DE3214373A1

DE3214373A1 - Verfahren und einrichtung fuer die lageregelung eines satelliten

Info

Publication number: DE3214373A1
Application number: DE19823214373
Authority: DE
Inventors: Ernst 8012 Ottobrunn Brüderle; Michio Kamakura Kanagawa Otsuka
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-04-20
Filing date: 1982-04-20
Publication date: 1983-10-27
Also published as: FR2525359A1; GB8310161D0; FR2525359B1; GB2121984A; JPH0468199B2; DE3214373C2; JPS58183395A; GB2121984B

Description

32Τ4373

MESSERSCHMITT-BOLXOVz-BLOHM Ottobrunn, 05.04.82

GESELLSCHAFT BTOl Frch-th

MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, 8810 MÜNCHEN

Verfahren und Einrichtung für die Lageregelung eines Satelliten

die

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für^Lageregelung eines Satelliten mit einer Einrichtung zum Speichern eines Winkelmomentes !welche durch Drall, bzw. Dralländerungen die Lage des Satelliten auch gegen äußere Störungen beeinflußt, und einer Einrichtung der Erzeugung eines magnetischen Moments, welches mit dem Magnetfeld der Erde zusammenwirkt.

In Fig. 1 ist der Stand, der Technik anhand einer schematischen Perspektive eines dreiachsenstabilisierten Satelliten 20, welcher mit einem Drallrad 1, daß als Speicher für ein

IQ Winkelmornent eingesetzt ist, mit einem Reaktionsrad 2, welches ebenfalls als Speicher für ein Winkelmoment dient, mit einem magnetischen Drallerzeuger 3, und einem Rollwinkelsensor 4 ausgerüstet ist. Außerdem ist in den Satelliten '20 ein satellitenfestes 'Koordinatensystem eingezeichnet, mit der X-Achse als Rollachse, der Y-Achse als Nickachse und der Z-Achse als Gierachse.

Der Satellit 20 wird so geregelt, daß die X-Achse in Flugrichtung weist, die Y-Achse als Normale auf der Ebene der Flugbahn steht und die Z-Achse senkrecht auf der von den Achsen X und Y gebildeten Ebene steht. Im Falle, daß der Satellit eine Kreisbahn beschreibt, weist die Z-Achse dementsprechend auf den Erdmittelpunkt.

-L- Akte 2810

Die Lageregelung kann im allgemein! beschrieben v/erden aus einem Speichermomentsystem, einem Nullmomentsystem und einem dazwischen geregelten Speichermomentsystem.

In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, bei welcher ein geregelte_s Speichermomentsystem mit großen WLnkelmoment zu allen Zeiten in der Richtung der Nickachse vorhanden ist, damit genügende Kreiselsteifheit vorhanden ist, um die Änderungen in der Lage des Satelliten auf ein Minimum zu begrenzen. Bei einem solchermaßen geregelten Satelliten wird ein Drall um die Y-Achse ausgeübt, indem das Winkelmoment des Drallrades 1 geändert wird. Drall um die Achsen Z und Y erscheinen dementsprechend als Lageänderungswinkel oder Rollwinkel um die X-Achse und Lageänderungswinkel oder Gierwinkel um die Z~Achse aufgrund der Kreiselsteifheit entsprechend dem Speichermoment in Richtung der Nickachse. Drall um die Z'-Achse kann erzeugt werden, indem der Rollwinkel mit einem Rollwinkelsensor gemessen wird und ein Signal auf das Reaktionsdrallrad 2 auf dem Wege der Rückführung geschaltet wird.

Nicht vorhanden ist ein Gierwinkelsensor und eine Vorrichtung um direkt den Drall um die X-Achse zu messen. Ein solcher Drall kann jedoch indirekt erzeugt werden, durch einen kleinen Gierwinkel entsprechend der Kreiselsteifheit um die. Mickachse. Das geregelte Speichermomentensvstem ist vorteilhaft gegenüber dem Mullmomentsystem, da unter Einbeziehung der Xreiselsteifheit auf einen eigenen Gierv/inkelsensor verzichtet werden kann.

