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ES2994416A1 - A SYSTEM, METHOD AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR IMPROVED ATTITUDE CONTROL OF A VEHICLE UNDER TORQUE-FREE CONDITIONS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

A SYSTEM, METHOD AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR IMPROVED ATTITUDE CONTROL OF A VEHICLE UNDER TORQUE-FREE CONDITIONS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

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Publication number
ES2994416A1
ES2994416A1 ES202330613A ES202330613A ES2994416A1 ES 2994416 A1 ES2994416 A1 ES 2994416A1 ES 202330613 A ES202330613 A ES 202330613A ES 202330613 A ES202330613 A ES 202330613A ES 2994416 A1 ES2994416 A1 ES 2994416A1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
actuators
vehicle
dzh
angular state
attitude
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
ES202330613A
Other languages
Spanish (es)
Inventor
Tejada Jesús Manuel Munoz
Fernandez Iván Castro
Gutierrez Guillermo Reales
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidad Carlos III de Madrid
Original Assignee
Universidad Carlos III de Madrid
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad Carlos III de Madrid filed Critical Universidad Carlos III de Madrid
Priority to ES202330613A priority Critical patent/ES2994416A1/en
Publication of ES2994416A1 publication Critical patent/ES2994416A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
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Abstract

A system, method and computer program product for improved attitude control of a vehicle under torque-free conditions. The system (100) comprises an attitude sensor unit (112) for measuring the angular state (113) of the vehicle (102), momentum exchange actuators (122) for exchanging momentum with the vehicle (102), a guidance module (134) for obtaining a target angular state (135). A navigation module (136) for obtaining an estimated angular state (137) and a control unit (132) configured to receive the target angular state (135), check for the occurrence of a state of rotation about the intermediate axis of inertia of the vehicle (102), DZH effect, and in that case characterize the DZH effect, obtaining at least one DZH period (232); calculate at least one activation time interval {del}t j (242) during the DZH period (232); and performing an attitude maneuver of the vehicle by actuating the pulse exchange actuators (122) for at least an activation time interval {del}t j (242). The combination of the DZH effect with the pulse exchange drives achieves high energy and time savings. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

UN SISTEMA, MÉTODO Y PRODUCTO DE PROGRAMA INFORMÁTICO PARA UNA SYSTEM, METHOD AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR A

CONTROL DE ACTITUD MEJORADO DE UN VEHÍCULO EN CONDICIONES LIBRES DEIMPROVED ATTITUDE CONTROL OF A VEHICLE IN FREE CONDITIONS

PARPAIR

CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF INVENTION

La presente invención está comprendida dentro del campo de los sistemas y métodos para controlar la actitud de los vehículos en condiciones libres de par, como en condiciones de microgravedad o de gravedad cero. The present invention is within the field of systems and methods for controlling the attitude of vehicles under torque-free conditions, such as in microgravity or zero gravity conditions.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

Hoy en día, los satélites regulares y las naves espaciales consisten esencialmente en un marco que proporciona integridad estructural y apoya el resto de los subsistemas. Estos subsistemas generalmente se fijan a este marco estructural a menos que necesiten estar orientados específicamente, como matrices solares, telescopios, etc. Para vehículos espaciales con requisitos de misión de actitud, el subsistema de determinación y control de actitud también puede estar compuesto de partes giratorias como ruedas de reacción, giroscopios de impulso, etc. Al girar estos elementos internos o externos, se ajusta el estado angular (orientación y velocidad angular) del vehículo. Nowadays, regular satellites and spacecraft essentially consist of a frame that provides structural integrity and supports the rest of the subsystems. These subsystems are usually fixed to this structural frame unless they need to be specifically oriented, such as solar arrays, telescopes, etc. For space vehicles with attitude mission requirements, the attitude determination and control subsystem may also be composed of rotating parts such as reaction wheels, impulse gyroscopes, etc. By rotating these internal or external elements, the angular state (orientation and angular velocity) of the vehicle is adjusted.

A lo largo de la vida de un satélite en órbita, diferentes perturbaciones del entorno espacial necesitan ser absorbidas de tal manera que la nave espacial sea controlada. Estas perturbaciones no solo provienen del lanzamiento de la nave espacial desde el lanzador (lo que puede hacer que se “caiga”), sino también debido a la atracción gravitatoria de los cuerpos celestes, el viento solar o el impacto de micro meteoritos, entre otros. Normalmente, la absorción de estas perturbaciones se consigue mediante motores giratorios cuyo movimiento contrarresta las perturbaciones en órbita, lo que permite orientar la nave espacial como se desee. Sin embargo, cuando la velocidad de estos motores es máxima, no pueden absorber más impulso angular y se “saturan”. Throughout the life of a satellite in orbit, different perturbations from the space environment need to be absorbed in such a way that the spacecraft is controlled. These perturbations not only come from the launch of the spacecraft from the launcher (which can cause it to “fall”), but also due to the gravitational attraction of celestial bodies, the solar wind or the impact of micro meteorites, among others. Normally, the absorption of these perturbations is achieved by means of rotary motors whose movement counteracts the perturbations in orbit, allowing the spacecraft to be oriented as desired. However, when the speed of these motors is maximum, they cannot absorb any more angular momentum and become “saturated”.

