo. Download PDF

Info

Publication number
ES2340047T3
ES2340047T3 ES05747091T ES05747091T ES2340047T3 ES 2340047 T3 ES2340047 T3 ES 2340047T3 ES 05747091 T ES05747091 T ES 05747091T ES 05747091 T ES05747091 T ES 05747091T ES 2340047 T3 ES2340047 T3 ES 2340047T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
magnetic moment
magnetic
rotation
law
variation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES05747091T
Other languages
English (en)
Inventor
Massimiliano C/O Res. Parc De Vaugrenier Maini
Thierry Dargent
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Application granted granted Critical
Publication of ES2340047T3 publication Critical patent/ES2340047T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/32—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using earth's magnetic field
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/1085—Swarms and constellations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/244—Spacecraft control systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
    • B64G1/366—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors using magnetometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64—Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/646—Docking or rendezvous systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64—Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/646—Docking or rendezvous systems
    • B64G1/6462—Docking or rendezvous systems characterised by the means for engaging other vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
  • Braking Arrangements (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

Dispositivo de actuación, que comprende primeros medios electromagnéticos (ME-H), instalados en al menos un primer cuerpo (H) y que definen un primer momento magnético así como un campo magnético, y al menos segundos medios electromagnéticos (ME-F), instalados en al menos un segundo cuerpo (F), distante respecto al primer cuerpo (H), y que definen un segundo momento magnético apropiado para interaccionar con dicho campo magnético, caracterizado porque i) los primeros medios electromagnéticos (ME-H) están dispuestos para hacer girar en el tiempo la dirección del primer momento magnético en rotación alrededor de un eje de rotación (Z) y a una velocidad de rotación (ω) elegidos, de manera que se crea un campo magnético que gira a la misma velocidad (ω), ii) los segundos medios electromagnéticos (ME-F) están dispuestos para hacer variar en el tiempo la dirección y la intensidad del segundo momento magnético de modo sincrónico con respecto a la rotación del primer momento magnético y según una ley de variación calculada mediante una demodulación sincrónica del segundo momento magnético de modo que se inducen una fuerza y un par deseados al nivel de dicho segundo cuerpo (F), y porque comprende iii) medios de cálculo (MC) dispuestos para determinar dicha ley de variación en función al menos de la fuerza y del par deseados que deben inducirse al nivel de dicho segundo cuerpo (F).

Description

Dispositivo electromagnético de generación de una fuerza y de un par con el fin del posicionamiento de un cuerpo.
La invención se refiere a los dispositivos encargados de generar una fuerza y un par al nivel de un cuerpo, por medio de una interacción electromagnética que implica un campo magnético generado para ello (y no un campo magnético existente, como por ejemplo el campo magnético terrestre), con el fin del posicionamiento fino de este cuerpo.
En cierto número de campos se utiliza un sistema de cuerpos distantes y no relacionados para efectuar tareas complementarias y/o compartidas que requieren un control fino de sus posiciones y orientaciones relativas. La distancia que separa los dos cuerpos varía generalmente de una aplicación a otra, al igual que la precisión del control.
Se entiende en el presente documento por "sistema de cuerpos" un conjunto de al menos dos cuerpos de los que deben controlarse de manera fina determinadas posiciones y orientaciones relativas. En aplicaciones espaciales, los "cuerpos" son por ejemplo satélites o sondas, normalmente destinados a volar en formación (más o menos próxima) para cumplir una misión, tal como por ejemplo una misión de observación por radar "mediante síntesis de apertura" o una misión de interferometría óptica. Entre los cuerpos pertenecientes a una formación, se denomina "núcleo" (hub) a aquél que presenta un papel "central" con respecto a un determinado criterio y se denomina "volante" (flyer) a todos los demás cuerpos de la formación.
Con el fin de controlar los posiciones y orientaciones de los cuerpos, se equipan con medios de propulsión (o accionadores), tales como por ejemplo microtoberas químicas (de gas frío) o iónicas, o incluso eléctricas (tales como las toberas FEEP (para "Field Electrical Effect Propulsion", propulsión por efecto de campo eléctrico) en las que se aplica una alta tensión a moléculas de cesio o de indio para conferirles velocidades muy grandes).
El inconveniente de estas técnicas reside en el hecho de que inducen limitaciones importantes, tales como una vida útil reducida y un volumen y un peso importantes (por ejemplo en el caso de uso de ergol) y/o una disposición restrictiva (por ejemplo debido al efecto del chorro de propulsión y/o a la contaminación y/o a la linealidad requerida del control de fuerza y/o al nivel de ruido y/o a una dinámica débil).
Para intentar remediar este inconveniente, se ha propuesto, concretamente en el documento de patente US
6,634,603, utilizar dispositivos de actuación que comprenden accionadores electromagnéticos encargados de generar, de manera controlada, fuerzas que supuestamente permiten un posicionamiento preciso de cuerpos en los que están equipados. Desafortunadamente, estas fuerzas inducen pares no deseados que deben anularse por medio de dispositivos dedicados, tales como ruedas de reacción, que complican los cuerpos y aumentan el peso, el volumen y el coste.
Dado que ningún dispositivo de actuación conocido aporta una entera satisfacción, la invención tiene como objetivo, por tanto, mejorar la situación.
