RU2180729C2 - Method of initial orientation for spacecraft - Google Patents
Method of initial orientation for spacecraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2180729C2 RU2180729C2 RU2000107873A RU2000107873A RU2180729C2 RU 2180729 C2 RU2180729 C2 RU 2180729C2 RU 2000107873 A RU2000107873 A RU 2000107873A RU 2000107873 A RU2000107873 A RU 2000107873A RU 2180729 C2 RU2180729 C2 RU 2180729C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spacecraft
- gyroscope
- angular velocity
- signals
- stops
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области управления космическими аппаратами (КА) и может быть использовано в системах ориентации спутника Земли. The invention relates to the field of spacecraft (SC) control and can be used in Earth satellite orientation systems.
В первый момент после отделения КА от носителя КА произвольно вращается вследствие возмущения-толчка. At the first moment after the separation of the spacecraft from the carrier, the spacecraft rotates randomly due to perturbation-shock.
Операция начальной ориентации предъявляет специфические требования как к датчикам, так и к устройству управления. Поэтому часто для нее используется свой комплект приборов. The initial orientation operation presents specific requirements for both the sensors and the control device. Therefore, often it uses its own set of devices.
Известен способ демпфирования колебаний КА [1] на базе релейной системы, включающей в себя свободный гироскоп, усилитель ОС, реле, электромагнитный клапан и реактивные двигатели. A known method of damping oscillations of a spacecraft [1] on the basis of a relay system that includes a free gyroscope, an OS amplifier, a relay, an electromagnetic valve and jet engines.
Способ заключается в том, что управляющий момент, создаваемый реактивными двигателями, формируется на основании сигналов свободного гироскопа за счет включения и выключения двигателей с помощью электромагнитного клапана, работой которого управляет трехпозиционное реле. The method consists in the fact that the control moment created by jet engines is formed on the basis of signals from a free gyroscope by turning the engines on and off using an electromagnetic valve, the operation of which is controlled by a three-position relay.
Основными недостатками данного способа являются значительный расход топлива, необходимость организации закона управления по углу и угловой скорости отклонений КА для обеспечения устойчивости системы, т.е. велика степень сложности и значительны габариты системы. The main disadvantages of this method are significant fuel consumption, the need to organize a control law for the angle and angular velocity of the spacecraft deviations to ensure the stability of the system, i.e. the degree of complexity is large and the dimensions of the system are significant.
Известны способы [2] начальной солнечной ориентации космических аппаратов на базе специальной подсистемы начальной ориентации, в состав которой входят: оптический датчик Солнца, датчики угловых скоростей (ДУС), устройство управления. В качестве исполнительных органов используются газореактивные сопла. Способы отличаются друг от друга не только последовательностью операций, но и используемой при этом аппаратурой. Критериями для сравнительной оценки различных схем солнечной ориентации могут служить их эксплуатационные характеристики: время, затрачиваемое на полный цикл начальной солнечной ориентации, расход сжатого газа во время этой операции, сложность технической реализации системы, надежность выполнения операций. Known methods [2] of the initial solar orientation of spacecraft based on a special subsystem of initial orientation, which includes: an optical sensor of the Sun, angular velocity sensors (DLS), a control device. As executive bodies, gas-jet nozzles are used. The methods differ from each other not only in the sequence of operations, but also in the equipment used for this. The criteria for a comparative assessment of various solar orientation schemes can be their operational characteristics: the time spent on the full cycle of the initial solar orientation, the flow of compressed gas during this operation, the complexity of the technical implementation of the system, and the reliability of the operations.
Сложность технической реализации системы можно охарактеризовать потребным комплектом приборов. Требование к надежности выполнения операции начальной выставки очень велики, т. к. от успешности ее часто целиком зависит возможность функционирования КА. The complexity of the technical implementation of the system can be characterized by the required set of devices. The requirement for the reliability of the operation of the initial exhibition is very high, since the possibility of the spacecraft functioning entirely depends on its success.