En la actualidad, existen diferentes sistemas para gestionar, almacenar y entregar el impulso angular, utilizando pares externos (chorros de gas frío, pares magnéticos, estabilización de gradiente de gravedad, presión de radiación solar, etc.) o pares internos (ruedas de reacción, ruedas de impulso, giroscopios de impulso de control, etc.), denominados en lo sucesivo actuadores de intercambio de impulso. Otras soluciones mecánicas incluyen actuadores de anillo fluido y ruedas de reacción esféricas. Sin embargo, los actuadores más utilizados (es decir, las ruedas de reacción y los giroscopios de impulso de control) consumen cantidades no despreciables de energía, además de requerir un tiempo considerable para colocar el satélite en la orientación correcta. Currently, there are different systems to manage, store and deliver angular momentum, using external torques (cold gas jets, magnetic torques, gravity gradient stabilization, solar radiation pressure, etc.) or internal torques (reaction wheels, impulse wheels, control impulse gyros, etc.), hereafter referred to as momentum exchange actuators. Other mechanical solutions include fluid ring actuators and spherical reaction wheels. However, the most commonly used actuators (i.e. reaction wheels and control impulse gyros) consume non-negligible amounts of energy, in addition to requiring considerable time to place the satellite in the correct orientation.

Existe la necesidad de proporcionar sistemas de control de actitud mejorados para vehículos en microgravedad, gravedad cero o cualquier condición libre de par que reduzca el consumo de energía y tiempo de las maniobras de actitud. Esto es especialmente acertado en el caso de los satélites pequeños, como los cubesats, debido a sus escasos recursos energéticos propios. Además, la posibilidad de incorporar satélites más ágiles en una constelación reducirá la cantidad de naves espaciales que hay que fabricar, lanzar y mantener, lo que reducirá considerablemente el coste total de la misión. There is a need to provide improved attitude control systems for vehicles in microgravity, zero gravity or any torque-free conditions that will reduce the energy consumption and time of attitude manoeuvres. This is particularly true for small satellites such as cubesats due to their limited inherent energy resources. In addition, the ability to incorporate more agile satellites into a constellation will reduce the number of spacecraft that need to be manufactured, launched and maintained, which will significantly reduce the overall mission cost.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un sistema, un método y un producto de programa informático para mejorar el control de actitud de un vehículo en cualquier condición sin par de torsión (por ejemplo, microgravedad, gravedad cero) que proporciona aumentos significativos de rendimiento energético y temporal en maniobras de actitud. The present invention relates to a system, method and computer program product for improving attitude control of a vehicle in any torque-free condition (e.g., microgravity, zero gravity) that provides significant energy and time efficiency increases in attitude maneuvers.

Ninguno de los sistemas actuales de control de actitud se aprovecha del fenómeno Dzhanibekov (DZH), que es un giro periódico de 180 grados que ocurre naturalmente en un cuerpo rígido girando alrededor de su eje intermedio de inercia. El fenómeno DZH se puede controlar con un subsistema de transformación de inercia configurando el tensor de inercia derecho para activar (movimiento de volteo periódico de 180 grados) o desactivar (rotación estable) el fenómeno. La eficiencia energética, con un ahorro energético de hasta el 80 %, se logra combinando el efecto DZH con la tecnología actual de intercambio de impulso. Comparativamente, el tiempo de maniobra se puede reducir utilizándolo como un criterio objetivo en lugar del consumo de energía. Una combinación de ahorro de energía y tiempo también es posible al comprometer sus ganancias individuales respectivas y obtener una compensación entre las necesidades de energía y tiempo en una misión específica. Tenga en cuenta que el controlador propuesto a cargo de la maniobra de actitud tiene un grado más de libertad (tiempo de inicio de control dentro del período DZH), dejando que el efecto DZH ayude a las maniobras. None of the current attitude control systems take advantage of the Dzhanibekov phenomenon (DZH), which is a naturally occurring periodic 180-degree flip of a rigid body rotating around its intermediate axis of inertia. The DZH phenomenon can be controlled with an inertial transformation subsystem by setting the right inertial tensor to either turn on (180-degree periodic flip motion) or turn off (stable rotation) the phenomenon. Energy efficiency, with energy savings of up to 80%, is achieved by combining the DZH effect with current momentum exchange technology. Comparatively, maneuver time can be reduced by using it as an objective criterion instead of energy consumption. A combination of energy and time savings is also possible by compromising their respective individual gains and obtaining a trade-off between energy and time needs on a specific mission. Note that the proposed controller in charge of attitude maneuver has one more degree of freedom (control start time within the DZH period), letting the DZH effect assist the maneuvers.