Propone para ello un dispositivo de actuación que comprende primeros medios electromagnéticos instalados en al menos un primer cuerpo y que pueden definir un primer momento magnético así como un campo magnético, y al menos segundos medios electromagnéticos, instalados en al menos un segundo cuerpo, distante respecto al primer cuerpo, y que pueden definir un segundo momento magnético apropiado para interaccionar con el campo magnético.
Este dispositivo se caracteriza porque:
-
los primeros medios electromagnéticos están dispuestos para hacer girar en el tiempo la dirección del primer momento magnético en rotación alrededor de un eje de rotación y a una velocidad de rotación elegidos, de manera que se crea un campo magnético que gira a la misma velocidad,
-
los segundos medios electromagnéticos están dispuestos para hacer variar en el tiempo la dirección y la intensidad del segundo momento magnético de modo sincrónico con respecto a la rotación del primer momento magnético y según una ley de variación calculada mediante una demodulación sincrónica del segundo momento magnético de modo que se inducen una fuerza y un par deseados al nivel de dicho segundo cuerpo,
-
este dispositivo comprende además medios de cálculo dispuestos para determinar dicha ley de variación en función al menos de la fuerza y del par deseados, que deben inducirse al nivel de dicho segundo cuerpo.
Por ejemplo, la dirección del primer momento magnético es perpendicular a dicho eje de rotación.
El dispositivo de actuación según la invención puede comprender otras características complementarias que pueden tomarse por separado y/o en combinación, y concretamente:
-
Los primeros medios electromagnéticos pueden encargarse de suministrar el primer momento magnético según una intensidad y una dirección constantes. En este caso, los medios de variación del primer momento magnético se encargan de ordenar al primer cuerpo que gire alrededor del eje de rotación de manera que haga girar dicha dirección.
-
Los medios de cálculo pueden encargarse de determinar la ley de variación en función además de un vector que define la posición relativa del segundo cuerpo con respecto al primer cuerpo.
-
La ley de variación define las variaciones temporales de la dirección y de la intensidad del segundo momento magnético.
-
Los segundos medios electromagnéticos pueden comprender los medios de variación del segundo momento magnético. En este caso, los segundos medios electromagnéticos pueden ser fijos con respecto al segundo cuerpo.
-
Los medios electromagnéticos primeros y segundos pueden estar dispuestos en forma de al menos una bobina alimentada con corriente, o de al menos un imán.
-
La intensidad del primer momento magnético es preferiblemente grande frente a la intensidad del segundo momento magnético.
-
Los medios de cálculo pueden estar dispuestos para determinar la ley de variación en función, además, del campo magnético local al nivel de dicho segundo cuerpo. Pueden proporcionarse tales medidas, por ejemplo, mediante un magnetómetro instalado en el segundo cuerpo.
La invención también propone un sistema constituido por al menos un primer cuerpo y por al menos un segundo cuerpo que comprenden de modo distribuido un dispositivo de actuación del tipo presentado anteriormente.
En una aplicación en el campo espacial, los cuerpos primero(s) y segundo(s) de un sistema de este tipo pueden ser satélites o sondas, por ejemplo destinados a volar en formación próxima.
Otras características y ventajas de la invención resultarán evidentes con el examen de la siguiente descripción detallada, y de los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 ilustra de modo esquemático un ejemplo de realización de un sistema según la invención en una aplicación en el campo espacial,
- la figura 2 ilustra de modo esquemático y funcional ejemplos de realización de un "núcleo" y de un "volante" que pertenecen a un dispositivo de actuación según la invención,
- las figuras 3A a 3C son diagramas que ilustran un ejemplo de evolución temporal de las tres componentes Mx, My y Mz de un momento magnético generado por el "núcleo",
- las figuras 4A a 4C son diagramas que ilustran un ejemplo de evolución temporal de las tres componentes Bx, By y Bz del campo magnético B visto localmente por el "volante",
- las figuras 5A a 5C son diagramas que ilustran un ejemplo de evolución temporal de las tres componentes mx, my y mz del momento magnético generado por el "volante" con el fin de producir, mediante interacción con el campo magnético local B, la fuerza y el par deseados,
- la figura 6A es un diagrama que ilustra de modo superpuesto las evoluciones temporales del par deseado (\Gammas), del par instantáneo producido (\Gammap) y del par medio (\Gammam) obtenido calculando la media del par instantáneo producido (\Gammap) durante un periodo de rotación del campo B, y
- la figura 6B es un diagrama que ilustra de modo superpuesto las evoluciones temporales de la fuerza deseada (Fs), de la fuerza instantánea producida (Fp) y de la fuerza media (Fm) obtenida calculando la media de la fuerza instantánea producida (Fp) durante un periodo de rotación del campo B.
Los dibujos adjuntos podrán servir no solamente para completar la invención, sino también contribuir a su definición, dado el caso.
La invención tiene por objeto permitir la generación, al nivel de un cuerpo perteneciente a un sistema de al menos dos cuerpos, por medio de una interacción electromagnética que implica al menos un campo magnético generado para ello, de una fuerza y de un par deseados con el fin del posicionamiento fino de este cuerpo.
El sistema S de cuerpos puede estar constituido, por ejemplo, como se ilustra en la figura 1, por satélites en vuelo en formación próxima (normalmente distantes algunas decenas de metros). Sin embargo, los cuerpos del sistema S podrían presentarse en otras formas, y concretamente en forma de sondas.
