DE69128214T2

DE69128214T2 - System zur Lagestabilisierung eines Raumfahrzeuges mit Momentumrückholung

Info

Publication number: DE69128214T2
Application number: DE69128214T
Authority: DE
Inventors: David S Uetrecht
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: AT&T MVPD Group LLC
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2011-06-06
Also published as: JPH04231296A; US5098041A; EP0460935B1; JP2625286B2; CA2041857A1; DE69128214D1; CA2041857C; EP0460935A3; EP0460935A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungssystem für ein Raumfahrzeug, und insbesondere ein System zur Lageregelung für ein impulsstabilisiertes Raumfahrzeug.

2. Diskussion des maßgeblichen Standes der Technik

Impulsstabilisierte Raumfahrzeuge sind durch einen Drehimpulsvektor gekennzeichnet, der vornehmlich entlang einer Richtung senkrecht zu irgendwelchen zweien der drei Raumfahrzeugachsen, nämlich den Roh-, Nick- und Gierachsen ausgerichtet ist. Typischerweise ist der Drehimpulsvektor vornehmlich entlang der negativen Nickrichtung ausgerichtet. Ein Drehimpuls kann durch Rotation eines Rades oder einer Scheibe, die ein festes Trägheitsmoment aufweisen, mit einer festen Winkelgeschwindigkeit erzeugt werden.
Impulsstabilisierung vereinfacht die Raumfahrzeugregelung. In einem Raumfahrzeug, das einen Drehimpulsvektor aufweist, der vornehmlich entlang der negativen Nickrichtung ausgerichtet ist, sind die Roll- und Gierachsen gekoppelt. Diese Kopplung wird als gyroskopische Kopplung bezeichnet. Ein angelegtes Drehmoment, das eine Bewegung um die Gierachse bewirkt, bewirkt auch eine Bewegung um die Rollachse. Ebenso bewirkt ein angelegtes Drehmoment, das eine Bewegung um die Rollachse bewirkt, auch eine Bewegung um die Gierachse. Das Drehmoment zum Andern der Roll- und Gierlagen (oder Winkel) eines Raumfahrzeugs und der Roll- und Giergeschwindigkeiten (Nutation) kann durch Schubvorrichtungen bereit gestellt werden, die Drehmomente um die Roll- und Gierachsen erzeugen.
Eine Regeleinrichtung für ein impulsstabilisiertes Raumfahrzeug ist in dem amerikanischen Patent US-A- 3,937,423 mit dem Titel "Nutation and Role Error Angle Correction Means", das am 25. Januar 1974 für D.G. Johansen erteilt wurde, offenbart. Die oben erwähnte Regeleinrichtung beruht auf einem abgeschätzten Rollfehler, einer Einstellung eines Roll-Unempfindlichkeitsbereichs bzw. eines Roll-Toleranzbereichs im Verhältnis zu der Vorgeschichte der letzten Schubvorrichtungsauslösung und einem Verzögerungstiming bzw. einer Verzögerungszeitabstimmung, um Fehler wahrzunehmen und Korrekturen zu bewirken. Obwohl dieser Typ von Regelung zufriedenstellend funktioniert hat, verbessert die vorliegende Erfindung diese Typen von Regelungs systemen weiter.
Das Journal of Guidance, Control & Dynamics, Vol 10 (1987) Mai-Juni, Nr. 3, Seite 283-290 offenbart eine Spinachsen- bzw. Drehachsen-Regeleinrichtung zum Regeln der Drehachsenlage von spin- oder zweifach-spinstabilisierten geostationären Satelliten. Diese Offenbarung umfaßt ein Regelungsverfahren, das ein Messen der augenblicklichen Rollage des Satelliten, ein Voraussagen des Gleichgewichtswertes für die Rollage, ein Erzeugen von Korrektursignalen, wenn der Gleichgewichtswert für die Rollage außerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, ein Erzeugen eines Drehmoments für eine berechnete Zeitdauer, entsprechend der Korrektursignale, um die Gleichgewichtswerte für die Rollage innerhalb vorbestimmter Grenzen zu bringen und ein Bestimmen eines Drehmoments, das mit den Korrektursignalen verknüpft ist, um es bei der Voraussage des Gleichgewichtswertes für die Rollage zu verwenden, beinhaltet.

Kurzfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Lageregelung bzw. Lagestabilisierung für ein impulsstabilisiertes Fahrzeug bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 spezifiziert ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Raumfahrzeug in einer synchronen Umlaufbahn bzw. einem Synchronorbit um einen Himmelskörper, wie z.B. die Erde. Das System verwendet eine Sensoreinrichtung zum Messen der augenblicklichen Rollage des Raumfahrzeugs. Ein Normalzustand-Abschätzer verwendet eine Matrix von Zustandsgleichungen, um Gleichgewichtswerte für die Rollage, die Rollgeschwindigkeit bzw. Rollrate und die Giergeschwindigkeit bzw. Gierrate anhand der augenblicklichen Rollage und der negativen Rückkopplung der vorausgesagten Rollage vorauszusagen. Eine Logikschaltung erzeugt Korrektursignale, wenn die vorausgesagten Gleichgewichtswerte außerhalb vorbestimmter Grenzen liegen. Schubvorrichtungen erzeugen ein Drehmoment, um diese Gleichgewichtswerte innerhalb vorbestimmter Grenzen zu bringen. Eine Auslöseeinrichtung wird außerdem verwendet, um die Schubvorrichtungen zu aktivieren und die Drehmomente vorauszusagen, die von den Schubvorrichtungsauslösungen herrühren, um von dem Normalzustand-Abschätzer verwendet zu werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich werden, die zeigen:
Figur 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Raumfahrzeugs, das um den Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems, das die Roll-, Nick- und Gierachsen repräsentiert, zentriert ist;
Figur 2a eine Draufsicht auf ein impulsstabilisiertes Raumfahrzeug in einer synchronen Umlaufbahn um einen Himmelskörper;
Figur 2b das orbitale Bezugssystem bzw. Bahnbezugssystem und das Bezugssystem des Raumfahrzeugs, wie es in Figur 2a verwendet wird;
Figur 3 ein Blockschaltbild des Regelungssystems der vorliegenden Erfindung;
Figur 4a ein kartesisches Koordinatensystem, das aus den Roll- und Gierachsen aufgebaut ist und dazu verwendet wird, einen ersten theoretischen Fall einer Fehlerhäufung und der folgenden Korrektursequenz für das Regelungssystem zu veranschaulichen; und
Figur 4b ein kartesisches Koordinatensystem ähnlich zu Figur 4a, das dazu verwendet wird, einen zweiten theoretischen Fall einer Fehlerhäufung und der folgenden Korrektursequenz für das Regelungssystem zu veranschaulichen.

Detailierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wendet man sich zuerst Figur 1 zu, so ist dort ein impulsstabilisiertes Raumfahrzeug 10 gezeigt. Der Würfel 12 repräsentiert die Struktur des Raumfahrzeugs 10, das beim Ursprung O eines kartesischen Koordinatensystems zentriert ist, das aus den Roll-, Gier- und Nickachsen aufgebaut ist, die als die Körperroll-, Körpergier- und Körpernickachsen bezeichnet werden. Schubvorrichtungen 14(a)-(d) sind auf der Oberfläche 16 montiert, die parallel zu der Körper- Roll/Gier-Ebene liegt. Es sind nur vier aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Diese Schubvorrichtungen sind versetzt bezüglich der Körpernickachse und stellen ein Drehmoment in der Roll/Gier-Ebene zum Korrigieren von Fehlern in den Roll- und Gierlagen und -geschwindigkeiten bereit. TC ist die Größe des Drehmoments in der Roll-/Gier- Ebene und der Winkel α ist seine Phase. Eine Scheibe 18 rotiert axialsymmetrisch um die Körpernickachse und ist eine Quelle eines Drehimpulses, der durch den Vektor HW dargestellt ist, der mit der Körpernickachse ausgerichtet und in der negativen Nickrichtung orientiert ist. Sonnenpanele 20a und 20b sind entlang der Körpernickachse ausgerichtet und werden dazu verwendet, elektrische Energie für die Elektronik des Raumfahrzeugs zu liefern. Rollagen werden um die Körperrollachse gemessen und sind durch den Winkel φ dargestellt. Gierlagen werden um die Körpergierachse gemessen und sind durch den Winkel ψ dargestellt, und schließlich werden die Nickwinkel um die Körpernickachse gemessen und sind durch den Winkel θ dargestellt.
In den Figuren 2a und 2b ist das Raumfahrzeug 10 gezeigt, wie es einen Himmelskörper 11, wie z.B. die Erde, umkreist. In der bevorzugten Ausführungsform muß das Raumfahrzeug 10 einer synchronen Umlaufbahn bzw. einem Synchronorbit folgen, um Funkkontakt mit der Erde zu halten. Das Bahnbezugssystem rotiert mit einer konstanten Geschwindigkeit von ω&sub0; um die orbitale Nickachse bzw. Bahnnickachse, wobei die orbitale Gierachse bzw. Bahngierachse in Richtung des Erdmittelpunkts gerichtet ist. Es ist für die Körperachsen des Raumfahrzeugs wünschenswert, daß sie zu allen Zeiten mit dem Bahnbezugssystem zusammenfallen. Stördrehmomente bewirken jedoch, daß die Körperachsen von dem Bahnbezugssystem abweichen. Diese Stördrehmomente werden durch solare Drücke, Schwerkraftgradienten und magnetische Dipole verursacht. Der vornehmliche Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, Steuerdrehmomente bzw. Regeldrehmomente zu erzeugen, die die Körper-Roll- und -gierachsen wieder mit dem Bahnbezugssystem ausrichten. Nickwinkel werden getrennt gesteuert bzw. geregelt, da eine Bewegung um die Körpernickachse von der Bewegung um die Körperroll- und -gierachsen entkoppelt ist.
Wendet man sich nun Figur 3 zu, so ist dort das Regelungssystem 30 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Regelungssystem 30 ist innerhalb des Raumfahrzeugs 10 untergebracht und wird dazu verwendet, Abweichungen von den gewünschten Lagen und Geschwindigkeiten bzw. Raten des Raumfahrzeugs zu überwachen und den Schubvorrichtungen zu signalisieren, daß sie das Raumfahrzeug so positionieren, daß diese Fehler beseitigt werden. Das Herzstück des Regelungssystems 30 ist der Normalzustand-Abschätzer 32, der abschätzt, welche Gleichgewichtsrollagen und Gleichgewichtsroll- und giergeschwindigkeiten vorliegen werden, nachdem die Schubvorrichtungen ausgelöst werden. Diese Größen werden als abgeschätzte Rollage und abgeschätzte Roll- und Giergeschwindigkeiten bezeichnet und sind in Figur 3 als , &sub1; und &sub3; dargestellt.
In der bevorzugten Ausführungsform empfängt der Normalzustand-Abschätzer 32 die augenblickliche Rollageninformationen von einem Erdsensor 34. Der Erdsensor 34 schätzt ab, wo das Zentrum der Erde liegt und erzeugt eine Ausgabe, die die gemessene Rollage m des Raumfahrzeugs in Bezug auf das Bahnbezugssystem repräsentiert. Beim Summenknoten 33 wird die gemessene Rollage m mit der abgeschätzten Rollage , die von dem Ausgang des Normalzustand-Abschätzers 32 rückgekoppelt wird, verknüpft.
