RU2197412C2 - Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base - Google Patents
Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base Download PDFInfo
- Publication number
- RU2197412C2 RU2197412C2 RU2001111189A RU2001111189A RU2197412C2 RU 2197412 C2 RU2197412 C2 RU 2197412C2 RU 2001111189 A RU2001111189 A RU 2001111189A RU 2001111189 A RU2001111189 A RU 2001111189A RU 2197412 C2 RU2197412 C2 RU 2197412C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spacecraft
- correction
- vector
- orbit
- moment
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к космонавтике, а именно к управлению ориентацией и движением центра масс космических аппаратов (КА). The invention relates to astronautics, namely to control the orientation and movement of the center of mass of spacecraft (SC).
Известен способ управления космическим аппаратом [1], снабженным реактивными двигателями (РД) с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс аппарата линиями действия тяг. В этом способе к корпусу КА прикладывается требуемый управляющий момент одновременно по трем осям связанного базиса путем установки РД в параллельных плоскостях и включения тех из них, проекции векторов управляющих моментов которых на ось требуемого управляющего момента суммируются, а относительно остальных осей связанного базиса - взаимно компенсируются. Кроме того, осуществляется коррекция орбиты КА по каждому из двух заданных направлений, совпадающих с направлениями осей связанного базиса, путем приложения тяг реактивных двигателей для отработки импульсов, заданных в соответствии с направлением и величиной векторов линейной скорости коррекции по указанным осям. Причем для компенсации возмущающих моментов относительно третьей оси связанного базиса прикладывают управляющие моменты от расположенных в тех же плоскостях РД, проекции векторов моментов которых на указанные первую и вторую оси связанного базиса и проекции их сил тяг на эти оси взаимно компенсируются. A known method of controlling a spacecraft [1], equipped with jet engines (RD) with directed at the angle of the axes of the associated basis and offset from the center of mass of the vehicle by the lines of action of the rods. In this method, the required control moment is applied to the spacecraft’s hull simultaneously along the three axes of the connected basis by installing the RD in parallel planes and turning on those of them whose projections of the control moment vectors on the axis of the required control moment are summed and mutually compensated relative to the remaining axes of the connected basis. In addition, the spacecraft’s orbit is corrected for each of two given directions, coinciding with the directions of the axes of the connected basis, by applying the thrusts of jet engines to work out the pulses specified in accordance with the direction and magnitude of the linear correction speed vectors along the indicated axes. Moreover, to compensate for disturbing moments relative to the third axis of the connected basis, control moments are applied from the taxiways located on the same planes, the projections of the moment vectors of which on the indicated first and second axes of the connected basis and the projections of their traction forces on these axes are mutually compensated.
Этот способ управления позволяет уменьшить число РД и затраты топлива на коррекцию орбиты КА, но не решают важный вопрос получения максимальной скорости коррекции. Кроме того, в предлагаемом способе управление ориентацией КА в процессе коррекции орбиты с помощью РД отличается невысокой точностью, а это существенно, например, для спутников связи, точность ориентации которых должна быть не хуже 12'. This control method allows to reduce the number of taxiways and fuel costs for the correction of the spacecraft orbit, but they do not solve the important issue of obtaining the maximum correction speed. In addition, in the proposed method, controlling the orientation of the spacecraft in the process of correcting the orbit with the help of RD is not very accurate, and this is essential, for example, for communication satellites, the orientation accuracy of which should be no worse than 12 '.
Наиболее близкий из аналогов способ управления КА с помощью реактивных исполнительных органов (см. [2]), используемый в качестве прототипа, включает определение требуемого значения скорости коррекции орбиты космического аппарата, определение интервала времени проведения коррекции (t0, tk), поддержание заданной ориентации космического аппарата с помощью силовых гироскопов (СГ) в процессе коррекции орбиты двигателями ориентации, измерение при этом значений вектора кинетического момента в системе силовых гироскопов и вектора угловой скорости космического аппарата, определение по измеренным значениям вектора кинетического момента в системе силовых гироскопов, вектора угловой скорости космического аппарата и известным значениям моментов инерции космического аппарата значений суммарного вектора кинетического момента космического аппарата в текущие моменты времени t, в том числе и в момент времени t0, проверяют выполнение условия принадлежности значений области S располагаемых значений вектора кинетического момента в системе силовых гироскопов и в случае насыщения системы СГ в момент времени tS определяют суммарное значение векторов управляющих моментов от двигателей ориентации при условии поочередного отключения каждого i-го двигателя, где i= l, 2, ...,n - номера РД, участвующих в коррекции орбиты, создают разгрузочный момент для системы силовых гироскопов двигателями ориентации, суммарный момент которых имеет наибольшую проекцию на направление, противоположное вектору при соответствующем отключенном двигателе ориентации, а в случае, когда этот управляющий момент не является разгрузочным, для разгрузки силовых гироскопов включают ту пару двигателей ориентации, не участвующих в коррекции орбиты, момент которой имеет наибольшую проекцию на направление, противоположное вектору при этом никакой из указанных i-х двигателей не отключают, в процессе проведения коррекции орбиты и разгрузки силовых гироскопов прогнозируют изменения указанного суммарного вектора кинетического момента для случая коррекции орбиты, с учетом всех работающих указанных i-х двигателей на интервале от текущего момента времени разгрузки до расчетного момента времени окончания коррекции, суммируют указанные спрогнозированные изменения вектора с текущим значением суммарного вектора определенным на момент начала прогноза проверяют условие принадлежности полученных векторных сумм указанной области S и одновременно условие непринадлежности области S и, если в момент времени не выполняются оба эти условия, продолжают проводить коррекцию орбиты с одновременной разгрузкой силовых гироскопов, а если выполняется хотя бы одно из указанных условий, прекращают разгрузку силовых гироскопов за счет подключения указанного отключенного i-го двигателя к процессу коррекции орбиты или отключения указанной разгрузочной пары РД, после чего продолжают проверять выполнение условия