En lo sucesivo se considera, a modo de ejemplo no limitativo, que el sistema de cuerpos S está constituido por dos satélites que garantizan una misión de observación, presentando uno de ellos, H, denominado en lo sucesivo "núcleo", un papel central, y estando el otro, F, denominado en lo sucesivo "volante", distante respecto al núcleo.
Tal como se indicó anteriormente, el vuelo en formación próxima requiere la instauración de una configuración geométrica predefinida, y a menudo variable en el transcurso de una misión. En el ejemplo de sistema S descrito, esta instauración requiere un control fino de la posición y orientación del volante F con respecto al núcleo H. Es importante indicar que, en presencia de un sistema que comprende un núcleo H y varios volantes F, debe controlarse de manera fina las posiciones y orientaciones relativas de los volantes unos con respecto a otros, y no las de los volantes con respecto al núcleo.
Para instaurar una configuración geométrica, deben aplicarse pares y fuerzas a los diferentes cuerpos del sistema S y concretamente a sus volantes F. Se utiliza para ello un dispositivo de actuación, cuyos elementos constituyentes están distribuidos por los diferentes cuerpos (núcleo H y volantes F).
Se hace referencia a las figuras 1 y 2 para describir un dispositivo de actuación, según la invención, implantado de modo distribuido en el núcleo H y el volante F, que constituyen en el ejemplo ilustrado el sistema S de cuerpos. En presencia de varios volantes F, cada volante comprende sensiblemente los mismos elementos constituyentes del dispositivo de actuación que los instalados en el volante F que va a describirse a continuación.
El (los) núcleo(s) H y el (los) volante(s) F se ponen en órbita mediante una lanzadera en uno o varios disparos. Si es necesario, cada cuerpo H, F utiliza sus accionadores inerciales Al para llegar a su posición final en la órbita de la misión. Los accionadores inerciales AI de este tipo están constituidos, por ejemplo, por toberas y por depósitos asociados que contienen el combustible. Los accionadores inerciales AI se pilotan, por ejemplo, mediante un módulo de control MCT.
En presencia de un único volante F, tal como se ilustra, éste debe posicionarse entonces de manera fina con respecto, por ejemplo, a una marca de referencia (para apuntar a una zona con su instrumento de observación). Sin embargo, tal como se indicó anteriormente, en presencia de varios volantes, estos deben posicionarse de manera fina unos con respecto a otros con el fin de definir la configuración geométrica de la misión. El dispositivo de actuación interviene en esta fase.
Más precisamente, se encarga de generar una fuerza y un par deseados al nivel de cada volante F. En este ejemplo, se considera que el núcleo H está posicionado correctamente, por ejemplo con respecto a un sistema de referencia terrestre. Por consiguiente, el dispositivo de actuación debe controlar el posicionamiento fino del volante F.
En este ejemplo, el dispositivo de actuación comprende en primer lugar:
-
primeros medios electromagnéticos ME-H instalados en el núcleo H y encargados de definir un campo magnético B por medio de un dipolo magnético de momento magnético M_{H}, y
-
segundos medios electromagnéticos ME-F instalados en el volante F y que definen otro dipolo magnético de momento magnético M_{F}, destinado a interaccionar con el campo magnético visto localmente por el volante F (constituido principalmente por el campo magnético B) para inducir una fuerza F y un par \Gamma deseados al nivel del volante F (al menos en promedio, como se verá más adelante).
Los medios electromagnéticos primeros ME-H y segundos ME-F pueden realizarse, por ejemplo, en forma de una o varias bobinas atravesadas por una corriente, o de uno o varios imanes, por ejemplo perpendiculares entre sí.
Tres tipos de bobinas pueden utilizarse: las bobinas denominadas "de aire" (es decir sólo comprenden un solenoide sin núcleo ferromagnético), las bobinas que comprenden un núcleo ferromagnético y las bobinas superconductoras.
La intensidad del momento magnético M_{H} es preferiblemente grande frente a la del momento magnético M_{F}, con el fin de que el campo magnético visto localmente por el volante F pueda asimilarse únicamente al campo magnético B producido por los primeros medios electromagnéticos ME-H. Esto permite librarse de las interferencias magnéticas producidas por otras fuentes distantes (por ejemplo volantes vecinos en el caso de una aplicación que comprende un núcleo y varios volantes). En este caso, puede utilizarse, por ejemplo, una bobina superconductora para generar el momento magnético M_{H} de gran intensidad y una bobina de aire para generar el momento magnético M_{F} de intensidad más baja.
Los primeros medios electromagnéticos ME-H y los segundos medios electromagnéticos ME-F se alimentan eléctricamente mediante una fuente eléctrica BT de su cuerpo H o F, por ejemplo dispuesta en forma de una batería acoplada a paneles solares.
El dispositivo de actuación se encarga, por otro lado, de hacer variar (o modular), por una parte, el momento magnético M_{H} según una primera ley de variación (o modulación) elegida y, por otra parte, el momento magnético M_{F} según una segunda ley de variación (o modulación), con el fin de que cada fuerza y cada par deseados se induzcan al nivel del volante F.
La primera ley de variación está preferiblemente predeterminada. Por ejemplo, la primera ley de variación define la variación de la dirección del momento magnético M_{H}, a intensidad constante.