Zusätzlich können Roll- und Gierkreisel 35a und 35b außerdem verwendet werden, insbesondere, wenn die Gierlagenfehler groß sind. Der Rollkreisel 35a erzeugt eine gemessene Rollgeschwindigkeit bzw. Rollrate 1m und der
Gierkreisel 35b erzeugt eine gemessene Giergeschwindigkeit bzw. Gierrate ω3m. Bei dem Summenknoten 31a wird die gemessene Rollgeschwindigkeit ω1m mit der abgeschätzten Rollgeschwindigkeit ω&sub1; verknüpft, die von dem Ausgang des Normalzustand-Abschätzers 32 rückgekoppelt wird. Beim Summenknoten 31b wird die gemessene Giergeschwindigkeit ω3m mit der abgeschätzten Giergeschwindigkeit ω&sub3; verknüpft, die von dem Ausgang des Normalzustand-Abschätzers 32 rückgekoppelt wird.
Der Normalzustand-Abschätzer 32 verwendet einen Mikroprozessor, der mit einer Matrix von Zustandgleichungen der folgenden Form programmiert ist:
worin A und B Matrizen sind, die die Roll-/Gier-Dynamik und -Kinematik des Raumfahrzeugs nachbilden und Ka und Kb Rückkopplungsverstärkungsmatrizen sind. Der Ausdruck
wird nur hinzugefügt, wenn die Roll- und Gierkreisel 35a und 35b verfügbar sind. Nachdem die Schubvorrichtungen ausgelöst sind, empfängt der Normalzustand-Abschätzer 32 die fortlaufende aktualisierte gemessene Rollage φm. Wird die abgeschätzte Rollage fortlaufend rückgekoppelt, so werden neue Lösungen für die abgeschätzte Rollage , die abgeschätzte Rollgeschwindigkeit &sub1; und die abgeschätzte Giergeschwindigkeit &sub3; erzeugt. Diese Abschätzungen erreichen einen Gleichgewichtszustand nach vielen Iterationen der Zustandsgleichungen und bevor die Schubvorrichtungen wieder ausgelöst werden.
Die Ausgänge des Normalzustand-Abschätzers sind mit der Logikschaltung 36 verbunden, die Übertragungsfunktionen 38 bis 52 implementiert. Eine Software-Logikfunktion ist mit jeder Übertragungsfunktion verknüpft.
Die abgeschätzte Rollgeschwindigkeit &sub1; und die abgeschätzte Giergeschwindigkeit &sub3; werden mit befohlenen Roll- und Giergeschwindigkeiten bei dem Summenknoten 39 und 41 verglichen, um Roll- und Giergeschwindigkeitsfehler &epsi;ω&sub1; und &epsi;ω&sub3; zu bestimmen. Die abgeschätzte Rollage wird beim Summenknoten 37 mit der abgeschätzten Giergeschwindigkeit &sub3; in der Übertragungsfunktion 38 der Logikeinheit 36 verknüpft, um die Rollkomponente C des Drehimpulsvektors HW des Raumfahrzeugs zu bestimmen. 13 stellt die Trägheit des Raumfahrzeugs 10 um die Gierachse dar. Die abgeschätzte Rollkomponente C wird mit der befohlenen Rollkomponente beim Summenknoten 43 verglichen, um den Rollkomponentenfehler &epsi;φC zu bestimmen. Befohlene Rollagen und Rollgeschwindigkeiten sind für die meisten Anwendungen Null; sie könnten jedoch auf eine Zahl ungleich Null gesetzt werden, um eine Sensorvorgabe auszugleichen.
Die Roll- und Giergeschwindigkeitsfehler &epsi;ω&sub1; und &epsi;ω&sub3; und Rollkomponentenfehler &epsi;φC werden in die Übertragungsfunktionen 50 und 52 der Logikschaltung 36 eingegeben, die Korrektursignale Δω&sub1; und Δω&sub3; erzeugen, die notwendig sind, um diese Fehler zu beseitigen. Die Übertragungsfunktion 52 erzeugt einen ersten Satz von Korrektursignalen, die proportional zu den Roll- und Giergeschwindigkeitsfehlern &epsi;ω&sub1; und &epsi;ω&sub3; sind. Die ω-Grenze und -ω-Grenze repräsentieren Punkte maximaler Korrektur. Der Kreis bei dem Ursprung der Übertragungsfunktion stellt einen infinitesimal kleinen Unempfindlichkeitsbereich dar, in dem keine Korrekturen notwendig sind.
Die Übertragungsfunktion 50 erzeugt einen zweiten Satz von Korrektursignalen, die proportional zu dem Rollkomponentenfehler &epsi;φC sind. Der Bereich φdb stellt eine Unempfindlichkeitsbereichsspanne bzw. eine Toleranzbereichsspanne dar, in der keine Korrekturen notwendig sind.
Die Ausgabe der Übertragungsfunktion 50 wird in die Verstärkungsschaltung 56 eingegeben, die Verstärkungen K&sub1; und K&sub3; erzeugt. Die Verstärkungsschaltung 56 verstärkt den zweiten Satz von Korrektursignalen. Die Verstärkungen K&sub1; und K&sub3; können voreingestellt werden, bevor das Raumfahrzeug gestartet bzw. in die Umlaufbahn gebracht wird.