принадлежности указанного вектора суммарного кинетического момента области S вплоть до завершения коррекции и в случае невыполнения этого условия повторяют разгрузку системы СГ при помощи двигателей ориентации, создающих указанный момент, или при помощи разгрузочной пары двигателей ориентации, не участвующих в процессе коррекции орбиты.The closest analogue to the spacecraft control method using reactive executive bodies (see [2]), used as a prototype, includes determining the required value of the spacecraft’s orbit correction speed, determining the correction time interval (t 0 , t k ), maintaining a given the orientation of the spacecraft using power gyroscopes (SG) during the correction of the orbit by the orientation engines, the measurement of the values of the kinetic moment vector in the system of power gyroscopes and the angular velocity vector spacecraft span, determining from the measured values of the kinetic moment vector in the system of power gyroscopes, the spacecraft angular velocity vector and the known values of the spacecraft inertia moments of the total kinetic moment vector of the spacecraft at current moments of time t, including at time t 0 , check that the condition for the values to belong the domain S of the available values of the vector of kinetic moment in the system of power gyroscopes and in the case of saturation of the SG system at time t S determine the total value of the vectors of control moments from the orientation engines, provided that each i-th engine is turned off, where i = l, 2, .. ., n - numbers of taxiways participating in orbit correction, create an unloading moment for the system of power gyroscopes with orientation engines, the total moment of which has the greatest projection in the direction opposite to the vector with the corresponding orientation motor switched off, and in the case when this control moment is not unloading, to unload the power gyroscopes, include that pair of orientation engines that are not involved in the orbit correction, the moment of which has the greatest projection in the direction opposite to the vector in this case, none of the indicated i-th engines is turned off, during the correction of the orbit and unloading of power gyroscopes, changes in the indicated total vector of the kinetic moment are predicted for the case of orbit correction, taking into account all the working specified i-th engines in the interval from the current moment of unloading to the estimated time of the end of the correction, summarize the specified predicted changes in the vector with the current value of the total vector defined at the time the forecast began check the membership condition of the obtained vector sums of the indicated domain S and simultaneously the non-membership condition areas S and, if at the moment both of these conditions are not met, continue to correct the orbit while unloading the power gyroscopes, and if at least one of these conditions is fulfilled, stop unloading the power gyroscopes by connecting the indicated disabled i-th engine to the correction process the orbits or shutdowns of the indicated unloading pair of taxiways, after which they continue to verify that the conditions of membership of the specified vector of the total kinetic moment region S until the completion of the correction and if this condition is not fulfilled, the unloading of the SG system is repeated using the orientation engines that create the specified moment, or using the unloading pair of orientation engines that are not involved in the orbit correction process.
Недостатком способа управления, описанного в прототипе, является использование для управления КА большого числа РД (24 РД), а также и то, что не выполняется выбор тех РД для проведения коррекции орбиты, которые позволят провести ее без насыщения системы СГ, которое, как следствие, приведет к необходимости в разгрузке системы СГ с помощью РД, что не желательно, т.к. это связано с дополнительным расходом рабочего тела и ухудшением орбиты, вызванным работой РД. The disadvantage of the control method described in the prototype is the use of a large number of taxiways (24 taxiways) to control the spacecraft, as well as the fact that they do not select those taxiways for orbit correction, which will allow it to be carried out without saturation of the SG system, which, as a result , will lead to the need for unloading the SG system using the taxiway, which is not desirable, because this is due to the additional consumption of the working fluid and the deterioration of the orbit caused by the work of the taxiway.
Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение точности управления при применении реактивных двигателей с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс аппарата линиями действия тяг и силовых гироскопов, минимизация расхода рабочего тела и влияния на орбиту КА, обусловленного необходимостью включения РД для разгрузки накопленного СГ кинетического момента. The problem solved by the proposed method is to increase the control accuracy when using jet engines with the action lines of the rods and power gyroscopes directed at an angle to the axes of the connected basis and displaced relative to the center of mass of the apparatus, minimizing the flow of the working fluid and the effect on the spacecraft orbit, due to the need to turn on the taxiway for unloading the accumulated SG kinetic moment.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе управления космическим аппаратом с помощью силовых гироскопов и реактивных двигателей, расположенных под углом к осям связанного базиса, включающем определение требуемого значения скорости коррекции орбиты космического аппарата, определение интервала времени проведения коррекции (t0, tk), поддержание заданной ориентации космического аппарата с помощью силовых гироскопов в процессе коррекции орбиты реактивными двигателями, измерение при этом значений вектора кинетического момента в системе силовых гироскопов и вектора угловой скорости космического аппарата, определение по измеренным значениям вектора кинетического момента в системе силовых гироскопов, вектора угловой скорости космического аппарата и известным значениям моментов инерции космического аппарата значения суммарного вектора кинетического момента космического аппарата в отличие от известного способа, определяют по измеренным в момент времени t0 значениям вектора кинетического момента в системе силовых гироскопов, вектора угловой скорости космического аппарата и известным значениям моментов инерции космического аппарата начальное значение суммарного вектора кинетического момента космического аппарата из установленных на борту космического аппарата реактивных двигателей выбирают i-e двигатели, векторы тяг которых обеспечивают заданное направление коррекции орбиты, определяют n-e группы, где n=1, 2,..., k, где k - максимальное число групп, включающих все возможные комбинации из i-х реактивных двигателей, прогнозируют изменения суммарного вектора кинетического момента на определенном