El sistema para mejorar el control de actitud de un vehículo en condiciones sin par de torsión comprende una unidad de sensor de actitud para medir el estado angular del vehículo, actuadores de intercambio de impulso para intercambiar impulso con el vehículo para el control de actitud, y un ordenador de a bordo. El ordenador de a bordo incluye una unidad de control, un módulo de guía configurado para obtener un estado angular objetivo, y un módulo de navegación configurado para obtener un estado angular estimado a partir del estado angular medido. La unidad de control está configurada para, tras la recepción del estado angular objetivo, comprobar la aparición de un estado de rotación sobre el eje intermedio de inercia del vehículo (es decir, efecto DZH), y en ese caso: Caracterizar el efecto DZH, obteniendo al menos un período DZH y el estado actual de la nave espacial dentro del período DZH; calcular al menos un intervalo de tiempo de activación durante el período DZH; y ejecute una maniobra de actitud del vehículo accionando uno o más actuadores de intercambio de impulso del vehículo durante cada intervalo de tiempo hasta que se alcance el estado angular deseado de dicho intervalo de tiempo. The system for improving attitude control of a vehicle under torque-free conditions comprises an attitude sensor unit for measuring the angular state of the vehicle, momentum exchange actuators for exchanging momentum with the vehicle for attitude control, and an on-board computer. The on-board computer includes a control unit, a guidance module configured to obtain a target angular state, and a navigation module configured to obtain an estimated angular state from the measured angular state. The control unit is configured to, upon receipt of the target angular state, check for the occurrence of a state of rotation about the intermediate axis of inertia of the vehicle (i.e., DZH effect), and in that case: characterize the DZH effect, by obtaining at least one DZH period and the current state of the spacecraft within the DZH period; calculate at least one activation time interval during the DZH period; and execute an attitude maneuver of the vehicle by actuating one or more momentum exchange actuators of the vehicle during each time interval until the desired angular state of said time interval is reached.

El sistema también puede incluir una pluralidad de actuadores de transformación de inercia configurados para activar o desactivar el efecto DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo. De este modo, si el efecto DZH no está activo, la unidad de control puede configurarse para activar el efecto DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo y/o accionando actuadores de par interno o de par externo. The system may also include a plurality of inertia transformation actuators configured to activate or deactivate the DZH effect by changing the mass distribution within the vehicle. Thus, if the DZH effect is not active, the control unit may be configured to activate the DZH effect by changing the mass distribution within the vehicle and/or by actuating internal torque or external torque actuators.

El método para mejorar el control de la actitud de un vehículo en condiciones libres de par requiere obtener un estado angular objetivo; comprobar la ocurrencia de un estado de rotación sobre el eje intermedio de inercia del vehículo (es decir, efecto DZH), y en ese caso: Caracterizar el efecto DZH, obtener al menos un período DZH; calcular al menos un intervalo de tiempo de activación durante el período DZH; y ejecutar una maniobra de actitud del vehículo accionando una pluralidad de actuadores de intercambio de impulso del vehículo durante al menos un intervalo de tiempo de activación. El producto de programa de ordenador para mejorar el control de actitud de un vehículo en condiciones sin par de torsión comprende instrucciones de código de ordenador que, cuando son ejecutadas por un procesador, hacen que el procesador lleve a cabo este método. The method for improving attitude control of a vehicle under torque-free conditions requires obtaining a target angular state; checking for the occurrence of a state of rotation about the intermediate axis of inertia of the vehicle (i.e., DZH effect), and in that case: characterizing the DZH effect, obtaining at least one DZH period; calculating at least one activation time interval during the DZH period; and executing an attitude maneuver of the vehicle by actuating a plurality of momentum exchange actuators of the vehicle during at least one activation time interval. The computer program product for improving attitude control of a vehicle under torque-free conditions comprises computer code instructions that, when executed by a processor, cause the processor to perform this method.

Además, los actuadores de inercia-morfismo permiten desaturar los actuadores de intercambio de impulso, evitando la necesidad de utilizar un subsistema de propulsión o pares magnéticos, y prolongando la vida útil de cualquier satélite en órbita. La desaturación de los actuadores de intercambio de impulso se lleva a cabo mediante el control de la velocidad de rotación de los actuadores de intercambio de impulso y, si la rotación de los actuadores de intercambio de impulso es superior a un umbral de saturación, liberando una cierta cantidad de masa del vehículo giratorio propulsado por fuerzas de inercia y/o accionando los actuadores de transformación de inercia para reasignar el impulso angular total entre la estructura primaria y los actuadores de intercambio de impulso. In addition, inertia-morph actuators allow desaturation of the momentum exchange actuators, avoiding the need for a propulsion subsystem or magnetic torques, and prolonging the lifetime of any satellite in orbit. Desaturation of the momentum exchange actuators is accomplished by controlling the rotation rate of the momentum exchange actuators and, if the rotation of the momentum exchange actuators is greater than a saturation threshold, by releasing a certain amount of mass from the inertially propelled rotating vehicle and/or by actuating the inertial transformation actuators to reallocate the total angular momentum between the primary structure and the momentum exchange actuators.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que están expresamente relacionados con una encarnación de dicha invención, presentados como un ejemplo no limitante de la misma, se describen muy brevemente a continuación. A series of drawings that help to better understand the invention and that are expressly related to an embodiment of said invention, presented as a non-limiting example thereof, are very briefly described below.