Die Logikschaltung 36 verwendet außerdem Übertragungsfunktionen 40-48. Die Übertragungsfunktion 48 liest die abgeschätzten Roll- und Giergeschwindigkeiten &sub1; und &sub3; ein. Ihre Ausgabe, a, ist hoch, wenn das Quadrat der Nutationsgeschwindigkeit bzw. Rate das Quadrat der Unempfindlichkeitsbereichsgeschwindigkeit ωdb übersteigt. Die Nutationsgeschwindigkeit ist definiert als die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der abgeschätzten Roll- und Giergeschwindigkeiten &sub1; und &sub3;.
Die Übertragungsfunktionen 44 und 46 lesen die abgeschätzte Rollkomponente C ein. Die Ausgabe, b, der Übertragungsfunktion 46 ist hoch, wenn die abgeschätzte Rollkomponente C kleiner als ein gewisses vorbestimmtes δ ist. Die Ausgabe c der Übertragungsfunktion 44 ist hoch, wenn die abgeschätzte Rollkomponente C größer als -δ ist. δ wird durch Berechnung der Unsicherheit in C aufgrund der Unsicherheiten in I&sub3; und HW bestimmt.
Die Übertragungsfunktion 42 liest die abgeschätzten Roll- und Giergeschwindigkeiten &sub1; und &sub3; ein. Die Ausgabe d ist hoch, wenn der Quotient von &sub1; und &sub3;, der ein Teilmaß der Phase der Nutation ist, nahe bei minus eins (-1) liegt.
Die Übertragungsfunktion 40 liest die abgeschätzte Rollgeschwindigkeit &sub1; ein. Die Ausgabe, e, ist hoch, wenn die abgeschätzte Rollgeschwindigkeit &sub1; größer als Null ist.
Die Übertragungsfunktionen 40 bis 48 arbeiten in Verbindung mit Verstärker 58, UND-Gatter 60, ODER-Gatter 62, UND-Gatter 64, UND-Gatter 66 und Multiplikationsknoten 53, 54 und 57, um die Priorität zum Steuern bzw. Regeln von Nutations- und Lagekorrekturen festzusetzen. Beispielsweise erlaubt das Signal a nur Geschwindigkeitskorrekturen, wenn die Nutationsgeschwindigkeit größer als der Geschwindigkeitsunempfindlichkeitsbereich bzw. die Unempfindlichkeitsbereichsgeschwindigkeit ωdb ist. Zusätzlich werden Geschwindigkeiten nur korrigiert, wenn die Phase der Nutation 3π/4 oder -π/4 beträgt. Die abgeschätzte Rollkomponente C muß größer als -δ für Geschwindigkeitskorrekturen sein, wenn die Phase -π/4 beträgt, und muß kleiner als δ für Geschwindigkeitskorrekturen sein, wenn die Phase 3π/4 beträgt. Sobald die Nutationsgeschwindigkeit unterhalb der Unempfindlichkeitsbereichsgeschwindigkeit ωdb liegt, sind Lagekorrekturen möglich.
Da das Regelungssystem 30 die Roll- und Giergeschwindigkeitsfehler &epsi;ω&sub1; und &epsi;ω&sub3; auf der Basis der abgeschätzten Rollkomponente C des Impulsvektors HW des Raumfahrzeugs korrigiert, sind Nutationsregelung und Lageregelung ebenfalls gekoppelt. Diese Kopplung ermöglicht Nutationskorrekturen, die ebenfalls Lagekorrekturen bereitstellen, wodurch der Gesamteinsatz der Schubvorrichtungen minimiert und die Treibstoffersparnis erhöht wird. Weiter ist es durch Regeln der abgeschätzten Rollkomponente C des Impulsvektors HW des Raumfahrzeugs möglich, daß der Rolleinfang innerhalb eines gewissen Unempfindlichkeitsbereichs sichergestellt wird, wobei die restliche Nutation geringer als der Geschwindigkeitsunempfindlichkeitsbereich bzw. die Unempfindlichkeitsbereichsgeschwindigkeit ist, ohne der Möglichkeit eines Grenzzyklus. Die Gierlage wird indirekt durch die orbitale Kopplung bzw. Bahnkopplung geregelt. Das System 30 ist in der Lage, die Orientierung des Raumfahrzeugs sogar beim Vorhandensein von großen Lagen und Geschwindigkeiten zu korrigieren.
In Übereinstimmung mit den Prioritäten, die oben festgesetzt wurden, wird die Ausgabe der Übertragungsfunktion 52 mit der Ausgabe des UND-Gatters 60 multipliziert. Die Ausgabe der Übertragungsfunktion 50 wird mit der Ausgabe des Verstärkers 56 multipliziert. Die Ausgaben von UND-Gatter 60 und Verstärker 56 sind niemals gleichzeitig wahr. Die zwei Produkte werden addiert, um die Korrektursignale Δω&sub1; und Δω&sub3; zu erzeugen.
Die Abtast-/Sperr-Steuerschaltung 68 setzt eine minimale Verzögerung zwischen Schubvorrichtungsauslösungen fest. Diese Verzögerung ist lang genug, um zu gestatten, daß sich die abgeschätzte Rollage und die abgeschätzten Roll- und Giergeschwindigkeiten &sub1; und &sub3; zwischen den Schubvorrichtungsauslösungen einstellen. Normalerweise gibt es drei Zeitkonstanten zwischen den Schubvorrichtungsauslösungen, um das sich Einstellen der abgeschätzten Geschwindigkeiten und der Rollage zu ermöglichen.