Wenn tr.an annimmt, daß ein Winkelmoment utv. die Achse X durch U gekennzeichnet i-^{st ur}*d ein V/inkelmcment um die

- 5

32U373

- 5 - Akte 8SlO

Achs Z durch H repräsentiert v/ird, so ergibt sich ein resultierendes Winkelrnoment H entsprechend der folgenden Formel:

2 2 \

χ ζ (1)

Während des Bahnverlaufs des Satelliten werden die Uinkelmomente H_v, H geschaltet und periodisch variiert mit einer Periode der Bahn des Satelliten und mit der Amplitude von H . Der Gierwinkel wird ebenfalls periodisch geändert mit

O to

einer Amplitude, welche proportional zu H ist. Der Gierwinkel wird daher im Falle, daß von außen Drall aufgebracht wird, sehr groß und überschreitet das zulässige Maximum über eine lange Zeitperiode. Dies ergibt sich ebenfalls für die Drehgeschwindigkeit der Drallräder 1 und des Reaktionsrades 2.

Um mit diesem Probelm fertig zu werden, ist es notwendig, auf den Satelliten einen Drall in der einen oder anderen Weise auszuüben. Drall um die X- und Z-Achse ist erforderlich, um H und H zu entladen. In- der Ausführung in Fig. 1 wird durch den magnetischen Drallerzeuger 3 ein Drall erzeugt, in dem ein Zusammenspiel zwischen einen· magnetischen Moment, welches der magnetische Drallerzeuger 3 erzeugt und dem Magnetfeld der Erde herbeigeführt wird.

Geht man davon aus, daß ein um die Y-Achse erzeugtes magnetisches Moment durch M gekennzeichnet ist, der Erdmagnetismus in der Richtung der X-Achse durch 3 gekennzeichnet ist, und der Erdmagnetismus in der Richtung der Z-Achse durch B repräsentiert ist, so wird magnetischer Drall

3 B und k^f B um die X- und Z-Achsen entsprechend nroduy ζ y χ *■

ziert.

6 - Vcte 8810

is ist bekannt, daß die Winkelmomente H und'H um die

X Zj

X- und Z-Achse wirksam entladen werden können, IrSd em \ ein magnetisches foment M erzeugt wird, welches der folgenden Formel folgt:

M = - K · (B H - B H ) (2)

y zxxz

wobei K eine passende Konstante ist. Die 3 und B werden ¹ χ ζ

durch einen magnetischen Sensor, welcher nicht eingezeichnet ist bestimmt, oder können anhand eines Musters des angenäherten Erdmagnetismus bestimmt werden. Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (2) bezieht sich auf das Entladen von H und der zweite Term bezieht sich auf das Entladen' von H .

Das Winkelmoment H ist als kleiner Gierwinkel entsprechend der Kreiselsteifheit um die Nickachse gespeichert. Es ist schwierig, H direkt zu messen, da es keine passende Einrichtung zur Messung des Gierwinkels gibt. Das Winkelmoment H ist ausgedrückt durch die Summe eines gespeicherten Anteils von einem kleinen Rollwinkel und ein gespeicherter Anteil entsprechend einer Änderung der Drehgeschwindigkeit des Reaktionsrades 2. Diese beiden gespeicherten Anteile und mithin das Winkelmoment H können bestimmt werden.