Выделяют следующие классы возможных схем солнечной ориентации:
1) Схемы параллельного приведения (одновременно по двум осям), использующие сигналы угловой скорости КА ωx, ωy, ωz от 3-4 ДУСов и два направляющих косинуса для единичного вектора, направленного на Солнце.The following classes of possible solar orientation schemes are distinguished:
1) Parallel reduction circuits (simultaneously along two axes) using spacecraft angular velocity signals ω x , ω y , ω z from 3-4 DOSs and two cosine guides for a unit vector directed at the Sun.
2) Схемы последовательного приведения, использующие сигналы угловой скорости ωx, ωy, ωz от 3 ДУСов, и сигналы присутствия Солнца в ограниченном поле зрения.2) Sequential reduction schemes using signals of angular velocity ω x , ω y , ω z from 3 DOSs, and signals of the presence of the Sun in a limited field of view.
3) Схемы с ограниченным использованием ДУС:
а) схемы, использующие сигналы о положении Солнца и сигнал об угловой скорости вращения КА только вокруг "солнечной" оси ωx;
б) схемы, использующие только угловую информацию.3) Schemes with limited use of CRS:
a) schemes using signals about the position of the Sun and a signal about the angular velocity of rotation of the spacecraft only around the "solar" axis ω x ;
b) schemes using only angular information.
Известен способ [2] , принятый в качестве прототипа, демпфирования начальных колебаний КА, заключающийся в том, что силовой гиростабилизатор решает данную задачу с помощью реактивных двигателей, образующих внешние тормозящие моменты вокруг осей аппарата, для которых он служит командным чувствительным устройством - двухкомпонентным датчиком угловой скорости. The known method [2], adopted as a prototype, damping the initial oscillations of the spacecraft, which consists in the fact that the power gyrostabilizer solves this problem using jet engines that form external braking moments around the axes of the apparatus, for which it serves as a command sensitive device - a two-component angular sensor speed.
В работе [2] показано, что углы поворота гироскопа вокруг осей карданова подвеса дают информацию о проекциях угловой скорости аппарата, т.е. подтверждается возможность использования гироскопического стабилизатора как двухкомпонентного датчика угловой скорости, способного управлять реактивными двигателями, создающими тормозящие моменты вокруг осей аппарата. In [2], it was shown that the rotation angles of the gyroscope around the axes of the cardan suspension give information about the projections of the angular velocity of the apparatus, the possibility of using a gyroscopic stabilizer as a two-component angular velocity sensor that can control jet engines that create braking moments around the axes of the apparatus is confirmed.
Целью изобретения является упрощение законов управления и технической реализации системы начальной ориентации космических аппаратов. The aim of the invention is to simplify the laws of control and technical implementation of the initial orientation system of spacecraft.
Поставленная цель достигается за счет определения соответствия между положениями устойчивого равновесия трехстепенного гироскопа (ТГ), находящегося на упорах, и соотношением величин и знаков проекций угловых скоростей КА на оси связанной с КА системы координат в случае, когда угловые скорости КА превышают диапазон измерений ТГ. This goal is achieved by determining the correspondence between the positions of stable equilibrium of a three-stage gyroscope (TG) located on the stops and the ratio of the values and signs of the projections of the angular velocity of the spacecraft on the axis of the coordinate system associated with the spacecraft in the case when the angular velocity of the spacecraft exceeds the measurement range of the TG.
Ни в одном из известных технических решений не выявлены признаки, сходные с признаками предлагаемого способа. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ обладает существенными отличиями. None of the known technical solutions revealed signs similar to those of the proposed method. This allows us to conclude that the proposed method has significant differences.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны все возможные случаи устойчивого равновесия гироскопа на упоре. На фиг.2 показана связанная с корпусом КА система координат и векторы угловых скоростей рамок ТГ. На фиг.3 приведен алгоритм обработки информации о знаках проекций угловых скоростей КА на оси связанной системы координат. The method is illustrated by drawings, where figure 1 shows all possible cases of stable equilibrium of the gyro on the stop. Figure 2 shows the coordinate system associated with the spacecraft body and the angular velocity vectors of the TG frames. Figure 3 shows the algorithm for processing information about the signs of the projections of the angular velocity of the spacecraft on the axis of the associated coordinate system.