Die optimale Schubvorrichtungsauswahllogik (OTS) 70 enthält einen Algorithmus, der ein lineares Programm verwendet, das die Korrektursignale Δω&sub1; und Δω&sub3; in Schubaktivierungszeiten (oder Aktivierungsdauern) konvertiert. Sie wählt außerdem die optimale Gruppe von Schubvorrichtungen aus und gibt Auslösebefehle an die Aktuatoren 72. Die OTS berechnet auch die Drehmomente, τ&sub1; und τ&sub3;, die von den Schubvorrichtungsauslösungen erzeugt werden werden, und die in den Normalzustand-Abschätzer eingegeben werden.
Ein Standardmaß der Schubvorrichtungsleistung ist das Impulsbit (Ibit). Das Ibit ist definiert als das Produkt aus Schubgröße und Schubzeit in Einheiten von Pfund-Sekunden ("pounds-seconds"). Für einen gegebenen Schubbetrag ist das Ibit durch die Schubzeit bestimmt. Statistisch gehorchen die Ibits einer Normalverteilung, wobei 99,7 Prozent aller Ibits innerhalb von drei Standardabweichungen 3 um den Mittelwert liegen. Das Regelungssystem der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Schubvorrichtungen zu verwenden, die ein großes minimales Ibit bzw. Minimalibit und eine große 3 -Ibit-Unsicherheit in Bezug auf die Raumfahrzeugstabilisierungsimpuls- und Rollagenausrichtungsanforderungen zeigen:
Diese Architektur ist einfacher und weniger teuer als Architekturen, die auch kleinere Schubvorrichtungen verwenden, aber ist die Ursache der unzulänglichen Leistung, die von früheren Steuer- bzw. Regeleinrichtungen gezeigt wurde. Die Größen des Roll-Unempfindlichkeitsbereichs φdb und des Geschwindigkeitsunempfindlichkeitsbereichs ωdb sind direkte Funktionen des minimalen Schubvorrichtungs-Ibits und der 3 -Ibit-Varianz.
Die Regelung wird dadurch erreicht, indem man Befehle für impulsförmige Drehmomente mit der Größe TC und Phase α in der Körper-Roll-/Gier-Ebene gibt. Die Regeldrehmomente werden mit einer maximalen Rate von vier bis fünf impulsförmigen Drehmomenten pro Nutationsperiode befohlen. Folglich ist die auf die orbitale Roll-/Gier-Ebene projizierte Bewegung der Körperachsen durch Kreisbögen gekennzeichnet, deren Zentren aufgrund der Bahnkopplung driften, und deren Größen und Phasen sich augenblicklich ändern, wenn die Schubvorrichtungen ausgelöst werden.
Figur 4a zeigt einen einfachen theoretischen Fall einer Fehlerhäufung und der folgenden Korrektursequenz für die Regeleinrichtung, wenn die Verstärkung K&sub3; so gewählt wird, daß sie Null ist, und die Verstärkung K&sub1; größer als Null ist. Die Bewegung und Korrektur des Raumfahrzeugs beziehen sich auf die orbitale Roll-/Gier-Ebene und den Roll-Unempfindlichkeitsbereich φdb. Die gestrichelte Linie reflektiert die Projektion des Impulsvektors auf die orbitale Roll-/Gier-Ebene. Die durchgezogene Linie repräsentiert die Projektion der Körpernickachse auf die orbitale Roh-/Gier- Ebene.
Zur Zeit t=0 ist die Rollkomponente Null und die Rollund Giergeschwindigkeiten liegen innerhalb des Geschwindigkeitsunempfindlichkeitsbereichs ωdb. Zur Zeit t=1 hat die Bahnkopplung bewirkt, daß di& abgeschätzte Rollkomponente den Roll-Unempfindlichkeitsbereich db übersteigt. Die Schubvorrichtungen werden ausgelöst. Der Impulsvektor HW weist eine Präzession Δh/HW in der negativen Gierrichtung auf, wobei Δh gleich der Änderung des Körper-Roll/Gier- Drehhimpulses ist. Die Körpernickachse führt eine Nutation um den Impulsvektor HW aus.
Zur Zeit t=t&sub2; wird die Phase der Nutation mit einem Wert von ungefähr -π/4 erfaßt. Die abgeschätzte Rollkomponente C ist größer als -δ. Somit werden die Schubvorrichtungen ein zweites mal ausgelöst und der Impulsvektor HW weist eine Präzession Δh/HW bei einem Winkel -π/4 auf. Eine Korrektur der Nutation bewirkt auch eine Korrektur der Rollage.
Figur 4b zeigt den Fall, wenn K&sub1; = -K&sub3; ist, derart, daß sich ein minimaler Ibit-Puls ergibt, wenn die abgeschätzte Rollkomponente C gleich dem positiven Roll-Unempfindlichkeitsbereich +φdb ist. Die Gesamtkorrektur ist -1,41 Δh/HW bezüglich Gieren und -1,41 Δh/HW bezüglich Rollen.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, können Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden.