интервале времени коррекции орбиты для каждой из n-х групп, при этом учитывают влияние на космический аппарат внешних возмущающих моментов и моментов сил от каждого i-го реактивного двигателя, входящего в n-ю группу, рассчитывают суммарный вектор кинетического момента космического аппарата при работе n-й группы реактивных двигателей определяют по выполнению условия где S - область допустимых значений вектора кинетического момента для проведения коррекции орбиты, момент времени tsn выхода суммарного вектора кинетического момента для каждой из n-х групп на границу области S, определяют для каждой из n-х групп интервал времени выхода суммарного вектора кинетического момента на границу области S Δtn = tsn-t0, определяют величины импульсов коррекции для каждой из n-х групп двигателей где - суммарное значение проекций i-х реактивных двигателей n-й группы на направление коррекции орбиты, выбирают из условия для коррекции орбиты n'-ю группу реактивных двигателей, включают для коррекции орбиты в момент времени t0 n'-ю группу реактивных двигателей, в процессе коррекции орбиты сравнивают суммарные значения, полученные для n'-й группы реактивных двигателей с текущими значениями и в случае выполнения условия где ΔG - суммарное значение вектора кинетического момента, определяющее допустимое расхождение прогнозируемого значения с измеренным, продолжают коррекцию орбиты, в противном случае прекращают коррекцию орбиты, присваивают текущему значению времени t значение t0 и производят повторный выбор n'-й группы реактивных двигателей для коррекции орбиты указанным выше образом.The problem is solved in that in the proposed method of controlling a spacecraft using power gyroscopes and jet engines, located at an angle to the axes of the associated basis, including determining the required value of the speed of correction of the orbit of the spacecraft, determining the time interval for the correction (t 0 , t k ) , maintaining a given orientation of the spacecraft with the help of power gyroscopes in the process of orbit correction by jet engines, while measuring the values of the kinetic vector about the moment in the system of power gyroscopes and the angular velocity vector of the spacecraft, determining from the measured values of the vector of kinetic moment in the system of power gyroscopes, the angular velocity vector of the spacecraft and the known values of the moments of inertia of the spacecraft the values of the total vector of the kinetic moment of the spacecraft unlike the known method, it is determined from the values of the vector of kinetic moment in the system of power gyroscopes, the angular velocity vector of the spacecraft and the known values of the moments of inertia of the spacecraft, measured at the time t 0, the initial value of the total vector of the kinetic moment of the spacecraft of the jet engines installed on board the spacecraft, i.e. engines whose thrust vectors provide a given direction of orbit correction, determine ne groups, where n = 1, 2, ..., k, where k is the maximum number of groups including all possible combinations of i-th jet engines, predict changes in the total vector of kinetic moment for a certain interval of orbit correction time for each of the n-th groups, the effect of external disturbing moments and moments of forces from each i-th jet engine entering the n-th group is taken into account, the total vector of the kinetic moment of the spacecraft is calculated at work of the n-th group of jet engines determined by the fulfillment of the conditions where S is the region of admissible values of the vector of kinetic moment for orbit correction, the time moment t sn of the output of the total vector of kinetic moment for each of the n-th groups to the boundary of the region S, for each of the n-groups the time interval of the output of the total vector of kinetic moment is determined to the boundary of the region S Δt n = t sn -t 0 , determine the values of the correction pulses for each of the n-th groups of engines Where - the total value of the projections of the i-th jet engines of the n-th group on the direction of the correction of the orbit, choose from the conditions to correct the orbit, the n'th group of jet engines, include for correcting the orbit at time t 0 the n'th group of jet engines, in the process of correcting the orbit, the total values obtained for the n'th group of jet engines are compared with current values and if the condition is met where ΔG is the total value of the vector of kinetic moment, which determines the permissible discrepancy between the predicted value and the measured one, the orbit correction is continued, otherwise the orbit correction is stopped, the value t 0 is assigned to the current time value t, and the nth group of jet engines is re-selected for orbit correction as indicated above.
Предлагаемый способ управления КА позволит провести коррекцию орбиты без насыщения системы СГ. КА снабжается реактивными двигателями с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс аппарата линиями действия тяг. При таком размещении РД снижается число РД (с 24 в прототипе до 8 в предлагаемом способе), а следовательно, уменьшается стоимость КА, уменьшается его масса, что позволит вывести большую полезную нагрузку ракетоносителем с теми же характеристиками, что и для аппарата, описанного в прототипе, расходуя меньше рабочего тела, увеличить тем самым срок службы КА. The proposed spacecraft control method will allow for orbit correction without saturation of the SG system. The spacecraft is equipped with jet engines with thrust action lines directed at an angle to the axes of the associated basis and displaced relative to the center of mass of the apparatus. With this placement of the taxiway, the number of taxiways decreases (from 24 in the prototype to 8 in the proposed method), and therefore, the cost of the spacecraft decreases, its mass decreases, which will allow to derive a large payload of the launch vehicle with the same characteristics as for the apparatus described in the prototype , spending less working fluid, thereby increasing the life of the spacecraft.
Для пояснения сущности предлагаемого способа приводятся фиг.1 - 3. На фиг. 1 изображена схема размещения блоков РД КА (в блоке может быть как один двигатель, так и несколько двигателей, создающих тягу в заданном направлении). Фиг.2 иллюстрирует маневр перевода средней точки ожидаемого смещения в начало координат. На фиг.3 изображен график изменения компонент вектора кинетического момента КА (Gx, Gy, Gz) во времени t.To clarify the essence of the proposed method are shown in figures 1 to 3. In FIG. 1 shows the layout of the blocks of the taxiway KA (in the block there can be both one engine and several engines that create traction in a given direction). Figure 2 illustrates the maneuver of translating the midpoint of the expected offset to the origin. Figure 3 shows a graph of changes in the components of the vector of the kinetic moment of the spacecraft (G x , G y , G z ) in time t.