Fig. 2 zeigt ein ßlockdiagramm eines herkömmlichen Lageregelungssystems, in welchem mit 5 die Satellitendynamik eines Satelliten bezeichnet ist, mit 6 ein Lagewinkelsensor, mit 7 eine Radsteuerung, mit 8 ein Reaktionsrad, τ.it 9 ein r.-.agnetisches r/orr.ent-N'ustererzeuger, mit 10 ein magnetischer ^rallr^gler, mit 11 das Erdmagnetfeldäquivalent', '.-it 12 ein rragnetischer Drallerzeuger, und mit 13 ein :-urrrr:ierglied.

t* ··· » «*·ff fl · * t

- 7 - Akte SSI·'

Der Lagewinkelsensor 6 mißt einen Rollwinkel des Satelliten und produziert ein Rollwinkelausgangssignal entsprechend dem Rollwinkelsensor aus Fig. 1. Die Radsteuerung 7 erzeugt ein Ausgangssignal als DrallregelungssLgnal für die Regelung des Reaktionsrades 8 in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des Lagewinkelsensors 6. Das Reaktionsrad 8 reagiert auf das Regelungsdrallsignal von der Radsteuerung 7 indem ein Drall auf die Satellitendynamik 5 ausgeübt wird und versorgt den magnetischen Drallregler 10 mit einem Signalj welches die Geschwindigkeit des Reaktionsrades 8 anzeigt. Der magnetische Moment-Mustererzeuger 9 erzeugt ein Signal, welches B in der vorgehenden Gleichung entspricht. Der magnetische Drallregler 10 spricht auf das Rollwinkelsignal vom Lagewinkelsensor 6 an und auf das Geschwindigkeitssignal vom Reaktionsrad 8 und erzeugt ein Signal, welches ein Winkelmoment um die Z-Achse anzeigt. Das letztgenannte Signal und das Signal vom magnetischen Moment-A'ustererzeuger 9 werden benutzt, um im magnetischen Drallregler 10 ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches mit dem zweiten Term der Gleichung auf der rechten Seite korrespondiert. Der magnetische Drallerzeuger 12 erzeugt auf das Signal vom magnetischen Drallregler 10 hin ein magnetisches Moment um die Y-Achse, welches mit der rechten Seite der Gleichung korrespondiert. Es wird um die Z-Achse ein Drall erzeugt, basierend auf dem magnetischen Moment, welches vom magnetischen Drallerzeuger 12 um die Y-Achse erzeugt wird und auf dem Erdmagnetismus 3 in der Richtung der X-Achse des magnetischen Feldes 11 der Erde, so daß das Vflnkelmorr.ent H um die Z-Achse hierdurch abgebaut wird. Der magnetische Drallerzeuger 12 ist das Gegenstück zurr, magnetischen Drallerzeuger 3 der Fig. 1. Durch das Summierglied 13 wird deutlich, daß der Drall, der auf die Satellitendynamik 5 wirkt,

- 8 - Akte 8810 ·

eine Summe aus äußeren Kräften ist, dem Drall durch das Reakticnsrad 8 und dem Drall durch den magnetischen Drallerzeuger 12.

In der Anordnung nach Fig. 2 ist kein Gierwinkelsensor vorhanden und nur H kann direkt abgebaut werden, während H nur indirekt abgebaut werden kann durch Schalten zwischen H und H entsprechend der Kreisbahnbewegung des Satelliten. Daraus ergibt sich, daß die Entladung von H

derjenigen von H nachgeordnet ist und nicht effektiv -ausgeführt werden kann mit dem Ergebnis geringer Genauigkeit in der Lageregelung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem H unter Vermeidung oben aufgezeigter Schwie rigkeiten entladen werden kann, wobei H durch Schätzung aus H gewonnen werden wird und unter Benutzung der Dyn rnik, welche der Bahnbewegung des Satelliten entspricht.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß zum Beseitigen des Einflusses der äußeren Störung die Komponente des gespeicherten V/inkelmomentes welche sich auf die Gierachse bezieht und die Dynamik, welche sich aus dem Bahnverlauf des Satelliten ergibt, benutzt werden um die Komponente des Winkelmomentes zu schätzen und zu entladen welche sich auf die Rollachse des Satelliten auswirkt.

Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß ohne die Verwendung eines Gierwinkelsensors ein Entalden um die ?(-Achse möglich wird, wobei höchstmögliche La^egenauigkeit des Satel-Iiten beibehalten wird. Ebenso wird die Entladung -ies H -

° ζ

i"on»entos wesentlich vereinfacht, so daß sich '.nsjesamt vervL- g^v Kraftstoffverbrauch und damit höhere Lebensdauer des Satelliten ergeben.

- 9 - Akte 8810

Die Erfindung ist anhand der Fig. 3 näher erläutert. In der Fig. 3 sind gleiche Bauteile wie in den vorhergegangenen Figuren mit denselben Ziffern besetzt. Mit 5 ist das dynamische Äquivalent des Satelliten (die Satellitendynamik) bezeichnet, mit 6 der Lagewinkelsensor, mit 7 die Radsteuerung, mit S das Reaktionsrad, mit IA ein Geschwindigkeitsdifferenzglied, mit 15 ein Differenzglied für ein Rollwinkelsignal, mit 9 der magnetische Momentmustererzeuger, mit 10 der magnetische Drallregler, mit 11 das Erdmagnetfeldäquivalent,mit 12 der magnetische Drallerzeuger und mit 13 das Summierglied.

Ausgehend davon, daß die Winkelgeschwindigkeit des Satelliten auf seiner Bahn durch O) repräsentiert wird, und ein auf die Z-Achse aufgebrachter Drall durch T, so kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:

H = T - CU H (3)

Z OX

wobei der Punkt auf H anzeigt, daß eine Differenzierung über der Zeit stattfindet. In Anbetracht dessen, daß die rechte Seite der Gleichung (3) vergleichsweise lang ist mit dem 1. Term der rechten Seite kann die folgende Vereinfachung angeführt werden:

Da CjO bekannt ist und H leicht bestimmt werden und differenziert werden kann, um H zu erhalten, kann H nach der oben gezeigten Formel (A) geschätzt werden. Die Fig. 3 zeigt eine Einrichtung, mit der H entladen werden 'cann, basierend auf den beiden zuvor genannten Gleichungen.

- 10 - Akte 8810

Ausgehend davon, daß das V.^rLnkelmoment H 'als Speichermoment) um die Y-Achse groß ist und der Rollwinkel i-p klein ist, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:

H₂ = H · γ + I · CO (5)

wobei I das Trägheitsmoment des Reaktionsrades 8 und damit die Winkelgeschwindigkeit repräsentiert. Beide Seiten der Gleichung (5) werden über der Zeit differenziert und da das Produkt aus H , welches das Differential von H ist, in bezug auf die zeitliche Dauer und cp klein ist, verglichen mit dem anderen Term kann die folgende Formel aufgestellt werden:

H_z — H · f + 1-cü (6)

Wie aus den beiden vorhergehenden Gleichungen (5, 6) hervorgeht, wird ein Differenzierkreis, welcher die letzte Formel erfüllt, zu dem Stand der Technik hinzugefügt und es wird ein Signal produziert, das dem ersten Term eier rechten Seite der Gleichung (12) entspricht.

Die Vorrichtung in Fig. 3 enthält daher ein Oifferenzierglied 15 für das Rollwlnkelsignal, welches der Lagewinkelsensor 6 liefert und einen Geschwindigkeitsdifferenzierglied 14, welches das Geschwindigkeitsignal des Reaktionsrades 8 differenziert. Die Differentionssignale der !(reise IZ und 15 werden dem magnetischen Drallregler 10 zugeführt, der hieraus ein Signal, welches mit H korrespondiert, produziert, entsprechend -der Schätzformel, wie sie zuvor angegeben worden ist für H_n,. Der magnetische i.iomenjHustererzeug^.r 9 produziert ein Sijnal, welches dem Signal B nach der 31eichung (2) entspricht.