Como se ilustra en la figura 1, la variación de la dirección del momento magnético M_{H} puede hacerse mediante rotación alrededor de un eje de rotación Z elegido. En este caso, es particularmente ventajoso que el momento magnético M_{H} esté contenido de manera constante en un plano XY perpendicular al eje de rotación Z.
Para obtener una primera ley de variación de este tipo pueden concebirse dos soluciones.
Una primera solución consiste, por una parte, en utilizar primeros medios electromagnéticos ME-H fijos con respecto al núcleo H y que definen un momento magnético M_{H} de intensidad constante y de dirección fija con respecto a un sistema de referencia (X,Y,Z) ligado a dicho núcleo H y, por otra parte, en poner el núcleo H en rotación, según una velocidad de rotación (o velocidad angular) \omega, alrededor del eje Z del sistema de referencia fijo
(X,Y,Z).
Una segunda solución consiste en utilizar primeros medios electromagnéticos ME-H que pueden definir un momento magnético M_{H} de intensidad constante y de dirección variable mediante rotación, según una velocidad de rotación (o velocidad angular) \omega, alrededor del eje Z de un sistema de referencia fijo (X,Y,Z) ligado al núcleo H.
En este último caso, no es necesario que el núcleo H esté en movimiento. Para ello, los primeros medios electromagnéticos ME-H o bien pueden estar fijos con respecto al núcleo H y al sistema de referencia (X,Y,Z) al que está ligado, y pueden producir un momento magnético M_{H} de dirección variable en el tiempo (es decir rotativo), o bien ser móviles en rotación con respecto al núcleo H y al sistema de referencia (X,Y,Z) al que está ligado, y pueden producir un momento magnético M_{H} de dirección y intensidad constantes, garantizando así la rotación de los primeros medios electromagnéticos ME-H la variación temporal de la dirección del momento magnético M_{H}.
Según la invención, la segunda ley de variación la determina un módulo de cálculo MC que forma parte del dispositivo de actuación, y por ejemplo implantado en el volante F.
En el ejemplo ilustrado en la figura 2, el módulo de cálculo MC está implantado en el módulo de control MCT del volante F. Sin embargo, podría ser distinto de éste, incluso independiente del mismo. Por otro lado, este módulo de cálculo MC puede realizarse en forma de circuitos electrónicos, módulos de software (o informáticos), o una combinación de circuitos y de software.
Más precisamente, el módulo de cálculo MC se encarga de determinar una segunda ley de variación para el momento magnético M_{F} en función, al menos, de la fuerza Fs y del par s deseados, que deben inducirse al nivel del volante F mediante la interacción entre el campo magnético local (asimilado a B) y dicho momento magnético M_{F}, así como de la primera ley de variación.
La fuerza Fs y el par \Gammas deseados se calculan normalmente mediante una ley propia de la misión, calculada a su vez por un módulo de cálculo dedicado (por ejemplo, el módulo de control MCT). Por tanto, se supone en este caso que la fuerza Fs y el par \Gammas deseados los conoce el módulo de cálculo MC.
El módulo de cálculo MC puede encargarse de determinar la segunda ley de variación en función, además, de una medición del campo magnético local al nivel del volante F. Esta medición del campo magnético local se proporciona entonces preferiblemente mediante un magnetómetro MG implantado en el volante F.
Sin embargo, puede concebirse una variante en la que se considera en cada instante que el campo magnético local visto por el volante F es el campo magnético B generado por los primeros medios electromagnéticos ME-H del núcleo H. En este caso, la intensidad del campo magnético B visto localmente por el volante F puede estar predeterminada para la misión (considerándose que el vector r que define la posición relativa del volante F con respecto al núcleo H es sensiblemente constante). En otras palabras, el módulo de cálculo MC dispone de un modelo predefinido del campo magnético visto localmente por el volante F teniendo en cuenta su posición definida por la ley de control de la
misión.
En una variante, es posible poder determinar la intensidad del campo magnético B visto por el volante F en función del vector r citado previamente. En efecto, se recuerda que esta intensidad I_{B} varía en 1/r^{3}, conforme a la fórmula facilitada a continuación, válida en campo lejano (es decir lejos del dipolo que genera el campo magnético):
1
donde \mu_{0} es la permitividad del vacío (es decir 4\pi10^{-7}), el vector M_{H} es el vector de momento magnético generado por el núcleo H y el vector r es el vector de posición citado previamente.
Los parámetros que definen la primera ley de variación (del momento magnético M_{H}) se guardan, por ejemplo, en la memoria MY del módulo de cálculo MC.
\newpage
Por motivos de precisión, el dispositivo de actuación puede estar equipado con un instrumento IM que puede estimar con precisión el vector de posición r. Este instrumento IM es, por ejemplo, un módulo local que utiliza el posicionamiento por satélite, por ejemplo de tipo GPS (para "Global Positioning System", sistema de posicionamiento global).
Sin embargo, puede concebirse una variante en la que se considera que el vector de posición r se conoce y se considera que es constante. También puede concebirse otra variante en la que el vector de posición r lo deduce el módulo de cálculo MC, por ejemplo mediante deconvolución durante un periodo, de mediciones del campo magnético local, suministradas por el magnetómetro MG (para esto, debe conocerse el vector de campo magnético B generado por los primeros medios electromagnéticos ME-H).