La figura 1 muestra un sistema para mejorar el control de actitud de un vehículo en condiciones de microgravedad, gravedad cero o cualquier condición sin par de torsión, según una realización. Figure 1 shows a system for improving attitude control of a vehicle under microgravity, zero gravity, or any torque-free condition, according to one embodiment.

La figura 2 representa un método para mejorar el control de actitud de un vehículo en condiciones de microgravedad, gravedad cero o cualquier condición sin par de torsión según una realización. Figure 2 depicts a method for improving attitude control of a vehicle under microgravity, zero gravity, or any torque-free condition according to one embodiment.

La figura 3 muestra en detalle los pasos para ejecutar la maniobra de actitud de acuerdo con una realización. Figure 3 shows in detail the steps for executing the attitude maneuver according to one embodiment.

La figura 4 muestra el sistema de control de actitud mejorado con actuadores de transformación de inercia. Figure 4 shows the improved attitude control system with inertial transformation actuators.

La figura 5 muestra el sistema de control de actitud mejorado que incluye dos masas móviles como actuadores de transformación de inercia y tres ruedas de reacción en configuración ortogonal como actuadores de intercambio de impulso. Figure 5 shows the improved attitude control system including two movable masses as inertial transformation actuators and three reaction wheels in orthogonal configuration as momentum exchange actuators.

La figura 6 representa la realización de un subsistema para desaturar los actuadores de intercambio de impulso. Figure 6 represents the implementation of a subsystem to desaturate the impulse exchange actuators.

La figura 7A muestra esquemáticamente una nave espacial con tres ruedas de reacción y dos masas móviles. La figura 7B muestra los ángulos de Euler siguiendo el orden de rotación x-yz. Figure 7A shows a schematic of a spacecraft with three reaction wheels and two moving masses. Figure 7B shows the Euler angles following the x-yz rotation order.

La figura 8 muestra una maniobra de actitud ejemplar. Figure 8 shows an exemplary attitude maneuver.

Las figuras 9A a 9F muestran el ahorro de energía (gráfico izquierdo) y el ahorro de tiempo (gráfico derecho) para maniobras de actitud múltiple, cada gráfico correspondiente a un ángulo fijo de ^ Euler y como una función de los otros dos ángulos de Euler (0,$). Figures 9A through 9F show the energy savings (left graph) and time savings (right graph) for multi-attitude maneuvers, each graph corresponding to a fixed ^ Euler angle and as a function of the other two Euler angles (0,$).

La figura 10A muestra las velocidades angulares durante un período DZH sin accionamiento de las ruedas de reacción. La figura 10B muestra el número total de maniobras en comparación con las maniobras con ganancia de energía. La figura 10C muestra el porcentaje de maniobras con ganancia de energía. La figura 10D muestra la ganancia de energía promedio de las maniobras. Figure 10A shows the angular velocities during a DZH period without reaction wheel drive. Figure 10B shows the total number of maneuvers compared to maneuvers with energy gain. Figure 10C shows the percentage of maneuvers with energy gain. Figure 10D shows the average energy gain of the maneuvers.

La figura 11A muestra el número total de maniobras en comparación con las maniobras con ganancia de tiempo. La figura 11B muestra el porcentaje de maniobras con ganancia de tiempo. La figura 11C muestra el tiempo promedio de ganancia de las maniobras. Figure 11A shows the total number of maneuvers compared to the time-gain maneuvers. Figure 11B shows the percentage of time-gain maneuvers. Figure 11C shows the average time-gain of the maneuvers.

Las figuras 12A a 12C representan diferentes ejemplos de actuadores de transformación de inercia: Masas móviles interiores (figura 12A), masas móviles exteriores (figura 12C), base líquida (figura 12B). Figures 12A to 12C represent different examples of inertia transformation actuators: Internal moving masses (Figure 12A), external moving masses (Figure 12C), liquid base (Figure 12B).

Las figuras 13A a 13B muestran una simulación dinámica donde el efecto DZH se habilita moviendo las masas desde la posición inicial al origen. Figures 13A to 13B show a dynamic simulation where the DZH effect is enabled by moving the masses from the initial position to the origin.

Las figuras 14A a 14B muestran la actuación pasiva de las masas, utilizando fuerzas centrífugas, desde el origen hasta la posición final. Figures 14A to 14B show the passive action of the masses, using centrifugal forces, from the origin to the final position.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

La figura 1muestra un sistema 100 para mejorar el control de actitud de un vehículo 102 en condiciones libres de par (por ejemplo, un vehículo espacial en condiciones de microgravedad o gravedad cero, un vehículo en condiciones de caída libre, un vehículo montado en una instalación de rodamientos neumáticos o en un cardán de 3 ejes) de acuerdo con una encarnación de la presente divulgación. El sistema 100 se puede dividir en sensores 110, actuadores 120 y un ordenador de a bordo 130. 1 shows a system 100 for enhancing attitude control of a vehicle 102 under torque-free conditions (e.g., a spacecraft under microgravity or zero gravity conditions, a vehicle under free-fall conditions, a vehicle mounted on an air bearing installation or on a 3-axis gimbal) in accordance with one embodiment of the present disclosure. The system 100 may be divided into sensors 110, actuators 120, and an on-board computer 130.