Способ реализуется следующим образом. Положение ТГ на упорах упорах и, следовательно, знаки сигналов с датчиков углов ТГ определяются направлением вращения КА относительно осей связанной с КА системы координат и соотношением модулей угловых скоростей,
Как видно из фиг.1, положение упора ТГ под воздействием угловых скоростей, превышающих предельные значения, имеет определенную закономерность.The method is implemented as follows. The position of the TG on the stops and, therefore, the signs of the signals from the TG angle sensors are determined by the direction of rotation of the spacecraft relative to the axes of the coordinate system associated with the spacecraft and the ratio of the angular velocity moduli,
As can be seen from figure 1, the position of the stop TG under the influence of angular velocities exceeding the limiting values, has a certain pattern.
При различных комбинациях модулей и знаков угловых скоростей движения КА, превышающих предельные значения, приводит к одному и тому же состоянию. Например, к состоянию +αy и βy приводят следующие случаи: - ωx; - ωx+ωz; - ωx-ωz при |-ωz| ≫ |ωx|.
Совершенно очевидно, что во всех этих случаях присутствует угловая скорость -ωx.
Подобные закономерности можно выделить и во всех остальных состояниях. На этом и основан способ успокоения объекта при работе ТГ на упорах.With various combinations of modules and signs of the angular velocity of the spacecraft exceeding the limiting values, it leads to the same state. For example, the following cases lead to the state + α y and β y : - ω x ; - ω x + ω z ; - ω x -ω z for | -ω z | ≫ | ω x |.
It is obvious that in all these cases there is an angular velocity of -ω x .
Similar patterns can be distinguished in all other states. This is the basis for the method of calming the object during operation of the TG at stops.
Способ поясняется алгоритмом, приведенным на фиг.3. The method is illustrated by the algorithm shown in figure 3.
Каждому устойчивому положению ТГ на упорах соответствует доминирующая над остальными угловая скорость КА. Для первого квадранта, соответствующего положительным сигналам с датчиков угла ТГ (+αy, +βy), доминирующей является отрицательная угловая скорость -ωx относительно оси Х КА, для второго квадранта (+αy, -βy), - положительная угловая скорость +ωz относительно оси Z КА, для третьего квадранта (-αy, -βy) - положительная угловая скорость +ωx относительно оси Х КА, для четвертого квадранта (-αy, +βy) отрицательная угловая скорость -ωz относительно оси Z КА.Each stable position of the TG on the stops corresponds to the angular velocity of the spacecraft that dominates over the rest. For the first quadrant, corresponding to the positive signals from the TG angle sensors (+ α y , + β y ), the negative angular velocity -ω x relative to the X axis of the spacecraft is dominant, for the second quadrant (+ α y , -β y ), the positive angular speed + ω z relative to the spacecraft axis Z, for the third quadrant (-α y , -β y ) - positive angular velocity + ω x relative to the spacecraft X axis, for the fourth quadrant (-α y , + β y ) negative angular velocity -ω z relative to the Z axis of the spacecraft.
Первоначально осуществляется компенсация доминирующей угловой скорости КА. После компенсации доминирующей угловой скорости ТГ занимает новое положение устойчивого равновесия, которое определяется оставшейся из измеряемых данных ТГ угловой скоростью. Компенсация оставшейся угловой скорости продолжается до возвращения ТГ с упоров в рабочую зону. Initially, the dominant angular velocity of the spacecraft is compensated. After compensating for the dominant angular velocity, the TG takes a new position of stable equilibrium, which is determined by the angular velocity remaining from the measured TG data. Compensation of the remaining angular velocity continues until the TG returns from the stops to the working area.