В качестве примера, иллюстрирующего предлагаемый способ управления КА, рассмотрим управление геостационарным КА, снабженным восемью блоками электрореактивных РД (см. фиг. 1) при коррекции его орбиты. На фиг.1 изображен корпус КА, блоки двигателей ориентации 1-8 и жестко связанная с КА система координат (ССК). Управление ориентацией КА осуществляется силовыми гироскопами. При удержании космического аппарата на геостационарной орбите (ГСО) возникает задача удержания его в рабочей точке с заданной точностью по долготе и широте. Решается эта задача с использованием восьми электрореактивных двигателей. С их помощью осуществляется коррекция орбиты КА и одновременно управление кинетическим моментом КА.As an example illustrating the proposed spacecraft control method, we consider the control of a geostationary spacecraft equipped with eight blocks of electro-reactive taxiways (see Fig. 1) when correcting its orbit. Figure 1 shows the spacecraft body, blocks of orientation engines 1-8 and the coordinate system rigidly connected with the spacecraft (SSK). The orientation of the spacecraft is controlled by power gyroscopes. When the spacecraft is held in geostationary orbit (GSO), the task arises of holding it at a working point with a given accuracy in longitude and latitude. This problem is solved using eight electric propulsion engines. With their help, the orbit of the spacecraft is corrected and the kinetic moment of the spacecraft is simultaneously controlled.
Коррекция наклонения обеспечивается с помощью работы на одном или двух интервалах маневрирования на витке. Середины этих интервалов должны быть расположены на линии узлов целевой и исходной плоскостей орбит [3], [4]. The inclination correction is ensured by working at one or two maneuvering intervals on a turn. The midpoints of these intervals should be located on the line of nodes of the target and initial orbit planes [3], [4].
Фиг. 2 иллюстрирует маневр перевода средней точки ожидаемого смещения в начало координат. На ней введены следующие обозначения: - маневр, который переводит среднюю точку ожидаемого смещения в начало координат, - пассивное изменение вектора наклонения от момента между i-й и i+1-й коррекциями. Принято, что при коррекции наклонения ликвидируется только составляющая, параллельная направлению векового ухода. В этом случае вектор наклонения циклически изменяется с полугодовым периодом и амплитудой ≈0.025o. С целью минимизации наибольшего изменения вектора наклонения выбирается такой маневр который переводит среднюю точку ожидаемого смещения в начало координат [см. фиг.1]
где - пассивное изменение вектора от момента между i-й и i+1-й коррекциями. Величина потребного импульса определяется по формуле
где vkp - скорость спутника на ГСО.FIG. 2 illustrates the maneuver of translating the midpoint of the expected offset to the origin. The following notation is introduced on it: - a maneuver that translates the midpoint of the expected offset to the origin, - passive change of the inclination vector from the moment between the i-th and i + 1-th corrections. It is accepted that during the correction of inclination, only the component parallel to the direction of secular care is eliminated. In this case, the inclination vector changes cyclically with a six-month period and an amplitude of ≈0.025 o . In order to minimize the largest change in the inclination vector, such a maneuver is chosen which translates the midpoint of the expected offset to the origin [see figure 1]
Where - passive vector change from the moment between the i-th and i + 1-th corrections. The magnitude of the required impulse is determined by the formula
where v kp is the satellite velocity at GSO.
При коррекции истинного вектора наклонения оптимальный интервал между коррекциями 3-5 суток, при коррекции векового смещения - 1-3 суток. Увеличение интервала коррекции нежелательно, т.к. это приведет к существенному увеличению баллистических потерь вследствие большой длительности активных участков. When correcting the true inclination vector, the optimal interval between corrections is 3-5 days; when correcting the secular displacement, 1-3 days. An increase in the correction interval is undesirable since this will lead to a significant increase in ballistic losses due to the long duration of the active sites.
Коррекция эксцентриситета и периода обращения обеспечивается трансверсальными импульсами. Correction of the eccentricity and period of circulation is provided by transverse impulses.
Рабочий интервал долгот Δλ определяется из условия
Δλ = Δλзад-2δemax-Δλ
где Δλзад = 0,1° - заданный интервал удержания КА по долготе; δemax - максимальная амплитуда колебаний эксцентриситета относительно среднего значения (≈10-4); Δλ
Δλ = Δλ ass -2δe max -Δλ
where Δλ ass = 0.1 ° - the specified interval of the spacecraft retention in longitude; δe max is the maximum amplitude of eccentricity oscillations relative to the average value (≈10 -4 ); Δλ
Параметры одноимпульсной коррекции сидерического периода обращения определяются из условия исправления λ и уменьшения эксцентриситета на витке, где Δλ выходит за заданные границы. Угловая длительность активного участка определяется по формуле
ζ = -1,4λ(tTp)Wnaωe (4),
где ωe = 0,7292*10-4 рад/сек - угловая скорость Земли; Wn - среднее трансверсальное ускорение; tТр - момент начала коррекции.The parameters of the single-pulse correction of the sidereal circulation period are determined from the condition for correcting λ and decreasing the eccentricity at the turn, where Δλ goes beyond the specified boundaries. The angular duration of the active site is determined by the formula
ζ = -1,4λ (t Tp ) W n aω e (4),
where ω e = 0.7292 * 10 -4 rad / s is the angular velocity of the Earth; W n - average transverse acceleration; t Tr - the moment the correction begins.