Los sensores 110 son componentes de hardware que miden el estado del vehículo. Los sensores 110 comprenden una unidad de sensor de actitud 112 que comprende uno o más sensores de actitud (como unidades de medición inercial, magnetómetros, sensores solares, sensores de horizonte, etc.) configurados para medir repetidamente el estado angular del vehículo. En una realización, el estado angular medido 113 del vehículo incluye la actitud 0 y las velocidades angulares w con respecto a un marco de referencia del vehículo. Los actuadores 120 incluyen una pluralidad de actuadores de intercambio de impulso 122 configurados para intercambiar impulso (par de intercambio de impulso 104) con el vehículo 102 para el control de actitud. El sistema puede emplear cualquier actuador de control de actitud que intercambie el impulso con la estructura principal del vehículo, como ruedas de impulso, ruedas de reacción convencionales, ruedas de reacción esféricas, giroscopios de impulso de control o actuadores de anillo líquido. Aunque el vehículo puede incluir actuadores de par externo (magnetorreductores, propulsores, etc.), los actuadores de intercambio de impulso 122 preferiblemente no incluyen dichos actuadores de par externo porque el vehículo (por ejemplo, la nave espacial) no estaría en condiciones de par libre. Por lo tanto, cuando se ejecuta una maniobra de actitud del vehículo de acuerdo con la presente invención, dicha maniobra preferiblemente no incluye accionar los actuadores de par externo, si están presentes (en cambio, se accionan los actuadores de par interno). The sensors 110 are hardware components that measure the state of the vehicle. The sensors 110 comprise an attitude sensor unit 112 comprising one or more attitude sensors (such as inertial measurement units, magnetometers, sun sensors, horizon sensors, etc.) configured to repeatedly measure the angular state of the vehicle. In one embodiment, the measured angular state 113 of the vehicle includes the attitude 0 and angular velocities w relative to a reference frame of the vehicle. The actuators 120 include a plurality of momentum exchange actuators 122 configured to exchange momentum (momentum exchange pair 104) with the vehicle 102 for attitude control. The system may employ any attitude control actuator that exchanges momentum with the main structure of the vehicle, such as momentum wheels, conventional reaction wheels, spherical reaction wheels, control momentum gyroscopes, or liquid ring actuators. Although the vehicle may include external torque actuators (magneto-reducers, thrusters, etc.), the momentum exchange actuators 122 preferably do not include such external torque actuators because the vehicle (e.g., the spacecraft) would not be in a torque-free condition. Therefore, when executing a vehicle attitude maneuver in accordance with the present invention, such maneuver preferably does not include actuating the external torque actuators, if present (instead, the internal torque actuators are actuated).

El ordenador de a bordo 130 consta de una unidad de control 132, un módulo de guía 134 y un módulo de navegación 136. The on-board computer 130 consists of a control unit 132, a guidance module 134 and a navigation module 136.

El módulo de guía 134 está configurado para obtener un estado angular objetivo 135 (o estado angular exigido, la referencia a seguir; por ejemplo, los ángulos de Euler y las velocidades angulares que se deben alcanzar) y lo proporciona a la unidad de control 132. Dependiendo de la misión, el estado angular objetivo 135 puede ser decidido internamente por el ordenador de a bordo 130 o comandado desde una estación terrestre. El estado angular de un vehículo espacial se determina por los ángulos de Euler o cuaterniones y las velocidades angulares entre el marco del cuerpo del vehículo y cualquier otro marco de referencia (normalmente, inercial). The guidance module 134 is configured to obtain a target angular state 135 (or required angular state, the reference to be followed; for example, Euler angles and angular velocities to be reached) and provide it to the control unit 132. Depending on the mission, the target angular state 135 may be decided internally by the on-board computer 130 or commanded from a ground station. The angular state of a spacecraft is determined by the Euler angles or quaternions and the angular velocities between the vehicle's body frame and any other (usually inertial) reference frame.

El módulo de navegación 136 está configurado para obtener repetidamente un estado angular estimado 137 a partir del estado angular medido 113. El módulo de navegación 136 es un estimador del estado angular actual 106 del vehículo 102. Dado un estado angular medido y un modelo matemático dinámico del sistema, este módulo proporciona una estimación del estado. Ejemplos de módulos de navegación son filtros Kalman (lineales y extendidos) y estimadores de mínimos cuadrados. The navigation module 136 is configured to repeatedly obtain an estimated angular state 137 from the measured angular state 113. The navigation module 136 is an estimator of the current angular state 106 of the vehicle 102. Given a measured angular state and a dynamic mathematical model of the system, this module provides an estimate of the state. Examples of navigation modules are Kalman filters (linear and extended) and least squares estimators.

