SE1250545A1 - Metod för geostationär banplatskontroll för en rymdfarkost,och ett system därför - Google Patents

Description

15 20 25 Okoordinerad samlokalisering med kollisionskontroll, upprätthållande av ett minsta säkert avstånd mellan de samlokaliserade rymdfarkosterna.

Samlokalisering genom separering, var och en av rymdfarkosterna har sitt eget permanent tilldelade område inom banplatsen.

Koordinerad banplatskontroll, varvid en av rymdfarkosterna definieras som huvudrymdfarkost vilken utför en oberoende banplatskontroll och relativt till vilken de andra samlokaliserade rymdfarkosterna skall manövrera.

Ett vanligt exempel på en samlokaliseringsstrategi som tillhör separeringsgruppen är den sol-perigeum pekande strategin. I korthet syftar denna strategi till att använda naturliga störningar från solen som ett longitudinellt separeringsmedel. Först placeras rymdfarkosterna i banor med respektive perigeum förskjuten från varandra. Den sol- perigeum pekande strategin använder de naturliga störningarna från solen på rymdfarkosten, vilka orsakar att perigeum därav följer solen. För att separera latituden hos rymdfarkosterna justeras lutningsvinkeln för var och en av de samlokaliserade rymdfarkosterna.

Den sol-perigeum pekande strategin orsakar emellertid en begränsning av det maximala antalet samlokaliserade rymdfarkoster i ett banplats om en minimal distans mellan rymdfarkosterna skall kunna bibehållas. Därför finns det ett stort behov för en banplatskontrollmetod som kan öka detta maximala antal samlokaliserade rymdfarkoster.

Ett exempel på en sådan metod visas i US5855341. I detta patent visas en metod för samlokalisering av ett flertal satelliter i vilken öst-väst hastighetsökningen under Nord-Syd bankontrollen inte är försumbar. Denna metod är emellertid svår att använda i samlokaliserings syfte tillsammans med rymdfarkoster som utnyttjar en sol-perigeum pekande strategi.

SAMMANFATTNING Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en metod för geostationär banplatskontroll av en rymdfarkost och ett system därför. Mer specifikt är ett syfte med den föreliggande uppfinningen att tillhandahålla en metod för 10 15 20 25 geostationär banplatskontroll av en rymdfarkost som tillåter samlokalisering med åtminstone ytterligare en rymdfarkost som nyttjar en sol-perigeum pekande strategi.

Syftet med uppfinningen uppnås med metoden och systemet definierat i de oberoende patentkraven.

En metod för banplatskontroll av en rymdfarkost i en definierad banplats hos en geostationär bana enligt uppfinningen, vari rymdfarkosten innefattar åtminstone två framdrivningsenheter med kraftkomponenter i en öst-, en väst-, en syd- och en nord- riktning i ett koordinatsystem fixerat i rymdfarkosten. Metoden innefattar stegen av placering av rymdfarkosten i nämnda definierade banplats hos den geostationära banan. Följt av stegen av styrning av en riktning hos en apogeumvektor.

Apogeumvektorn har sitt ursprung ijordens centrum och pekar mot ett apogeum hos rymdfarkostenens geostationära bana. Apogeumvektorn styrs till att peka i en riktning med en vinkel i intervallet från -90 till 90 grader från en riktning hos en solvektor.

Solvektorn har sitt ursprung i jordens centrum och pekar mot solen. Metoden styr samtidigt excentricitet och lutningsvinkeln hos den geostationära banan till att vara inom den definierade banplatsen.

En fördel med den uppfinningsenliga metoden är att en minimal extra mängd framdrivningsmedel används för banplatskontroll, endast krafter som kommer från nord-syd banplatskontrollen utnyttjas för öst-väst banplatskontroll, En annan fördel med den uppfinningsenliga metoden är att metoden tillåter samlokalisering med åtminstone ytterligare en rymdfarkost.