La segunda ley de variación del momento magnético M_{F} está destinada a permitir el control de la interacción que debe inducir la fuerza Fs y el par \Gammas deseados (definidos por la ley de control de la misión). Especifica cómo deben variar la dirección y la intensidad del momento magnético M_{F}. Tal como se indicó anteriormente, esta variación puede obtenerse, por ejemplo, eléctricamente por medio de tres bobinas en configuración ortogonal de las que se controlan sus corrientes respectivas.
El campo magnético local, visto por el volante F, "gira" con la misma velocidad angular \omega que el momento magnético M_{H} (pero en general describe una elipse en un plano determinado). Por consiguiente, es posible determinar una segunda ley de variación (del momento magnético M_{F}) que permite producir el par y la fuerza deseados en promedio durante un periodo de rotación del campo magnético local partiendo del vector de posición r, y del valor de la velocidad angular \omega (dada por la primera ley de variación (de M_{H})), así como eventualmente de la medición del campo magnético local y de la información de fase sobre el momento magnético M_{H}. En otras palabras, el módulo de cálculo MC efectúa una "demodulación" sincrónica para obtener la fuerza media Fm y el par medio \Gammam deseados durante un periodo de rotación del momento magnético M_{F} y por tanto del campo magnético B. La segunda ley de variación viene dada, por tanto, por la combinación de componentes ortogonales (seno y coseno) a la misma velocidad angular \omega y con la misma fase \phi que el momento magnético M_{H}.
Resulta útil mencionar que al calcularse la media durante un periodo de rotación, es preferible que el campo magnético B gire más rápidamente que las variaciones de la fuerza Fs y el par rs deseados. Las variaciones instantáneas de la fuerza F(t) y el par r(t) se filtran por la inercia mecánica del volante F.
La demodulación sincrónica puede efectuarse tal como se indica a continuación.
Cuando se somete un dipolo magnético un campo magnético B actúan un par y una fuerza sobre este dipolo. En el presente caso, el campo magnético B lo genera el dipolo magnético de momento magnético M_{H}, y el dipolo magnético del momento magnético M_{F} se somete a este campo magnético B. La fuerza y el par de interacción vienen dados por las relaciones siguientes:
\Gamma(M_{H},M_{F}) = M_{FX} B(M_{H}), (donde "x" representa el producto vectorial)
F(M_{H},M_{F}) = grad(MF.B(M_{H})) = (M_{F}.grad)B(M_{H}), (donde "." representa el producto escalar).
Por otro lado, si se supone que el momento magnético M_{H} gira en el plano XY con la velocidad angular \omega y con una fase \Phi, tal como se ilustra en la figura 1, entonces puede definirse su expresión vectorial mediante la siguiente relación:
2
En este caso, puede utilizarse la expresión vectorial del momento magnético M_{F}, facilitada a continuación, para demodular a la velocidad angular \omega:
3
donde m_{ci} y m_{si} son respectivamente los parámetros de demodulación en coseno y en seno siguiendo el eje i (i=X', Y', Z') en el sistema de referencia ligado al volante F, en función del instante considerado. Puede indicarse que la fase \phi puede ser cualquiera, siempre que sea idéntica entre M_{H} y M_{F}.
Se procede después a la integración analítica, durante un periodo de rotación, de las expresiones de la fuerza F y el par r facilitadas anteriormente, con el fin de obtener las expresiones de la fuerza media Fm y el par medio \Gammam en función de los parámetros de demodulación (m_{ci} y m_{si}). Esta operación permite eliminar la dependencia temporal.
Se impone además que la fuerza media Fm y el par medio \Gammam sean iguales, durante un periodo, respectivamente, a la fuerza Fs y al par \Gammas deseados. Por ejemplo, si se desea inducir una fuerza Fs y un par \Gammas cada periodo de 100 ms, se pide al accionador que produzca la fuerza F y el par \Gamma que son, durante cada periodo de 100 ms, en promedio iguales a la fuerza Fs y al par \Gammas deseados durante dicho periodo.
Se obtiene entonces el sistema lineal de seis ecuaciones con seis incógnitas (los seis parámetros de demodulación m_{ci} y m_{si}), facilitado a continuación:
4
donde D es la matriz buscada, en función de las posiciones relativas del núcleo H y del volante F, que permite pasar (una vez invertida) del par \Gammas y la fuerza Fs deseados a la expresión vectorial del segundo momento magnético M_{F}. En efecto, puede demostrarse que la matriz D presenta una expresión analítica que depende de la posición relativa del momento magnético M_{F} con respecto al momento magnético M_{H} y, por tanto, de la posición relativa del volante F con respecto al núcleo H.
Por consiguiente, el conocimiento del vector de posición r permite al módulo de cálculo MC determinar la matriz D, después determinar los seis parámetros de demodulación m_{ci} y m_{si} a partir de D y de la fuerza Fs y el par \Gammas deseados. A continuación puede calcular, por medio de la relación vectorial que facilita M_{F} en función de los parámetros de demodulación (facilitados anteriormente), las coordenadas vectoriales del momento magnético M_{F} que debe ser fijo al nivel del volante F para inducir la fuerza Fs y el par \Gammas deseados.
Deben prohibirse los puntos del espacio donde la matriz D es singular, dado que corresponden a posiciones del volante F en las que el dispositivo de actuación no está en condiciones de generar ninguna combinación de par y fuerza. En efecto, las configuraciones singulares corresponden a situaciones en las que el campo local visto por el volante F varía de una modo "demasiado simple" (por ejemplo, cuando gira en un plano) para poder generar cualquier combinación de par y fuerza.