La unidad de control 132 puede ser implementada como un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra unidad de procesamiento de datos. La unidad de control 132 procesa la diferencia (error) entre el estado angular objetivo y el estado angular estimado del vehículo 139 para generar entradas de control 121 hacia el actuador de intercambio de impulso. La unidad de control 132 ejecuta un algoritmo que mejora el control de actitud del vehículo mediante la combinación de dispositivos tradicionales de intercambio de impulso con el efecto Dzhanibekov. El control de actitud mejorado permite ahorrar energía y/o tiempo en las maniobras. En el control de actitud mejorado, el vehículo inicia la maniobra con un estado de rotación alrededor del eje intermedio de inercia y termina la maniobra al alcanzar un estado angular objetivo. El estado angular de destino puede ser una actitud fija (por ejemplo, ángulos fijos de Euler) y/o un estado de rotación (por ejemplo, rotación constante sobre el eje del cuerpo X). The control unit 132 may be implemented as a microprocessor, microcontroller, or any other data processing unit. The control unit 132 processes the difference (error) between the target angular state and the estimated angular state of the vehicle 139 to generate control inputs 121 to the momentum exchange actuator. The control unit 132 executes an algorithm that improves the attitude control of the vehicle by combining traditional momentum exchange devices with the Dzhanibekov effect. The improved attitude control allows for energy and/or time savings in maneuvers. In the improved attitude control, the vehicle starts the maneuver with a state of rotation about the intermediate axis of inertia and ends the maneuver upon reaching a target angular state. The target angular state may be a fixed attitude (e.g., fixed Euler angles) and/or a state of rotation (e.g., constant rotation about the body axis X).

La unidad de control 132 está configurada para, tras la recepción del estado angular objetivo 135, comprobar la aparición del efecto Dzhanibekov (DZH) en el vehículo. El efecto DZH puede evaluarse comprobando que el vehículo está girando sobre su eje intermedio de inercia. Si el efecto DZH está activo, la unidad de control 132 se configura para caracterizar el efecto DZH utilizando una pluralidad de estados angulares estimados 137, dicha caracterización al menos incluyendo el período DZH (es decir, el período de la voltereta de 180 grados). La caracterización también puede incluir, entre otros parámetros, el tiempo relativo de las zonas de meseta en el movimiento de volteo del efecto DZH (las zonas de meseta son las regiones cuasi-planas de la velocidad angular w sobre el eje intermedio versus gráfico de tiempo), El estado actual de la nave espacial dentro del período DZH y la velocidad angular alrededor de cada eje. Una forma práctica de hacerlo es midiendo la evolución del estado angular mediante mediciones sucesivas. The control unit 132 is configured to, upon receipt of the target angular state 135, check for the occurrence of the Dzhanibekov effect (DZH) in the vehicle. The DZH effect may be assessed by checking that the vehicle is rotating about its intermediate axis of inertia. If the DZH effect is active, the control unit 132 is configured to characterize the DZH effect using a plurality of estimated angular states 137, said characterization at least including the DZH period (i.e., the period of the 180-degree flip). The characterization may also include, among other parameters, the relative timing of plateau zones in the flipping motion of the DZH effect (the plateau zones are the quasi-flat regions of the angular velocity w about the intermediate axis versus time graph), the current state of the spacecraft within the DZH period, and the angular velocity about each axis. A practical way to do this is by measuring the evolution of the angular state by successive measurements.

La unidad de control 132 se configura además para calcular uno o más intervalos de tiempo de activación At¡ durante el período DZH en el que se deben accionar los actuadores de intercambio de impulso 122, cada intervalo de tiempo At¡ definido por un tiempo de activación inicial y una duración. El número de franjas horarias At¡ puede ser un valor predefinido (por ejemplo, dos franjas horarias) o una variable que la unidad de control 132 también podrá evaluar. El límite superior para el número de intervalos de tiempo viene dado por la frecuencia de accionamiento del sistema. Los tiempos de activación iniciales son parámetros clave (la duración de cada intervalo de tiempo puede ser un parámetro o un valor fijo) que se evalúan para optimizar una figura de mérito (por ejemplo, la energía, el tiempo de maniobra, etc.) mediante la inclusión de estos parámetros como variables de diseño. De esta evaluación se obtendrá un conjunto de intervalos de tiempo óptimos. The control unit 132 is further configured to calculate one or more activation time slots At¡ during the DZH period in which the pulse exchange actuators 122 are to be actuated, each time slot At¡ defined by an initial activation time and a duration. The number of time slots At¡ may be a predefined value (e.g. two time slots) or a variable that the control unit 132 may also be able to evaluate. The upper limit for the number of time slots is given by the actuation frequency of the system. The initial activation times are key parameters (the duration of each time slot may be a parameter or a fixed value) that are evaluated to optimize a figure of merit (e.g. energy, maneuvering time, etc.) by including these parameters as design variables. From this evaluation a set of optimal time slots will be obtained.

La unidad de control 132 también está configurada para ejecutar una maniobra de actitud del vehículo accionando los actuadores de intercambio de impulso 122 durante al menos un intervalo de tiempo de activación calculado A t j . La combinación de los actuadores de intercambio de impulso 122 con el efecto DZH se produce a través de las franjas de tiempo de actuación. The control unit 132 is also configured to execute a vehicle attitude maneuver by actuating the pulse exchange actuators 122 for at least a calculated activation time interval A t j . The combination of the pulse exchange actuators 122 with the DZH effect occurs through the actuation time bands.