Величина потребного импульса скорости определяется по формуле
Курс тяги определяется из условия:
ψ=0, при ζ>0
ψ=Pi, при ζ<0 (6)
Для удержания эксцентриситета в принятых границах проводится двухимпульсная коррекция, параметры которой следующие:
При планировании коррекцию наклонения орбиты необходимо разносить по времени с коррекцией эксцентриситета. Для уменьшения баллистических потерь коррекции в рабочей точке нужно проводить с минимальной периодичностью (1-2 дня).The magnitude of the required pulse of speed is determined by the formula
The thrust rate is determined from the condition:
ψ = 0, for ζ> 0
ψ = Pi, for ζ <0 (6)
To maintain the eccentricity at the accepted boundaries, a two-pulse correction is carried out, the parameters of which are as follows:
When planning, the correction of the inclination of the orbit must be posted in time with the correction of the eccentricity. To reduce ballistic losses, corrections at the operating point should be carried out with a minimum frequency (1-2 days).
Обозначим через i=1, 2, 3 номера осей связанного базиса. Пусть проекции векторов управляющих сил (Рi) и моментов (Мi) на эти оси от каждого блока двигателей имеют вид:
- для блока 1 - (0, Р2, Р3), (-M1, -M2, М3);
- для блока 2 - (0, P2, Р3), (-M1, M2, -М3);
- для блока 3 - (0, -Р2, Р3), (M1, -M2, -М3);
- для блока 4 - (0, -Р2, Р3), (M1, M2, М3);
- для блока 5 - (0, -P2, -Р3), (-M1, M2, -М3);
- для блока 6 - (0, -Р2, -Р3), (-M1, -M2, М3);
- для блока 7 - (0, P2, -Р3), (M1, M2, М3);
- для блока 8 - (0, P2, -Р3), (M1, -M2, -М3).Denote by i = 1, 2, 3 the numbers of the axes of the associated basis. Let the projection of the vectors of control forces (P i ) and moments (M i ) on these axes from each engine block have the form:
- for block 1 - (0, P 2 , P 3 ), (-M 1 , -M 2 , M 3 );
- for block 2 - (0, P 2 , P 3 ), (-M 1 , M 2 , -M 3 );
- for block 3 - (0, -P 2 , P 3 ), (M 1 , -M 2 , -M 3 );
- for block 4 - (0, -P 2 , P 3 ), (M 1 , M 2 , M 3 );
- for block 5 - (0, -P 2 , -P 3 ), (-M 1 , M 2 , -M 3 );
- for block 6 - (0, -P 2 , -P 3 ), (-M 1 , -M 2 , M 3 );
- for block 7 - (0, P 2 , -P 3 ), (M 1 , M 2 , M 3 );
- for block 8 - (0, P 2 , -P 3 ), (M 1 , -M 2 , -M 3 ).
Предположим, что коррекцию орбиты нужно проводить в направлении оси -Y связанного базиса (ССК). Для этой цели можно использовать блоки двигателей 3, 4, 5, 6 (см. фиг.1), создающие тягу в заданном направлении. Оптимальный вариант - использовать все перечисленные ранее блоки двигателей, создающих тягу в заданном направлении. В этом случае создается максимальная тяга по оси -Y, а возмущения от работы этих двигателей, вызванные смещением векторов тяг относительно центра масс КА, взаимно компенсируются. В случае, когда использование всех перечисленных двигателей невозможно, можно использовать, например, блоки РД 3, 4, 5, или 4, 5, 6, или 3, 5, 6. Но в этом случае возникнут нескомпенсированные возмущающие моменты по всем осям. Более предпочтительно использовать в таком случае пару блоков РД. Анализируя представленные проекции векторов тяг и моментов на оси связанного базиса можно сделать вывод, что для коррекции орбиты по соответствующим направлениям 2-й и 3-й осей ССК достаточно использовать, например, пару блоков РД, которая создает тягу в требуемом направлении и взаимно компенсирует тягу в другом направлении. В случае указанного выше размещения блоков РД это следующие пары блоков РД:
1) для коррекции в направлении оси Y: 1-й и 8-й; 2-й и 7-й;
2) для коррекции в направлении оси -Y: 3-й и 6-й; 4-й и 5-й;
3) для коррекции в направлении оси Z: 1-й и 4-й; 2-й и 3-й;
4) для коррекции в направлении оси -Z: 5-й и 8-й; 6-й и 7-й.Suppose that the correction of the orbit should be carried out in the direction of the -Y axis of the associated basis (SSC). For this purpose, you can use
1) for correction in the direction of the Y axis: 1st and 8th; 2nd and 7th;
2) for correction in the direction of the -Y axis: 3rd and 6th; 4th and 5th;
3) for correction in the direction of the Z axis: 1st and 4th; 2nd and 3rd;
4) for correction in the direction of the -Z axis: 5th and 8th; 6th and 7th.