- 11 -

- 11 - Akte 8310

DLe so erzeugten Signale werden dazu benutzt, ein Signal zu erzeugen, welches dem 1. Term der rechten Seite der Gleichung (3) entspricht, so daß der magnetische Drallerzeuger 12 in die Lage versetzt wird, einen magnetischen Drall zu erzeugen, der dem ersten Term der rechten Seite der Gleichung (2) entspricht. Dieser magnetische Drall urr: die Y-Achse und der Erdmagnetismus 3 in Richtung der Achse Z des iviagnetfeldes der Erde arbeiten so zusammen, daß ein Drall um die Y-Achse erzeugt wird, welcher das Vinkelmoment um diese X-Achse abbaut.

Ss kann daher mit der Erfindung die Lage des Satelliten kontrolliert werden, indem H abgebaut wird anstelle von H wobei zwischen H und H gewechselt werden kann entsprechend dem Bahnverlauf des Satelliten mit dem Abbau von H . Die vorliegende Erfindung ist ganz besonders dann vorteilhaft anzuwenden, wenn die Satellitenbahn über Mord- und Südpol der Erde verläuft, weil dann der Betrag von B über Nord- und Südpol annähernd zweimal so groß ist, wie der Betrag von B über dem Äquator der Erde. Außerdem können der Stand der Technik und die Erfindung gemeinsam benutzt werden um eine verbesserte Entladung von H und

H zu erzielen.
ζ

Die vorliegende Erfindung kann außerdem auch für einen dreiachsenstabilisierten Satelliten angewendet werden, bei dem das Winkelmoment H um die Z-Achse gernessen wird und das Differential von H die vorgenannten Formeln erfüllt.

ζ °

-η-

Leerseite

Claims

MESSERSCHI'ITT-BÖLKOW-BLOHL! Ottobrunn, 05.04.82

GESELLSCHAFT BTOl Froh-th

!■IT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, S810 MÜMCHEM

Verfahren und Einrichtung für die Lageregelung eines Satelliten

Patentansprüche

1, Verfahren für die Lageregelung eines Satelliten mit einer Einrichtung zum Speichern eines Vvinkelrncmentes, welche durch Drall bzw. durch Dralländerungen die Lage des Satelliten auch gegen äußere Störungen beeinflußt, und einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Moir.ents, welches mit dem Wagnetfeld der Erde zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, da*j zum Beseitigen des Einflusses der äußeren Störung die Komponente des gespeicherten Winkelmomentes, welche sich Huf die Gierachse bezieht und die Dynamik, welche sich aus dem Bahnverlauf des Satelliten ergibt, benutzt werden um die Komponente des Winkelrromentes zu schätzen und zu entladen j welche sich auf die Rollachse des Satelliten auswirkt.

• *

" ^: 32H373

- 2 - Akte 8810
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzierglied (15) vorhanden ist, mit dem das Rollwinkelsignal vom Lagewinkelsensor (6) differenzierbar ist, und daß ein weiteres Differenzierglied (IA) vorhanden ist, mit dem das Geschwindigkeitssignal von einem Reaktionsrad (8) differenzierbar ist, daß das Ausgangssignal der Differenzierglieder (14, 15) dem magnetischen Drallregler (10) zuführbar ist, so daß dieser ein Signal erzeugt, welches einem geschätzten Winkelmoment (H„) um die X-Achse entpsricht, und daß zusammen mit dem Signal das ein magnetisches Momentmustererzeuger (9) erzeugt, ein magnetischer Drallerzeuger (12) ansteuerbar ist, mit dem ein magnetischer Drall um die Y-Achse des Satelliten erzeugbar ist und daß gemeinsam mit diesem Drall und dem Erdmagnetismus um die Z-Achse das Winkelmoment um dLe X-Achse des Satelliten anbaubar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentiation der Formel

A₂ * H_y · i> * ι · ώ

folgt. Mit H = Differentiation des Winkelmomentes um

die Z-Achse

H = Winkelmoment um die Y-Achse •f = Differentiation des Rollwinkels T 1 = Trägheitsmoment des Reaktionsrades 8 cb = Differentiation der Winkelgeschwindigkeit

des Satelliten
und daß das './inkelmoment um die X-Achse (H ) nach der

Gleichung ,,

schätzbar ist.