En el ejemplo ilustrado (correspondiente a un momento magnético M_{F} comprendido en el plano XY de rotación), los puntos singulares son todos aquellos que pertenecen a dicho plano XY, así como todos los puntos que pertenecen al eje de rotación Z del momento magnético M_{F}. En otras palabras, las situaciones en las que el volante F está posicionado en el plano de rotación XY o siguiendo el eje de rotación Z son singulares.
Es posible reducir el número de posiciones singulares, por ejemplo introduciendo una doble modulación al nivel de los primeros medios electromagnéticos ME-H. Para hacer esto, pueden utilizarse, por ejemplo, primeros medios electromagnéticos ME-H que pueden generar dos momentos magnéticos M_{H1} y M_{H2} que giran en planos diferentes (por ejemplo XY y XZ) y a velocidades angulares diferentes n_{1}\omega y n_{2}\omega, donde n_{1} y n_{2} son enteros diferentes. En este caso, las singularidades sólo están situadas ahora en los dos ejes de rotación de los dos momentos magnéticos M_{H1} y M_{H2} y en el eje de intersección de los dos planos de rotación de los dos momentos magnéticos M_{H1} y M_{H2}. Evidentemente, esto complica sensiblemente los cálculos ya que hay que determinar entonces doce parámetros de demodulación (m1_{ci} y m1_{si} para M_{H1} y m2_{ci} y m2_{si} para M_{H2}).
Una variante del modo de realización anterior consiste en prever dos núcleos (H1 y H2), estando uno (H1) equipado con primeros medios electromagnéticos (ME-H1), descritos anteriormente y que pueden generar un primer momento magnético M_{H1} que gira en un primer plano (por ejemplo XY) y a una velocidad angular n_{1}\omega, y estando el otro (H2) equipado con terceros medios electromagnéticos (ME-H3), del mismo tipo que los primeros y que pueden generar un tercer momento magnético M_{H2} que gira en un segundo plano (por ejemplo XZ), diferente del primer plano, y a una velocidad angular n_{2}\omega, diferente de n_{1}\omega. La interacción se efectúa entonces entre el segundo momento magnético M_{F} de cada volante y los dos campos magnéticos inducidos por los momentos magnéticos primero M_{H1} y tercero M_{H2} generados por los dos núcleos (H1 y H2). Esto permite reducir todavía más el número de posiciones singulares (ya que están limitadas entonces a las intersecciones entre el plano y el eje de rotación del primer momento magnético M_{H1} y el plano y el eje de rotación del tercer momento magnético M_{H2}).
Se hace referencia ahora a las figuras 3 a 6 para ilustrar en un ejemplo la demodulación efectuada por el módulo de cálculo MC y su resultado en términos de fuerza F y de par r inducidos.
Más precisamente, en las figuras 3A a 3C se encuentran representados tres diagramas que ilustran respectivamente un ejemplo de evolución temporal, durante un periodo de rotación, de las tres componentes Mx, My y Mz del momento magnético M_{H} generado por los primeros medios electromagnéticos ME-H del núcleo H, en el sistema de referencia (X,Y,Z) ligado a este último y en amperios-metro cuadrado (Am^{2}). La componente Mz es aquí nula debido al hecho de que el momento magnético M_{H} gira en el plano XY.
En las figuras 4A a 4C se encuentran representados tres diagramas que ilustran respectivamente las evoluciones temporales de las tres componentes Bx, By y Bz del campo magnético B (correspondiente al momento magnético M_{H} ilustrado en las figuras 3A a 3C) visto localmente por el volante F, en el sistema de referencia (X',Y',Z') ligado a este último y en weber (Wb). Este ejemplo de campo magnético local corresponde a una distancia r entre el núcleo H y el volante F igual a 100 metros y a una elevación \theta, del volante F con respecto al núcleo H, igual a 60º. Puede observarse que el azimut no interviene debido a la simetría con respecto al eje Z.
En las figuras 5A a 5C se encuentran representados tres diagramas que ilustran respectivamente las evoluciones temporales de las tres componentes mx, my y mz del momento magnético M_{F} generado por los segundos medios electromagnéticos ME-F del volante F, en el sistema de referencia (X',Y',Z') ligado a este último (en la figura 2 los sistemas de referencia (X,Y,Z) y (X',Y',Z') presentan ejes paralelos entre sí, pero esto no es obligatorio) y en amperios-metro cuadrado (Am^{2}), con el fin de producir mediante interacción con el campo magnético local, ilustrado en las figuras 4A a 4C, la fuerza Fs y el par \Gammas deseados.
En la figura 6A se encuentra representado un diagrama que ilustra las evoluciones temporales superpuestas, en newton-metro (Nm), del par deseado \Gammas, del par instantáneo producido \Gammap y del par medio \Gammam obtenido calculando la media del par instantáneo \Gammap durante un periodo de rotación del campo magnético local B ilustrado en las figuras 4A a 4C, en el caso de una interacción entre dicho campo magnético local B y el momento magnético M_{F} ilustrado en las figuras 5A a 5C.