Теоретические предпосылки возможности создания алгоритма демпфирования колебаний объекта по сигналам ТГ, находящегося на упорах
Известно, что при вращении основания, на которое устанавливается ТГ (в данном случае основанием ТГ является КА) с угловыми скоростями, превышающими диапазон измерения ТГ, имеет место "выбивание" ТГ. Покажем, что в этом случае показание ТГ можно использовать для демпфирования колебаний КА.Theoretical prerequisites for the possibility of creating an algorithm for damping object vibrations from TG signals at stops
It is known that during rotation of the base onto which the TG is mounted (in this case, the base of the TG is a spacecraft) with angular velocities exceeding the range of TG measurement, the TG is knocked out. We show that in this case the TG reading can be used to damp the vibrations of the spacecraft.
Уравнения движения ТГ в кардановом подвесе имеют вид [3]:
где A, C, A1, B1, C1, A2 - моменты инерции соответственно ротора гироскопа, внутренней и наружной рамок карданова подвеса;
ω - угловая скорость вращения ротора;
абсолютная угловая скорость вращения внутренней рамки;
абсолютная угловая скорость вращения внутренней рамки;
Lζ- момент внешних сил относительно оси вращения ζ наружного кольца;
LN - момент внешних сил относительно оси вращения N внутреннего кольца.The equations of motion of the TG in the gimbal have the form [3]:
where A, C, A 1 , B 1 , C 1 , A 2 - the moments of inertia, respectively, of the gyro rotor, the inner and outer frames of the cardan suspension;
ω is the angular velocity of rotation of the rotor;
absolute angular speed of rotation of the inner frame;
absolute angular speed of rotation of the inner frame;
L ζ is the moment of external forces relative to the axis of rotation ζ of the outer ring;
L N is the moment of external forces relative to the axis of rotation N of the inner ring.
Для гироскопа типа ГПА приняты следующие обозначения:
Iэ - экваториальный момент инерции ротора ТГ;
Н - кинетический момент ТГ;
βy - предельный утоп отклонения внутренней рамки, ограниченный упором;
αy- предельный угол отклонения наружной рамки, ограниченный упором;
вектор абсолютной угловой скорости объекта,
Ω - вектор абсолютной угловой скорости гироскопа относительно инерциального пространства;
Мх, Мz - моменты, действующие по осям ТГ.The following designations are accepted for a GPA gyroscope:
I e - equatorial moment of inertia of the TG rotor;
N is the kinetic moment of TG;
β y - utop utop deviation of the inner frame, limited focus;
α y - the maximum deviation angle of the outer frame, limited by the emphasis;
vector of the absolute angular velocity of the object,
Ω is the vector of the absolute angular velocity of the gyroscope relative to inertial space;
M x , M z - moments acting on the axes of the TG.
Учитывая принятые обозначения, пренебрегая моментами инерции рам и считая углы отклонения гироскопа малыми, уравнения движения гироскопа можно записать в виде:
Взаимное расположение осей КА и ТГ ГПА показано на фиг.2, где введены следующие обозначения:
XcYcZc - оси, связанные с КА;
ХвнУвнZвн - оси, связанные с внутренней рамкой;
XнYнZн - оси, связанные с наружной рамкой.Given the accepted notation, neglecting the moments of inertia of the frames and considering the angles of deviation of the gyroscope small, the equations of motion of the gyroscope can be written in the form:
The relative position of the axes of the spacecraft and TG GPA is shown in figure 2, where the following notation is introduced:
X c Y c Z c - axis associated with the spacecraft;
X VN VN Z VN - axis associated with the inner frame;
X n Y n Z n - axis associated with the outer frame.