Нужно отметить, что при таком выборе блоков РД в каждом из перечисленных ранее случаев возникает нескомпенсированный момент, наличие которого приводит к накоплению кинетического момента системой СГ, поддерживающей требуемую ориентацию КА. Так, например, при коррекции орбиты в направлении оси -Y с использованием 3-го и 6-го блоков РД сила от их работы будет равна
РY=-2Р2 (8),
моменты от работы этих блоков РД по осям Х и Z взаимно компенсируются, а момент по оси Y равен
МY=-2М2 (9)
Возникает задача компенсации этого момента, т. к. его наличие может привести к насыщению СГ и, как следствие, необходимости включения других блоков РД для ее разгрузки. Сделать это можно следующим образом. Планируя проведение коррекции, можно смоделировать на заданном временном интервале суммарный момент, воздействующий на КА, и, учитывая динамику его изменения, выбирать ту пару блоков РД, которая будет создавать момент по соответствующей оси ССК, имеющий противоположное направление по сравнению с моментом от пары блоков РД, и соответственно частично компенсировать его. Частично потому, что момент от работающих блоков РД будет значительно больше, чем момент от внешних сил, действующих на КА (гравитационный, аэродинамический, силы светового давления, магнитный и т.д.). Тем не менее скорость накопления кинетического момента СГ будет ниже, и это позволит при двухимпульсной коррекции через полвитка, например, выбрав блоки РД, создающие возмущающий момент в потивоположном направлении, изменить направление накопления кинетического момента СГ на противоположное. В рассматриваемом примере это блоки РД 4 и 5, создающие ту же тягу по оси Y, что и предыдущая пара блоков
РY=-2Р2 (10),
но момент от работы этих блоков РД по оси Y будет равен
МY=2М2 (11).It should be noted that with such a choice of RD blocks in each of the cases listed above, an uncompensated moment arises, the presence of which leads to the accumulation of the kinetic moment by the SG system that supports the required orientation of the spacecraft. So, for example, when correcting the orbit in the direction of the -Y axis using the 3rd and 6th taxiway blocks, the force from their work will be equal to
P Y = -2P 2 (8),
the moments from the operation of these taxiway blocks along the X and Z axes are mutually compensated, and the moment along the Y axis is
M Y = -2M 2 (9)
The problem arises of compensating for this moment, since its presence can lead to saturation of the SG and, as a result, the need to turn on other taxiway blocks for its unloading. You can do this as follows. When planning the correction, it is possible to simulate at a given time interval the total moment acting on the spacecraft, and taking into account the dynamics of its change, choose the pair of taxiway blocks that will create the moment along the corresponding axis of the CCK, which has the opposite direction compared to the moment from the pair of taxiway blocks , and accordingly partially compensate for it. Partly because the moment from operating RD blocks will be much larger than the moment from external forces acting on the spacecraft (gravitational, aerodynamic, light pressure, magnetic, etc.). Nevertheless, the rate of accumulation of the kinetic moment of the SG will be lower, and this will make it possible to change the direction of accumulation of the kinetic moment of the SG in the opposite direction with two-pulse correction through a half-turn, for example, by choosing the RD blocks that create a disturbing moment in the opposite direction. In this example, these are blocks of taxiways 4 and 5, creating the same traction along the Y axis as the previous pair of blocks
P Y = -2P 2 (10),
but the moment from the operation of these taxiway blocks along the Y axis will be equal to
M Y = 2M 2 (11).
На фиг.3 представлен график накопления кинетического момента в процессе полета геостационарного спутника связи, полученный в результате интегрирования следующих уравнений движения геостационарного спутника связи. Figure 3 presents a graph of the accumulation of kinetic moment during the flight of a geostationary communications satellite, obtained by integrating the following equations of motion of a geostationary communications satellite.
Здесь - полный кинетический момент КА;
- кинетический момент системы СГ;
- угловая скорость КА;
- соответственно гравитационные моменты, вызванные влиянием на ССС гравитационных полей Земли, Луны и Солнца;
- магнитный момент, обусловленный взаимодействием магнитного поля Земли и собственного магнитного момента КА;
- орты векторов Земля - КА, Солнце - КА, Луна-спутник;
- тензор инерции КА;
μE = 3,986032•105 км3/сек2;
μS = 1,32715445•1011 км3/сек2;
μM = 4,90264•105 км3/сек2
- гравитационные параметры Земли, Луны и Солнца;
RE, RS, RM - радиус-векторы Земли, Луны и Солнца;
- момент от силы светового давления которая возникает при попадании потока солнечного света на спутник и при его отражении;
S - площадь поперечного сечения КА;
Е0 - мощность потока солнечного излучения;
с - скорость света;
r* - средний радиус орбиты Земли;
Δ - расстояние от КА до Солнца;
k - коэффициент отражения света поверхностью КА;
- собственный магнитный момент КА;
- магнитное поле Земли.
Here - the full kinetic moment of the spacecraft;
- kinetic moment of the SG system;
- angular velocity of the spacecraft;
- respectively, the gravitational moments caused by the influence on the SSS of the gravitational fields of the Earth, the Moon and the Sun;
- the magnetic moment due to the interaction of the Earth’s magnetic field and the spacecraft’s own magnetic moment;
- unit vectors of the Earth - spacecraft, the Sun - spacecraft, moon-satellite;
- spacecraft inertia tensor;
μ E = 3.986032 • 10 5 km 3 / s 2 ;
μ S = 1,32715445 • 10 11 km 3 / s 2 ;
μ M = 4.90264 • 10 5 km 3 / s 2
- gravitational parameters of the Earth, the Moon and the Sun;
R E , R S , R M - radius vectors of the Earth, the Moon and the Sun;
- moment from the force of light pressure which occurs when a stream of sunlight hits a satellite and when it is reflected;
S is the cross-sectional area of the spacecraft;
E 0 - power flow of solar radiation;
c is the speed of light;
r * is the average radius of the Earth’s orbit;
Δ is the distance from the spacecraft to the sun;
k is the light reflection coefficient by the surface of the spacecraft;
- own magnetic moment of the spacecraft;
- magnetic field of the Earth.
Как показала практика, прогноз накопления кинетического момента КА, полученный при решении уравнений (12) для геостационарного спутника связи "Ямал", дает хорошие результаты. As practice has shown, the forecast of the accumulation of the kinetic moment of the spacecraft obtained by solving equations (12) for the Yamal geostationary communications satellite gives good results.