Finalmente, en la figura 6B se encuentra representado un diagrama que ilustra las evoluciones temporales superpuestas, siguiendo el eje X' (=X) del sistema de referencia (X',Y',Z') ligado al volante F y en newton (N), de la fuerza deseada Fs, de la fuerza instantánea producida Fp y de la fuerza media Fm obtenida calculando la media de la fuerza instantánea producida Fp durante un periodo de rotación del campo magnético local B ilustrado en las figuras 4A a 4C, en el caso de una interacción entre dicho campo magnético local B y el momento magnético M_{F} ilustrado en las figuras 5A a 5C.
Es importante indicar que las operaciones de "promediado" que permiten obtener el par medio \Gammam y la fuerza media Fm las efectúa en la práctica el volante F debido a su inercia mecánica.
Por otro lado, también es importante indicar que las variaciones de los momentos magnéticos M_{H} y M_{F} pueden producirse o bien eléctricamente (por ejemplo mediante la variación de las corrientes de las bobinas), o bien mecánicamente (por ejemplo mediante la rotación de las bobinas), o bien incluso mediante la combinación de variaciones eléctrica y mecánica.
En lo anterior se ha descrito un modo de puesta en práctica de la invención en el que la primera ley de variación (del momento magnético M_{H}) consistía en una variación de la dirección (mediante la rotación según un ángulo predeterminado), a intensidad constante, y por consiguiente independientemente de la fuerza y el par deseados al nivel del volante F. Sin embargo, puede concebirse que la primera ley de variación se determine localmente en función de la fuerza y el par deseados. En este caso, la intensidad del momento magnético M_{H} y/o el ángulo puede(n) variar en función de la fuerza y el par deseados.
La invención no se limita a los modos de realización del dispositivo de actuación, de los cuerpos primero y segundo y del sistema de cuerpos descritos anteriormente, únicamente a modo de ejemplo, sino que engloba todas las variantes que pueda concebir el experto en la técnica en el marco de las reivindicaciones siguientes.

Claims (15)

1. Dispositivo de actuación, que comprende primeros medios electromagnéticos (ME-H), instalados en al menos un primer cuerpo (H) y que definen un primer momento magnético así como un campo magnético, y al menos segundos medios electromagnéticos (ME-F), instalados en al menos un segundo cuerpo (F), distante respecto al primer cuerpo (H), y que definen un segundo momento magnético apropiado para interaccionar con dicho campo magnético, caracterizado porque i) los primeros medios electromagnéticos (ME-H) están dispuestos para hacer girar en el tiempo la dirección del primer momento magnético en rotación alrededor de un eje de rotación (Z) y a una velocidad de rotación (\omega) elegidos, de manera que se crea un campo magnético que gira a la misma velocidad (\omega), ii) los segundos medios electromagnéticos (ME-F) están dispuestos para hacer variar en el tiempo la dirección y la intensidad del segundo momento magnético de modo sincrónico con respecto a la rotación del primer momento magnético y según una ley de variación calculada mediante una demodulación sincrónica del segundo momento magnético de modo que se inducen una fuerza y un par deseados al nivel de dicho segundo cuerpo (F), y porque comprende iii) medios de cálculo (MC) dispuestos para determinar dicha ley de variación en función al menos de la fuerza y del par deseados que deben inducirse al nivel de dicho segundo cuerpo (F).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la dirección del primer momento magnético es perpendicular a dicho eje de rotación (Z).
3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque dichos primeros medios electromagnéticos (ME-H) están dispuestos para suministrar dicho primer momento magnético según una intensidad y una dirección constantes, y porque están dispuestos medios de variación del primer momento magnético para ordenar a dicho primer cuerpo (H) que gire alrededor de dicho eje de rotación (Z) de modo que haga girar dicha dirección.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dichos medios de cálculo (MC) están dispuestos para determinar dicha ley de variación en función además de un vector que define la posición relativa del segundo cuerpo (F) con respecto al primer cuerpo (H).
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicha ley de variación es una ley que define las variaciones temporales de la dirección y la intensidad de dicho segundo momento magnético.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dichos segundos medios electromagnéticos (ME-F) comprenden dichos medios de variación del segundo momento magnético.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque dichos segundos medios electromagnéticos (ME-F) son fijos con respecto a dicho segundo cuerpo (F).
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dichos segundos medios electromagnéticos (ME-F) están dispuestos en forma de al menos una bobina alimentada con corriente o de al menos un imán.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dichos primeros medios electromagnéticos (ME-H) están dispuestos en forma de al menos una bobina alimentada con corriente o de al menos un imán.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la intensidad de dicho primer momento magnético es grande frente a la intensidad de dicho segundo momento magnético.
11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque dichos medios de cálculo están dispuestos para determinar dicha ley de variación en función, además, del campo magnético local al nivel de dicho segundo cuerpo.
12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende un magnetómetro (MG) instalado en dicho segundo cuerpo (F) y dispuesto para alimentar dichos medios de cálculo (MC) con mediciones del campo magnético local.
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dichos medios de cálculo (MC) están instalados en dicho segundo cuerpo (F).
14. Sistema (S) constituido por al menos un primer cuerpo (H) y por al menos un segundo cuerpo (F), caracterizado porque comprende un dispositivo de actuación según una de las reivindicaciones anteriores.
15. Sistema según la reivindicación 14, caracterizado porque dichos cuerpos primero(s) (H) y segundo(s) (F) son satélites o sondas destinados a volar en formación.