Ytterligare en fördel med den uppfinningsenliga metoden är att metoden tillåter samlokalisering med åtminstone ytterligare en rymdfarkost som utnyttjar en sol- perigeum pekande strategi. Således möjliggörs samlokalisering av flera satelliter inom banplatsen.

Ytterligare fördelar och särdrag hos utföringsexempel av den föreliggande uppfinningen kommer att vara uppenbara vid läsning av den följande detaljerade beskrivningen tillsammans med ritningarna. 10 15 20 25 KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föredragna utföringsexempel av uppfinningen kommer nu att beskrivas med hänvisning till de bifogade ritningarna, vari Figur 1 är en schematisk figur av en tidigare känd metod för banplatskontroll, Figur 2 är en schematisk figur av en sol-perigeum pekande strategi för samlokalisering av rymdfarkoster, Figur 3 är en schematisk figur som illustrerar en rymdfarkost i geostationär bana utnyttjande den uppfinningsenliga metoden, Figur 4 är ett flödesdiagram som illustrerar den uppfinningsenliga metoden för banplatskontroll, Figur 5 är en schematisk figur av en sol-perigeum pekande strategi för samlokalisering av rymdfarkoster samlokaliserade med en rymdfarkost enligt uppfinningen, och Figur 6 är en schematisk figur av ett system för geostationär banplatskontroll av rymdfarkoster.

DETALJERAD BESKRIVNING Den föreliggande uppfinningen kommer nu att beskrivas mer fullständigt med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka olika utföringsexempel visas. Dessa utföringsexempel är tillhandahällna så att denna beskrivning blir fullständig och komplett och inte för begränsning.

Figur 1 är en schematisk figur som illustrerar en vanlig strategi för banplatskontroll av en rymdfarkost 101 i en geostationär elliptisk bana 105 runt jorden 102. Perigeum 106 är punkten på den elliptiska banan 105 utmed huvudaxeln 108 hos den elliptiska banan 105 som är närmast jorden 102. Apogeum 107 är punkten pä den elliptiska banan 105 utmed huvudaxeln 108 hos den elliptiska banan 105 som är längst bort frän jorden 102. En excentricitetsvektor 104 är en vektor med ursprung ijordens 102 10 15 20 25 30 mitt med en storlek lika med excentriciteten hos den elliptiska banan 105 och är riktad utmed den elliptiska banans 105 huvudaxel 108 i perigeums 106 riktning.

I denna strategi är excentricitetsvektorn 104 riktad mot solen 103 genom justering av banan 105. Således kommer alltid excentricitetsvektorn 104 att peka direkt eller med en förskjutning mot solen 103 i denna strategi. Denna strategi kallas vanligen den sol-perigeum pekande strategin.

Den huvudsakliga fördelen med den sol-perigeum pekande strategin för samlokalisering av åtminstone två rymdfarkoster är att banparametrarna för de åtminstone två rymdfarkosterna kan väljas så att rymdfarkoster med liknande massa, area och reflektionskonstant kommer att störas på samma sätt. Således genom att kontrollera en relativ excentricitetsvektor mellan de åtminstone två rymdfarkosterna till att vara huvudsakligen konstant och tillsammans med lutningsvinkelseparering garanteras ett definierat minimalt avstånd mellan rymdfarkosterna. Följaktligen kommer solen och stråltrycket därifrån att påverka de åtminstone två rymdfarkosterna på ett liknande sätt.