Нетрудно сделать вывод, что, находясь на нисходящей ветви графика кинетического момента КА, для уменьшения влияния по этой оси возмущающего момента от работы в процессе коррекции орбиты РД
нужно использовать для коррекции в направлении оси -Y ту пару блоков РД, которая приводит к возникновению момента по +Y, т.е. пару блоков РД 4 и 5, а находясь на восходящей ветви графика, соответственно пару 3 и 6. Но, учитывая, что возмущающий момент от блоков РД существенно больше, чем возмущающий момент от внешних сил, нельзя не учитывать исходное значение кинетического момента КА, т.к. это может привести к быстрому накоплению кинетического момента и, как следствие, к необходимости его разгрузки.It is not difficult to conclude that, being on the descending branch of the graph of the kinetic moment of the spacecraft, in order to reduce the influence of the disturbing moment on this axis from the work during the correction of the orbit
it is necessary to use for correction in the direction of the -Y axis that pair of taxiway blocks that leads to the appearance of a moment along + Y, i.e. a pair of taxiway blocks 4 and 5, and being on the ascending branch of the graph, a pair of 3 and 6, respectively. But, taking into account that the disturbing moment from the taxiway blocks is much larger than the disturbing moment from external forces, one cannot ignore the initial value of the kinetic moment of the spacecraft, t .to. this can lead to a rapid accumulation of the kinetic moment and, as a consequence, to the need for its unloading.
Например, пусть необходимо провести коррекцию орбиты КА в направлении оси -Y начиная с момента время t0=18 ч. Пусть для проведения коррекции орбиты КА необходимо сообщить ему один импульс РД длительностью в Δt=1 ч. Т.к. в этот момент времени вектор суммарного кинетического момента КА равен
и имеет приращение ΔGY отрицательного знака, то логично выбрать для коррекции блоки РД 4 и 5 (см. фиг.3), дающие положительный возмущающий момент относительно оси Y (11) и имеющие следующие параметры (без учета знаков): Р2=0,0265 Н, М2=0,00237 Нм. Это соответствует, например, использованию электрореактивных двигателей М70-СПД.For example, suppose that it is necessary to carry out a correction of the spacecraft’s orbit in the direction of the -Y axis starting at time t 0 = 18 hours. To carry out the correction of the spacecraft’s orbit, it is necessary to inform it of one RD pulse with a duration of Δt = 1 hour at this moment in time, the vector of the total kinetic moment of the spacecraft is
and has an increment ΔG Y of a negative sign, it is logical to choose for correction the RD 4 and 5 blocks (see Fig. 3) that give a positive disturbing moment relative to the Y axis (11) and have the following parameters (excluding signs): P 2 = 0 , 0265 N, M 2 = 0.00237 Nm. This corresponds, for example, to the use of M70-SPD electric propulsion engines.
Сила, с которой данные блоки РД воздействуют на КА, равна согласно (10)
РY=-2Р2=0.053 Н (10/),
а нескомпенсированный момент по оси Y согласно (11)
МY=2М2=0,00474 (11/).The force with which these RD blocks act on the spacecraft is equal according to (10)
P Y = -2P 2 = 0.053 N (10 / ),
and uncompensated moment along the Y axis according to (11)
M Y = 2M 2 = 0.00474 (11 / ).
Приращение кинетического момента КА, вызванное влиянием внешних возмущающих факторов (гравитационным моментом, магнитным и т.д.) за это время согласно фиг.3 составит
а приращение кинетического момента КА, вызванное работой РД ΔGYD за этот промежуток времени будет равно
Т. о., к концу процесса коррекции орбиты кинетический момент КА составит величину, равную
Кроме того, из анализа графиков на фиг.3 и направления действия тяг блоков РД видно, что в процессе коррекции орбиты данными блоками РД выхода суммарного вектора кинетического момента за пределы допустимой области не произойдет.The increment of the kinetic moment of the spacecraft, caused by the influence of external disturbing factors (gravitational moment, magnetic, etc.) during this time according to figure 3 will be
and the increment of the kinetic moment of the spacecraft caused by the work of the taxiway ΔG YD for this period of time will be equal to
Thus, by the end of the orbit correction process, the kinetic moment of the spacecraft will be equal to
In addition, from the analysis of the graphs in Fig. 3 and the direction of action of the rods of the taxiway blocks, it can be seen that in the process of correcting the orbit with these blocks of the taxiway, the output of the total vector of the kinetic moment outside the allowable region will not occur.
В случае, когда суммарный вектор кинетического момента КА не выходит за пределы области допустимых значений, проведение одноимпульсной коррекции орбиты КА оправдано, т.к. выполняется условие движения вектора кинетического момента КА во время проведения коррекции в области допустимых значений. Если же суммарный вектор кинетического момента КА выходит за пределы области допустимых значений, то коррекция проводится до момента времени tsn после чего прекращается и выполняется выбор новых РД. Можно, например, сообщить КА следующий импульс, для работы на следующем интервале коррекции пару двигателей, создающих возмущающий момент, вектор которого противоположен вектору возмущающего момента, создаваемому работой РД на предыдущем интервале коррекции. В нашем случае это блоки двигателей 3 и 6. Начало второго интервала коррекции орбиты нужно проводить через полвитка после первого интервала. Т. о., при двухимпульсной коррекции орбиты можно нивелировать влияние на гиросистему, вызванное работой РД.In the case when the total vector of the kinetic moment of the spacecraft does not go beyond the range of permissible values, the single-pulse correction of the orbit of the spacecraft is justified, because the condition of motion of the vector of the kinetic moment of the spacecraft is fulfilled during the correction in the region of admissible values. If the total vector of the kinetic moment of the spacecraft is outside the range of acceptable values, then the correction is carried out until the time t sn and then stops and the selection of new taxiways. It is possible, for example, to inform the SC of the next impulse, for working on the next correction interval, a pair of engines creating a disturbing moment, the vector of which is opposite to the vector of the disturbing moment created by the work of the RD on the previous correction interval. In our case, these are
Предлагаемый способ коррекции орбиты КА хотя может увеличить время коррекции по сравнению с прототипом, но позволит увеличить срок эксплуатации КА за счет уменьшения расхода рабочего тела на проведение коррекции, или, имея тот же срок эксплуатации, увеличить массу полезной нагрузки, используя тот же ракетоноситель для выведения КА на орбиту (т.к. увеличение полезной нагрузки КА компенсируется уменьшением количества рабочего тела, необходимого для удержания КА на орбите). The proposed method for correcting the orbit of the spacecraft, although it can increase the correction time in comparison with the prototype, can increase the life of the spacecraft by reducing the consumption of the working fluid for the correction, or, having the same life, increase the mass of the payload using the same launch vehicle for launch SPACECRAFT IN ORBIT (since an increase in the payload of the SC is compensated by a decrease in the amount of the working fluid needed to hold the SC in orbit).