Claims

1. Ein System (30) zur Lage- und Nutationsregelung für ein drallgeregeltes Raumfahrzeug (10), das Roll-, Nick- und Gierachsen aufweist, mit:

(a) einer Sensoreinrichtung (34) zum Messen der augenblicklichen Rollage;

(b) einer Abschätzeinrichtung (32), die mit der Sensoreinrichtung (34) verbunden ist und Gleichgewichtswerte für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit voraussagt;

(c) einer Logikeinrichtung (36), die mit der Abschätzeinrichtung (32) verbunden ist und Korrektursignale erzeugt, wenn die Gleichgewichtswerte für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit außerhalb vorbestimmter Grenzen liegen;

(d) einer Vielzahl von Schubvorrichtungen (14a-14d), die ein Drehmoment erzeugen, um die Gleichgewichtswerte für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit innerhalb vorbestimmter Grenzen zu bringen; und

(e) einer Auslöseeinrichtung (70), die zwischen der Logikeinrichtung (36) und den Schubvorrichtungen (14a- 14d) eingekoppelt ist und bestimmte ausgewählte Schubvorrichtungen für berechnete Zeitdauern entsprechend der Korrektursignale aktiviert, wobei die Auslöseeinrichtung auch dazu dient, Drehmomente zu bestimmen, die mit den Korrektursignalen verknüpft sind, um sie in der Abschätzeinrichtung (32) zu verwenden.

2. Das System (30) nach Anspruch 1, worin die Sensoreinrichtung (34) eine Trägheitseinrichtung zum Abtasten von Änderungen der augenblicklichen Roll- und Gierlagen aufweist.

3. Das System (30) nach Anspruch 2, worin die Trägheitseinrichtung (35a, 35b) aufweist:

(a) einen Rollkreisel (35a), der mit der Abschätzeinrichtung (32) zum Erzeugen von augenblicklichen Rollgeschwindigkeitsinformationen verbunden ist; und

(b) einen Gierkreisel (35b), der mit der Abschätzeinrichtung (32) zum Erzeugen von augenblicklichen Giergeschwindigkeitsinformationen verbunden ist.

4. Das System (30) nach Anspruch 1, worin die Sensoreinrichtung (34) eine Referenzeinrichtung (34) zum Messen der augenblicklichen Rollage des Fahrzeugs (10) in Bezug auf einen Himmelskörper (11) aufweist, wobei sich das Fahrzeug (10) in einer Umlaufbahn um den Himmelskörper (11) befindet.

5. Das System (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Auslöseeinrichtung aufweist:

(a) einen Abtastschaltkreis (68) zum Abtasten von Korrektursignalen zwischen Aktivierungen von Schubvorrichtungen;

(b) eine Auswahleinrichtung (70) zum Auswählen von optimalen Schubvorrichtungen, die mit dem Abtastschaltkreis (68) zum selektiven Auswählen von Schubvorrichtungen (14a-14d) zur Aktivierung, zum Bestimmen der Dauer einer Aktivierung der Schubvorrichtung und zum Bestimmen der Drehmomente, die mit Änderungen der Korrektursignale verknüpft sind, verbunden ist; und

(c) Aktuatoren (72), die mit der Auswahleinrichtung (70) zum Auswählen von optimalen Schubvorrichtungen zum Aktivieren der Schubvorrichtungen (14a-14d) verbunden sind.