Из фиг. 2 получаем выражения абсолютной угловой скорости гироскопа при замкнутых обратных связях:
Таким образом, уравнение движении ТГ типа ГПА на подвижном КА при замкнутых обратных связях в соответствии с фиг.2 имеют вид:
Для случая ωx= const, ωy= const, ωz= const уравнения имеют вид:
Пренебрегая влиянием угловой скорости ωy, направленной по оси кинетического момента гироскопа для малых углов α и β и учитывая, что
Mz= -kα,
Mx= -kβ,
где k - коэффициент передачи в цепях коррекции гироскопа, получим
В нормальном режиме работы гироскопа, т.е. |α| < αy и |β| < βy ограничимся рассмотрением прецессионных уравнений
откуда
или при переходе на картинную плоскость
При отделении КА от носителя угловые скорости КА могут достигать значительных величин, которые превышают диапазон измерения ТГ. Известно, что при этом происходит "выбивание" ТГ, т.е. ТГ касается сначала одного, а затем другого упора, после чего занимает положение устойчивого равновесия.From FIG. 2 we obtain the expressions of the absolute angular velocity of the gyroscope with closed feedbacks:
Thus, the equation of motion of a TG of the GPA type on a moving spacecraft with closed feedbacks in accordance with figure 2 have the form:
For the case of ω x = const, ω y = const, ω z = const, the equations have the form:
Neglecting the influence of the angular velocity ω y directed along the axis of the kinetic moment of the gyroscope for small angles α and β and taking into account that
M z = -kα,
M x = -kβ,
where k is the transmission coefficient in the gyro correction circuits, we obtain
In the normal mode of operation of the gyroscope, i.e. | α | <α y and | β | <β y restrict ourselves to the consideration of precession equations
where from
or when moving to the picture plane
When separating the spacecraft from the carrier, the angular velocity of the spacecraft can reach significant values that exceed the measurement range of the TG. It is known that in this case the TG is "knocked out", i.e. TG touches first one, and then another emphasis, after which it occupies a position of stable equilibrium.
Определим соотношение между угловыми скоростями объекта и положениями устойчивого равновесия гироскопа. We determine the relationship between the angular velocities of the object and the positions of the stable equilibrium of the gyroscope.
Допустим, что ωz> 0, ωx>0 и |ωz| > |ωx|. В момент касания упоров t=t1;
Начальные условия для второго участка движения определим при t=t1:
Интегрируя уравнения движения гироскопа с учетом полученных начальных условий, будем иметь:
Для момента времени t1 можно записать:
откуда
откуда
Таким образом, при касании стенки упора βy наблюдается равномерное движение ТГ вокруг оси X, причем α > 0 до касания упора αy.
В момент времени t= t2 ТГ займет устойчивое положение равновесия.Assume that ω z > 0, ω x > 0 and | ω z | > | ω x |. At the moment of contact of the stops t = t 1 ;
The initial conditions for the second section of motion are defined at t = t 1 :
Integrating the equations of motion of the gyroscope taking into account the obtained initial conditions, we will have:
For time t 1 you can write:
where from
where from
Thus, when the wall of the stop β y touches, the TG moves uniformly around the X axis, and α> 0 until the stop touches α y .
At time t = t 2 TG will take a stable equilibrium position.
При этом уравнения движения гироскопа примут вид:
Hωx= -kαy+M
Hωz= -kβy+M
т.е. гироскопические моменты в положении αy и βy уравновесятся моментами реакций опор и ТГ будет совершать в инерциальном пространстве принудительное вращение со скоростями +ωx и +ωz.
Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что использование предложенного способа исключает необходимость использования дополнительной аппаратуры для режима начальной ориентации КА.In this case, the equations of motion of the gyroscope will take the form:
Ω x = -kα y + M
Ω z = -kβ y + M
those. the gyroscopic moments in the position α y and β y will be balanced by the moments of reactions of the supports and the TG will perform a forced rotation in inertial space with speeds + ω x and + ω z .