Источники информации. Sources of information.
1. "Способ управления космическим аппаратом, снабженным реактивными двигателями с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс аппарата линиями действия тяг, система для реализации способа, блок реактивных двигателей системы." Патент RU 2124461 С1. 1. "A control method for a spacecraft equipped with jet engines with angular directional axes of the connected base and rod lines of action displaced relative to the center of mass of the apparatus, a system for implementing the method, a block of jet engines of the system." Patent RU 2124461 C1.
2. "Способ управления космическим аппаратом с помощью реактивных исполнительных органов и система для его реализации." Патент RU 2112716 С1. 2. "A method for controlling a spacecraft using reactive executive bodies and a system for its implementation." Patent RU 2112716 C1.
3. А.В.Соколов и Ю.П.Улыбышев "Многовитковые маневры с малой тягой в окрестности геостационарной орбиты". Известия Академии наук. Теория и системы управления. 1999 г., 2, стр. 95-100. 3. A.V.Sokolov and Yu.P. Ulybyshev "Multi-turn low-thrust maneuvers in the vicinity of the geostationary orbit." News of the Academy of Sciences. Theory and control systems. 1999, 2, pp. 95-100.
4. Г. М. Чернявский, В.А.Бартенев, В.А.Малышев "Управление орбитой стационарного спутника". Машиностроение, 1984 г. 4. G. M. Chernyavsky, V. A. Bartenev, V. A. Malyshev "Control of the orbit of a stationary satellite." Engineering, 1984
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001111189A RU2197412C2 (en) | 2001-04-23 | 2001-04-23 | Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001111189A RU2197412C2 (en) | 2001-04-23 | 2001-04-23 | Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2197412C2 true RU2197412C2 (en) | 2003-01-27 |
Family
ID=20248887
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001111189A RU2197412C2 (en) | 2001-04-23 | 2001-04-23 | Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2197412C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101758933B (en) * | 2009-12-30 | 2012-08-22 | 北京控制工程研究所 | Attitude and orbit control method based on fore and after arrangement of engine |
RU2648906C2 (en) * | 2016-03-25 | 2018-03-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Unloading method of control reaction wheels of a spacecraft |
RU2711819C2 (en) * | 2016-12-16 | 2020-01-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Spacecraft movement control method |
-
2001
- 2001-04-23 RU RU2001111189A patent/RU2197412C2/en active
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101758933B (en) * | 2009-12-30 | 2012-08-22 | 北京控制工程研究所 | Attitude and orbit control method based on fore and after arrangement of engine |
RU2648906C2 (en) * | 2016-03-25 | 2018-03-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Unloading method of control reaction wheels of a spacecraft |
RU2711819C2 (en) * | 2016-12-16 | 2020-01-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Spacecraft movement control method |
EA037754B1 (en) * | 2016-12-16 | 2021-05-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" (Госкорпорация "РОСКОСМОС") | Spacecraft movement control method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5400033A (en) | Tracking system for tracking targets with a spacecraft | |
US10046869B2 (en) | Inertial sensing augmentation for navigation of spacecraft | |
EP0496879A4 (en) | Satellite orbit maintenance system | |
US6341749B1 (en) | Method of simultaneously reducing inclination and eccentricity for geostationary orbit transfer | |
Scharf et al. | Flight-like ground demonstrations of precision maneuvers for spacecraft formations—Part I | |
CN113602532A (en) | Solid carrier rocket in-orbit correction method | |
CN111268177B (en) | Distributed closed-loop autonomous position maintaining control method for geostationary orbit satellite | |
RU2341418C2 (en) | Method of spacecraft control with aid of powered gyroscopes and jet engines inclined to missile axes | |
CN108614575A (en) | A kind of satellite stationary orbit fixed position method of adjustment | |
RU2197412C2 (en) | Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base | |
RU2208559C1 (en) | Method of determination of inertial characteristics of spacecraft in the course of control by means of powered gyroscopes and jet engines | |
RU2112716C1 (en) | Method of control of space vehicles by means of reaction controls and system for realization of this method | |
US6339734B1 (en) | Method and apparatus for reducing spacecraft instrument induced jitter via multifrequency cancellation | |
RU2759026C1 (en) | Method for determining the sequence of flights between space debris objects in the vicinity of a geostationary orbit | |
Legostaev et al. | History of spacecraft control systems | |
White | Guidance and targeting for the strategic target system | |
RU2559430C2 (en) | Control over spacecraft descent from earth artificial satellite orbit | |
Carstens et al. | Optimum maneuvers for launching satellites into circular orbits of arbitrary radius and inclination | |
RU2178761C1 (en) | Method of control of moment of momentum of spacecraft in the course of orbit correction and system for realization of this method | |
Hablani | Interplanetary spacecraft controllers using thrusters | |
Spratlin | An adaptive numeric predictor-corrector guidance algorithm for atmospheric entry vehicles | |
Steinhoff | Development of the German A-4 guidance and control system 1939-1945: a memoir | |
Friedlander | Analysis of an optimal celestial-inertial navigation concept for low-thrust interplanetary vehicles | |
Germann et al. | Precision pointing and inertial line-of-sight stabilization using fine-steering mirrors, star trackers, and accelerometers | |
Teofilatto et al. | A non-linear adaptive guidance algorithm for last-stage launcher control |