El vehículo 102 en la figura 1 es un bloque que representa la planta del sistema, es decir, donde se producen los efectos de las actuaciones. Las entradas de este bloque son los accionamientos de los actuadores 120 (par de intercambio de impulso 104) y las perturbaciones dinámicas 108 que dan cuenta de los pares externos ambientales 109 que afectan al vehículo 102, y la salida de este bloque es el nuevo estado angular 106. Vehicle 102 in Figure 1 is a block representing the plant of the system, i.e. where the effects of the actuations occur. The inputs of this block are the drives of the actuators 120 (pulse exchange torque 104) and the dynamic disturbances 108 accounting for the external environmental torques 109 affecting the vehicle 102, and the output of this block is the new angular state 106.

En una realización, para ejecutar la maniobra de actitud la unidad de control 132 inicia una maniobra de actitud para modificar el estado angular del vehículo hasta que alcanza, dentro de un cierto umbral, el estado angular objetivo 135. Cuando la hora actual t está dentro de un intervalo de tiempo de activación At<j>, la unidad de control 132 repetidamente (por ejemplo, periódicamente en pasos de tiempo predeterminados) obtiene el estado angular estimado actual 137 en el tiempo t, por ejemplo (<P<t>,wt ), calcula un error de estado angular 139 como la diferencia entre el estado angular objetivo 135 y el estado angular estimado actual 137, calcula una entrada de control 121 a los actuadores de intercambio de impulso 122 como una función del error de estado angular 139, y acciona los actuadores de intercambio de impulso 122 con la entrada de control calculada 121. El accionamiento de los actuadores de intercambio de impulso 122 se puede llevar a cabo a través de un controlador 138. La unidad de control 132 está configurada para finalizar la maniobra de actitud cuando el error de estado angular 139 es menor o igual que un umbral. Esto se puede comprobar en cada iteración de paso de tiempo (por ejemplo, antes de comprobar si la hora actual t se encuentra dentro de un intervalo de tiempo de activación At<j>). In one embodiment, to execute the attitude maneuver the control unit 132 initiates an attitude maneuver to modify the angular state of the vehicle until it reaches, within a certain threshold, the target angular state 135. When the current time t is within an activation time interval At<j>, the control unit 132 repeatedly (e.g., periodically at predetermined time steps) obtains the current estimated angular state 137 at time t, e.g. (<P<t>,wt ), calculates an angular state error 139 as the difference between the target angular state 135 and the current estimated angular state 137, calculates a control input 121 to the pulse exchange actuators 122 as a function of the angular state error 139, and actuates the pulse exchange actuators 122 with the calculated control input 121. Actuation of the pulse exchange actuators 122 may be accomplished via a controller 138. The control unit 132 is configured to terminate the attitude maneuver when the angular state error 139 is less than or equal to a threshold. This may be checked at each time step iteration (e.g., before checking whether the current time t lies within an activation time interval At<j>).

La figura 2es un diagrama de flujo de un método 200 para mejorar el control de actitud de un vehículo en condiciones libres de par según una realización. El método 200 comprende la obtención de 210 un estado angular objetivo 135, comprobando la ocurrencia 220 de un estado rotacional sobre el eje intermedio de inercia del vehículo, efecto DZH, y en ese caso caracterizar 230 el efecto DZH, obteniendo al menos un período del efecto DZH (período DZH 232). El período DZH 232 se puede calcular utilizando una pluralidad de estados angulares estimados 137. El método 200 comprende además el cálculo de 240 al menos un intervalo de tiempo de activaciónAtj 242 durante el período DZH en el que se debe accionar una pluralidad de actuadores de intercambio de impulso del vehículo. Finalmente, se ejecuta una maniobra de actitud 250 accionando uno o varios actuadores de intercambio de impulso 122 del vehículo durante al menos un intervalo de tiempo de activaciónAtj . En una realización, los actuadores de intercambio de impulso 122 se accionan como una función del error de estado angular 139, de acuerdo con una estrategia de control determinada (por ejemplo, utilizando un controlador PID o un controlador predictivo de modelo (MPC)). 2 is a flow chart of a method 200 for improving attitude control of a vehicle under torque-free conditions according to one embodiment. The method 200 comprises obtaining 210 a target angular state 135, checking for the occurrence 220 of a rotational state about the intermediate axis of inertia of the vehicle, DZH effect, and then characterizing 230 the DZH effect by obtaining at least one period of the DZH effect (DZH period 232). The DZH period 232 may be calculated using a plurality of estimated angular states 137. The method 200 further comprises calculating 240 at least one activation time interval Atj 242 during the DZH period in which a plurality of vehicle momentum exchange actuators are to be actuated. Finally, an attitude maneuver 250 is executed by actuating one or more of the vehicle's momentum swapping actuators 122 for at least one activation time interval Atj. In one embodiment, the momentum swapping actuators 122 are actuated as a function of the angular state error 139, according to a given control strategy (e.g., using a PID controller or a model predictive controller (MPC)).