The technical effect of the invention is that the use of the proposed method eliminates the need for additional equipment for the initial orientation mode of the spacecraft.
Литература
1. Алексеев К. Б. , Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. М., Машиностроение, 1974 г.Literature
1. Alekseev K. B., Bebenin G. G. Spacecraft control. M., Mechanical Engineering, 1974
2. Раушенбах Б. В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. Издательство "Наука", главная редакция физико-математической литературы, М., 1974 г. 2. Raushenbakh B.V., Tokar E.N. Spacecraft orientation control. Publishing house "Science", the main edition of the physical and mathematical literature, M., 1974
3. Николаи Е.Л. Гироскоп в кардановом подвесе. Изд. 2-е, М., Наука, 1964 г. 3. Nikolai E.L. Gyroscope in a gimbal. Ed. 2nd, M., Science, 1964
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000107873A RU2180729C2 (en) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | Method of initial orientation for spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000107873A RU2180729C2 (en) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | Method of initial orientation for spacecraft |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2000107873A RU2000107873A (en) | 2002-01-27 |
RU2180729C2 true RU2180729C2 (en) | 2002-03-20 |
Family
ID=20232588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000107873A RU2180729C2 (en) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | Method of initial orientation for spacecraft |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2180729C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104406598A (en) * | 2014-12-11 | 2015-03-11 | 南京航空航天大学 | Non-cooperative spacecraft attitude estimation method based on virtual sliding mode control |
-
2000
- 2000-03-31 RU RU2000107873A patent/RU2180729C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
РАУШЕНБАХ Б.В. и др. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974, с.499-504. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104406598A (en) * | 2014-12-11 | 2015-03-11 | 南京航空航天大学 | Non-cooperative spacecraft attitude estimation method based on virtual sliding mode control |
CN104406598B (en) * | 2014-12-11 | 2017-06-30 | 南京航空航天大学 | A kind of non-cooperative Spacecraft Attitude estimation method based on virtual sliding formwork control |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7548835B2 (en) | Method and system for integrated inertial stabilization mechanism | |
JP6524100B2 (en) | Platform stabilization system | |
US5396326A (en) | Two gimbal error averaging astro-inertial navigator | |
US4038527A (en) | Simplified strapped down inertial navigation utilizing bang-bang gyro torquing | |
CN112179340B (en) | Redundant configuration inertia measurement unit double-axis rotation modulation method | |
US3746281A (en) | Hybrid strapdown guidance system | |
JPS6047159B2 (en) | Satellite attitude control device | |
US3279086A (en) | Compensated gyroscopic directional reference | |
US3039316A (en) | Guidance system utilizing two-axis stabilization | |
US3830447A (en) | Active nutation damping in dual-spin spacecraft | |
RU2423658C2 (en) | Method of controlling and stabilising mobile carrier, integrated system, device for turning antenna reflector in two mutually-perpendicular planes and device for actuating differential aerodynamic controllers for realising said method | |
US3143892A (en) | Inertial platform | |
US5988562A (en) | System and method for determining the angular orientation of a body moving in object space | |
RU2180729C2 (en) | Method of initial orientation for spacecraft | |
RU2208559C1 (en) | Method of determination of inertial characteristics of spacecraft in the course of control by means of powered gyroscopes and jet engines | |
US3439884A (en) | Space vehicle guidance system | |
US2958522A (en) | Sectional stable platform | |
US4844383A (en) | Apparatus for redundant axis stabilization and control of an aircraft | |
US3490281A (en) | Local vertical control apparatus | |
US3281094A (en) | Self-contained guidance system | |
Huddle | Advances in strapdown systems for geodetic applications | |
US20220013021A1 (en) | Navigation based on earth centered earth fixed (ecef) frame of reference | |
Feng | A Review of Rotary Modulation Technology Applied to Strapdown Inertial Navigation System | |
US2983150A (en) | Non-tumbling gyroscope unit | |
Smith | Developments in inertial navigation |