Figur 2 illustrerar en konventionell samlokalisering av fyra rymdfarkoster medelst den sol-perigeum pekande strategin. Ett kartesiskt koordinatsystem är definierat med jorden i centrum och ett par av ömsesidigt ortogonala axlar X1 och X2. I det illustrerade exemplet är fyra geostationära rymdfarkoster A, B, C och D positionerade i samma banplats. Respektive excentricitetsvektorer hos de geostationära rymdfarkosterna A, B, C och D är indikerade med eA, eB, eC and en Eftersom att de fyra rymdfarkosterna har olika excentriciteter och lutningsvinklar kommer de att förflytta sig utmed banor som är separerade från varandra. Rymdfarkosterna är separerade medelst deras excentricitet, därför kallas metoden excentricitetsseparering_ Excentricitetvektorerna påverkas i stor utsträckning av stråltrycket från solen och punkterna därav beskriver cirklar a, b, c och d med eller utan hjälp av respektive öst-väst banplatskontrollmanövrar under ett år. Öst-väst banplatskontrollmanövrar används för att motverka den naturliga longitudinella driften inom banplatsen såväl som i ett fall där den naturliga excentricitetscirkeln (orsakad av solstörningar) hos rymdfarkosten inte motsvarar den önskade excentricitetscirkeln som används i samlokaliseringsstrategin. Fastän cirklarna a, b, c och d skär varandra i åtskilliga punkter roterar punkterna hos excentricitetsvektorerna synkront under 10 15 20 25 30 cirkulering, därför kombinerat med en lutningsvinkelssepareringsstrategi kommer avståndet mellan punkterna hos vektorerna alltid att vara säkrat och rymdfarkosterna kolliderar inte med varandra. Således utnyttjar den sol-perigeum pekande strategin den sol-synkrona rotationen hos excentriciteten. En yttre cirkel R representerar ett tillåtet intervall för excentriciteten för att bibehålla banplatskontrollen inom den tilldelade banplatsen. En solvektor 201 som pekar mot solen illustreras tillsammans med de fyra rymdfarkosterna A, B, C och D i det kartesiska koordinatsystemet.

För en mer grundlig beskrivning av den sol-perigeum pekande strategin kan hänvisning göras till den excellenta boken “Handbook of geostationary orbits" by E.M Soop.

Ett problem med den sol-perigeum pekande strategin är att utrymmet i den ovan beskrivna geostationära banplatsen inte utnyttjas fullt ut för samlokalisering. Detta är på grund av det faktum att samlokaliserade rymdfarkoster rör sig i koordinerad sol- synkrona cirklar a, b, c och d, inom banplatsen med en periodicitet av ett år. Radien hos de koordinerade cirklarna ges av massan, arean och reflektionskonstanten hos rymdfarkosterna. Detta betyder att banplatsen endast delvis utnyttjas vid varje tidpunkt.

Figur 3 visar en metod för banplatskontroll av rymdfarkosten 101 i en definierad banplats 301 hos en geostationär bana 302 runt jorden 102. En apogeumvektor 304 har sitt ursprung ijordens 102 mitt och pekar mot apogeum 303 hos banan 302.

Solvektorn 305 har sitt ursprung ijordens 102 mitt och pekar mot solen 103.

Apogeumvektorn 304 och solvektorn 201 har en vinkel 306 mellan sig. Metoden involverar att justera banparametrarna för banan 302 på ett sådant sätt att vinkeln 306 är i ett intervall mellan -90 till 90 grader. Denna justering av banparametrarna kan utföras genom att ha åtminstone två framdrivningsenheter med kraftkomponenter i en öst-, en väst-, en syd- och en nordriktning i ett koordinatsystem fixerat i rymdfarkosten. Eftersom att framdrivningsenheter används för styrning av lutningsvinkeln, med detta menas framdrivningsenheter riktade i nord och sydriktning, är det inte ovanligt att aktivering av dessa framdrivningsenheter uppvisar krafter i öst och västriktningar. Således kan dessa krafter användas för justering av banparametrar hos banan 302 för att implementera den ovan beskrivna uppfinningsenliga metoden med en minimal kostnad iform av extra 10 15 20 25 30 framdrivningsmedel. Framdrivningsenheterna är emellertid i ett föredraget utförande konfigurerade för långa aktiveringstider med små framdrivningskrafter för att kunna motverka solstrålningstrycket som verkar på rymdfarkosten.