6. Das System (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Abschätzeinrichtung (32) einen Mikroprozessor umfaßt, der mit einem Satz von Zustandsgleichungen programmiert ist, die eine negative Rückkopplung von Werten für die Gleichgewichts-Rollage verwenden.

7. Das System (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Abschätzeinrichtung (32) einen Mikroprozessor umfaßt, der mit einem Satz von Zustandsgleichungen programmiert ist, die eine negative Rückkopplung von Werten für die Gleichgewichts-Rollage, -Rollgeschwindigkeit und -Giergeschwindigkeit verwenden.

8. Das System (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Logikeinrichtung (36) aufweist:

(a) einen Mikroprozessor zum Implementieren von Software- Logikfunktionen, wobei eine erste Software-Logikfunktion (52) die Ausgaben der Gleichgewichts-Rollage und der Gleichgewichtsgiergeschwindigkeit der Abschätzeinrichtung (32) empfängt und eine Rollkomponente des Drehimpulsvektors des Fahrzeugs (10) bestimmt, wobei ein zweiter Satz von Software-Logikfunktionen (50) Korrektursignale erzeugt, und wobei ein dritter Satz von Software-Logikfunktionen (40, 42, 44, 46, 48) die richtige Phase von Korrektursignalen bestimmt und bestimmt, ob die Rollkomponente, die Gleichgewichts-Rollgeschwindigkeit und die Gleichgewichts-Giergeschwindigkeit vorbestimmte Grenzen überschreiten;

(b) eine Vergleichseinrichtung, die mit dem Mikroprozessor verbunden ist, um Fehlersignale zu erzeugen, wenn die Rollkomponente, die Gleichgewichts-Rollgeschwindigkeit und -Giergeschwindigkeit sich von befohlenen Werten unterscheiden, wobei die Fehlersignale einen zweiten Satz von Software-Logikfunktionen (50) veranlassen, Korrektursignale zu erzeugen; und

(c) eine Steuerschaltkreiseinrichtung, die mit dem Mikroprozessor zum Steuern der Übertragung der Korrektursignale an die Auslöseeinrichtung verbunden ist.

9. Das System (30) nach Anspruch 8, das weiter eine Verstärkungssteuereinrichtung (56) aufweist, um Korrektursignale, die mit der Rollkomponente verknüpft sind, zu verstärken, wenn die Fehlersignale der Rollkomponente außerhalb vorbestimmter Grenzen liegen.

10. Ein Verfahren zum Steuern eines drallgeregelten Fahrzeugs (10), das Roll-, Nick- und Gierachsen aufweist, mit:

(a) Messen der augenblicklichen Rollage des Fahrzeugs (10);

(b) Voraussage von Gleichgewichtswerten für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs (10);

(c) Erzeugen von Korrektursignalen, wenn die Gleichgewichtswerte für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit außerhalb vorbestimmter Grenzen liegen;

(d) Erzeugen eines Drehmoments für eine berechnete Zeitdauer, entsprechend der Korrektursignale, um die Gleichgewichtswerte für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit innerhalb vorbestimmter Grenzen zu bringen; und

(e) Bestimmen von Drehmomenten, die mit den Korrektursignalen verknüpft sind, um sie bei der Voraussage der Gleichgewichtswerte für Rollage, Rollgeschwindigkeit und Giergeschwindigkeit zu verwenden.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, weiter mit:

(f) Messen von augenblicklichen Roll- und Giergeschwindig keiten des Fahrzeugs (10).

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, worin der Schritt des Messens der augenblicklichen Rollage aufweist:

(a) Bestimmen des Zentrums eines Himmelskörpers (11), wobei sich das Fahrzeug (10) in der Umlaufbahn um den Himmelskörper (11) befindet;

(b) Bestimmen einer Linie von dem Zentrum des Himmelskzrpers (11) zu dem Ursprung der Fahrzeugachsen; und

(c) Messen des Winkels zwischen dieser Linie und den Rollachsen.

13. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, worin der Schritt des Erzeugens eines Drehmoments ein Aktivieren einer Vielzahl von Schubvorrichtungen (14a-14d) aufweist.