ES05747091T 2004-05-18 2005-04-25 Dispositivo electromagnetico de generacion de una fuerza y de un par con el fin del posicionamiento de un cuerpo. Active ES2340047T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0450978A FR2870609B1 (fr) 2004-05-18 2004-05-18 Dispositif electromagnetique de generation d'une force et d'un couple en vue du positionnement d'un corps
FR0450978 2004-05-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2340047T3 true ES2340047T3 (es) 2010-05-28

Family

ID=34945056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES05747091T Active ES2340047T3 (es) 2004-05-18 2005-04-25 Dispositivo electromagnetico de generacion de una fuerza y de un par con el fin del posicionamiento de un cuerpo.

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20070295865A1 (es)
EP (1) EP1751638B1 (es)
AT (1) ATE460696T1 (es)
DE (1) DE602005019877D1 (es)
ES (1) ES2340047T3 (es)
FR (1) FR2870609B1 (es)
WO (1) WO2005113337A2 (es)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130267788A1 (en) * 2012-04-04 2013-10-10 Ankon Technologies Co. Ltd. System and Method for Orientation and Movement of Remote Objects
US9846023B1 (en) * 2014-07-01 2017-12-19 The United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Electromagnetic monitoring and control of a plurality of nanosatellites
CN105799953B (zh) * 2016-04-22 2019-06-04 西北工业大学 一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器及其工作方法
DE102017102481A1 (de) * 2017-02-08 2018-08-09 Klaus Schilling Formationsfähiger Kleinstsatellit und Formation aus mehreren Kleinstsatelliten
JP2020032874A (ja) * 2018-08-30 2020-03-05 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 人工衛星の位置・姿勢制御システム及び人工衛星の位置・姿勢制御方式
RU2716397C1 (ru) * 2019-08-29 2020-03-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Управляемое устройство выпуска троса связки двух космических аппаратов
US11358740B2 (en) * 2019-09-09 2022-06-14 The Boeing Company Magnetic maneuvering for satellites

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3061239A (en) * 1960-08-04 1962-10-30 Lockheed Aircraft Corp Magnetic moment device for applying corrective torque to a space vehicle
US3232561A (en) * 1963-06-06 1966-02-01 Honeywell Inc Control apparatus for space craft
FR2670746B1 (fr) * 1990-12-21 1993-04-16 Aerospatiale Systeme de controle d'attitude pour satellite 3-axes,; notamment pour satellite d'observation.
US6089510A (en) * 1997-07-30 2000-07-18 Hughes Electronics Corporation Magnetic systems and methods for realizing spacecraft maneuvers
US6478681B1 (en) * 2000-11-27 2002-11-12 Duke University Magnetic couplings for imparting simultaneous rotary and longitudinal oscillations
US6634603B2 (en) * 2001-11-29 2003-10-21 The Boeing Company Magnetic dipole tractor beam control system

Also Published As

Publication number Publication date
DE602005019877D1 (de) 2010-04-22
EP1751638B1 (fr) 2010-03-10
EP1751638A2 (fr) 2007-02-14
FR2870609B1 (fr) 2006-08-18
FR2870609A1 (fr) 2005-11-25
WO2005113337A3 (fr) 2006-02-09
ATE460696T1 (de) 2010-03-15
US20070295865A1 (en) 2007-12-27
WO2005113337A2 (fr) 2005-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2340047T3 (es) Dispositivo electromagnetico de generacion de una fuerza y de un par con el fin del posicionamiento de un cuerpo.
CN103196436B (zh) 五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺
CN111609872B (zh) 用于旋转角度检测和3d操纵杆功能的传感器系统
CN107655476A (zh) 基于多信息融合补偿的行人高精度足部导航算法
CN108871326B (zh) 一种单轴旋转调制惯性-天文深组合导航方法
CN102975868B (zh) 磁悬浮万向动量球装置
JPH09511471A (ja) 磁気的および空力的モーメントの発生装置を装備した人工衛星およびそのような衛星の制御方法
CN108195400A (zh) 捷联式微机电惯性导航系统的动基座对准方法
Včelák et al. Precise magnetic sensors for navigation and prospection
CN110440984A (zh) 一种航天器质心偏差检测精度估算方法
Vega et al. Design and modeling of an active attitude control system for CubeSat class satellites
CN115235512A (zh) 一种基于三轴混合式光纤惯性导航系统的复合旋转方法
ES1215425U (es) Actuador inercial aeroespacial
Tarasov A study on the effect produced by instrumental error of automated astronomical system on landmark azimuth accuracy
US9612116B2 (en) Gyroscope with encased annular rotary core
JPH0535971B2 (es)
JP2003065792A (ja) 地磁気式進行方向決定方法、地磁気式移動体移動方法及び地磁気式進行方向決定装置
Lyubimov et al. Damping of microsatellite angular velocity by means of magnetic moments of Foucault currents
Lin et al. Attitude control for small spacecraft with sensor errors
Zhuravlev et al. An ESG-based Sensor for Measuring Three Angles of a Moving Object Rotation: Some Issues of the Theory and Mathematical Simulation of its Operation
US20140259711A1 (en) North Orienting Device
Williams et al. An Experimental Approach to Mapping of Magnetic Fields of CubeSat Attitude Actuator Representations
Mino et al. Gimballess Attitude Control Systems for Spacecraft Using a Spherical Rotor
Yefeng et al. Error modeling and compensation for rotation-modulation strapdown inertial navigation system
WO2005075938A1 (en) Bearingless gyroscope