Figur 4 visar ett flödesdiagram som illustrerar den ovan visade uppfinningsenliga metoden. Det första steget 401 hos den uppfinningsenliga metoden är att placera rymdfarkosten i den tilldelade banplatsen hos den geostationära banan, detta steg kan utföras med inom tekniken väl kända procedurer. Det andra steget 402 involverar styrning av en riktning hos apogeumvektorn som har sitt ursprung ijordens mitt och pekar mot apogeum hos den geostationära banan hos rymdfarkosten till att peka i en riktning med vinkeln 306 i intervallet -90 till 90 grader från solvektorns riktning. Solvektorn har sitt ursprung ijordens mitt och pekar mot solen. Metoden involverar även samtidig kontroll av excentriciteten hos den geostationära banan till att vara inom det definierade intervallet som ges av storleken hos den tilldelade banplatsen.

I ett utförande av den uppfinningsenliga metoden är vinkeln 306 mellan apogeumvektorn och solvektorn noll grader. Således är apogeumvektorn och solvektorn parallella.

I ett annat utförande av den uppfinningsenliga metoden är vinkeln 306 i intervallet från -90 till 90 grader.

I ytterligare ett utförande är åtminstone två rymdfarkosterna samlokaliserade medelst den uppfinningsenliga metoden men med olika vinklar 306.

Figur 5 visar den uppfinningsenliga metoden för banplatskontroll av en rymdfarkost Q i en definierat banplats hos en geostationär bana tillsammans med fyra rymdfarkoster A, B, C och D, vari A, B, C och D är samlokaliserade medelst ovan beskrivna sol-perigeum pekande strategi. Den uppfinningsenliga metoden orsakar en excentricitetsvektor eQ för rymdfarkosten Q att peka i en riktning bort från solen. Det är uppenbart från denna figur att separeringen i excentricitet från rymdfarkosten Q till gruppen av rymdfarkoster bestående av A, B, C och D är konstant om rotationshastigheten hos excentricitetsvektor eQ följer den sol-synkrona rotationen hos de andra excentricitetsvektorerna eA, eB, ef; och eD. Således kan den 10 15 20 25 30 uppfinningsenliga metoden tillsammans med en lutningsvinkelsseparering användas för samlokalisering av åtminstone ytterligare en rymdfarkost till en grupp av rymdfarkoster som använder den konventionella sol-perigeum pekande strategin med en liten eller ingen kostnad i form av extra framdrivningsbränsle. I ett utförande av uppfinningen följer excentricitetsvektorns eQ rotationshastighet den sol-synkrona rotationshastigheten för att hålla avståndet mellan rymdfarkosterna under kontroll.

En fördel hos några utföranden av uppfinningen är att ingen ändring av den existerande samlokaliseringsstrategin är nödvändig för att samlokalisera ytterligare en rymdfarkost med den uppfinningsenliga metoden.

Ytterligare en fördel hos några utföranden av uppfinningen är att ett ökat avstånd erhålles mellan konventionellt samlokaliserade rymdfarkoster och rymdfarkosten som använder den uppfinningsenliga metoden.

Ytterligare en fördel hos några utföranden av uppfinningen är att en obetydlig eller ingen ökning av konsumtionen av drivmedel orsakas av den uppfinningsenliga metoden.

I figur 6 är ett system 600 för geostationär rymdfarkost banplatskontroll illustrerad.

Systemet 600 innefattar: En rymdfarkost 601 innefattande åtminstone två framdrivningsenheter med kraftkomponenter i en öst-, en väst-, en syd- och en nordriktning i ett koordinatsystem fixerat i rymdfarkosten. Rymdfarkosten 601 innefattar vidare en styranordning för styrning av nämnda åtminstone två framdrivningsenheter.

Styranordningen är konfigurerad för mottagning av fjärrstyrningssignaler 602.

En fjärrstyrningsstation 603 för fjärrstyrning av en geostationär bana hos rymdfarkosten 601 medelst nämnda fjärrstyrningssignaler 602.

Fjärrstyrningsstationen 603 är konfigurerad att placera rymdfarkosten 601 i en definierad banplats hos den geostationära banan. Fjärrstyrningsstationen 603 är vidare konfigurerad att styra en riktning hos apogeumvektorn som har sitt ursprung i jordens mitt och pekar mot apogeum hos den geostationära banan hos rymdfarkosten till att peka i en riktning med en vinkel i intervallet -90 till 90 grader från solvektorns riktning. Solvektorn har sitt ursprung ijordens mitt och pekar mot 10 solen. Fjärrstyrningsstationen 603 är konfigurerad för samtidig styrning av excentriciteten och lutningsvinkeln hos den geostationära banan till att vara i den tilldelade banplatsen.

I några utföranden mottager fjärrstyrningsstationen 603 data om positionen och hastigheten hos rymdfarkosten. Detta data används för att beräkna de nödvändiga ändringar av storlek och riktning av hastigheten hos rymdfarkosten som behövs för att överföra positionen därav till den önskade framtida positionen.

I nägra utföranden av det ovan beskrivna systemet är systemet ansvarigt för banplatskontroll av åtminstone ytterligare en rymdfarkost.

I nägra utföranden av det ovan beskrivna systemet är systemet ansvarigt för banplatskontroll och samlokalisering av ätminstone ytterligare en rymdfarkost medelst den sol-perigeum pekande strategin.

Claims (5)

10 15 20 25 10 PATENTKRAV

1. Metod för banplatskontroll av en rymdfarkost i ett definierad banplats hos en geostationär bana, vari rymdfarkosten innefattar: åtminstone två framdrivningsenheter med kraftkomponenter i en öst-, en väst-, en syd- och en nord-riktning i ett koordinatsystem fixerat i rymdfarkosten, vari metoden innefattar stegen av: placering av rymdfarkosten i nämnda definierade banplats hos den geostationära banan, styrning av en riktning hos en apogeumvektor som har sitt ursprung i jordens centrum och pekar mot ett apogeum hos rymdfarkostens geostationära bana till att peka i en riktning med en vinkel i intervallet fràn -90 till 90 grader från en riktning hos en solvektor som har sitt ursprung ijordens centrum och pekar mot solen, och under samtidig styrning av excentricitet och lutningsvinkel hos den geostationära banan att vara inom den definierade banplatsen.

2. Metoden enligt krav 1, vari en apogeumvektor hos banan för nämnda rymdfarkost roterar ett varv per år.

3. Metoden enligt krav 1 eller 2, vari apogeumvektorn och solvektorn är parallella.

4. Metod för banplatskontroll av en första rymdfarkost för samlokalisering med åtminstone en andra rymdfarkost som är styrd enligt en sol-perigeum pekande strategi i en definierad geostationär banplats, vari: den första rymdfarkosten är styrd av metoden enligt något av de föregående kraven.

5. Ett system för geostationär rymdfarkost banplatskontroll innefattande: en rymdfarkost innefattande åtminstone två framdrivningsenheter med kraftkomponenter i en öst-, en väst-, en syd- och en nord-riktning i ett koordinatsystem fixerat i rymdfarkosten, varvid rymdfarkosten vidare innefattar en 10 11 styranordning för styrning av nämnda åtminstone tvä framdrivningsenheter, vari styranordningen är konfigurerad för mottagning av fjärrstyrningssignaler, en fjärrstyrstation för fjärrstyrning av en geostationär bana hos rymdfarkosten medelst nämnda fjärrstyrningssignaler, vari nämnda fjärrstyrstation är konfigurerad att placera rymdfarkosten i en definierad banplats hos den geostationära banan, och styrning av en riktning hos en apogeumvektor som har sitt ursprung ijordens centrum och pekar mot ett apogeum hos rymdfarkostenens geostationära bana till att peka i en riktning med en vinkel i intervallet från -90 till 90 graderfrän en riktning hos en solvektor som har sitt ursprung ijordens centrum och pekar mot solen, och under samtidig styrning av excentricitet och lutningsvinkel hos den geostationära banan att vara inom den definierade banplatsen.