Los intervalos de tiempo de activación At<j>se calculan en base a un procedimiento de optimización que incluye (i) una función objetiva que depende de una o más cifras de rendimiento de mérito, y (ii) un conjunto de variables de diseño al menos incluyendo el inicio de cada intervalo de tiempo de activaciónAtj . En un ejemplo que se describirá más adelante, se considera una ranura de activación única, la función objetivo implica minimizar el error de actitud final, y las variables de diseño son el tiempo de activación inicial tr de la ranura de activación única y otros parámetros de control, En particular, las ganancias (KP, K<¡>yKD) de un controlador PID utilizado para controlar los actuadores intercambiados por impulso 122. Como resultado de este proceso de optimización ejemplar, se calculan las variables de diseño (KP, K<¡>,Kd ,tr )que minimizan la función objetivo. The activation time intervals At<j>are calculated based on an optimization procedure including (i) an objective function dependent on one or more performance figures of merit, and (ii) a set of design variables at least including the start of each activation time interval Atj . In an example to be described later, a single activation slot is considered, the objective function involves minimizing the final attitude error, and the design variables are the initial activation time tr of the single activation slot and other control parameters, in particular, the gains (K<¡>, K<¡>, and Kd) of a PID controller used to control the pulse-reciprocated actuators 122. As a result of this exemplary optimization process, design variables (K<¡>, Kd, tr) that minimize the objective function are calculated.

La figura 3representa, según una realización, los pasos de ejecución de 250 la maniobra de actitud. Una vez iniciada la maniobra de actitud 302, se comprueba 310 si el tiempo actual t está dentro de un intervalo de tiempo de activación At<j .>En ese caso, el método comprende repetida o iterativamente: Obtener 320 un estado angular estimado actual 137 (es decir, en el impulso actual t), por ejemplo, midiendo repetidamente un estado angular del vehículo y obteniendo repetidamente un estado angular estimado 137 del estado angular medido 113; calculando 330 un error de estado angular 139 como la diferencia entre el estado angular objetivo 135 y el estado angular estimado actual 137; calculando 340 una entrada de control 121 a los actuadores de intercambio de impulso 122 como una función del error de estado angular 139; y accionando 350 los actuadores de intercambio de impulso 122 utilizando la entrada de control 121. A continuación, se comprueba 360 si el error de estado angular 139 es menor o igual que un umbral predeterminado. En ese caso, el vehículo ha alcanzado el estado angular exigido y la maniobra de actitud se ha terminado 370; de lo contrario, se vuelve a comprobar 310 si el tiempo actual t está todavía dentro del intervalo de tiempo de activación Atj. El cálculo 340 de la entrada de control 121 como función del error de estado angular 139 lo realiza el controlador 138 (por ejemplo, un controlador PID o un controlador predictivo de modelo (MPC)). Existen muchas técnicas de control (lineales, no lineales, basadas en el aprendizaje automático, basadas en el cálculo de una trayectoria óptima a través de varios puntos de referencia, etc.) que se pueden utilizar para controlar los actuadores de intercambio de impulso para alcanzar un estado angular exigido. 3 depicts, according to one embodiment, the steps of executing the attitude maneuver 250. After the attitude maneuver 302 is initiated, a check 310 is made as to whether the current time t is within an activation time interval At<j. If so, the method repeatedly or iteratively comprises: Obtaining 320 a current estimated angular state 137 (i.e., at the current pulse t), for example, by repeatedly measuring an angular state of the vehicle and repeatedly obtaining an estimated angular state 137 from the measured angular state 113; calculating 330 an angular state error 139 as the difference between the target angular state 135 and the current estimated angular state 137; calculating 340 a control input 121 to the pulse exchange actuators 122 as a function of the angular state error 139; and actuating 350 the pulse exchange actuators 122 using the control input 121. Next, a check is made 360 as to whether the angular state error 139 is less than or equal to a predetermined threshold. In that case, the vehicle has reached the required angular state and the attitude maneuver is terminated 370; otherwise, a check is made again 310 as to whether the current time t is still within the activation time interval Atj. The calculation 340 of the control input 121 as a function of the angular state error 139 is performed by the controller 138 (e.g., a PID controller or a model predictive controller (MPC)). There are many control techniques (linear, nonlinear, based on machine learning, based on calculating an optimal path through several reference points, etc.) that can be used to control the pulse exchange actuators to reach a required angular state.

Opcionalmente, la ejecución de 250 la maniobra de actitud puede comprender, cuando el tiempo actual t no está dentro de un intervalo de tiempo de activación At¿, obteniendo 380 un estado angular estimado actual 137, y recalcular 390 los intervalos de tiempo de activación Atj basados en la evolución del estado angular del vehículo. Esta operación se realiza para tener en cuenta las perturbaciones dinámicas 108 (por ejemplo, perturbaciones en órbita) que harán que el vehículo se desvíe del comportamiento asumido. Estos pasos opcionales se representan en líneas discontinuas en la figura 3. Optionally, the execution of the attitude maneuver may comprise, when the current time t is not within an activation time interval At¿, obtaining 380 a current estimated angular state 137, and recalculating 390 the activation time intervals Atj based on the evolution of the angular state of the vehicle. This operation is performed to take into account dynamic perturbations 108 (e.g., perturbations in orbit) that will cause the vehicle to deviate from the assumed behavior. These optional steps are depicted in dashed lines in Figure 3.

Como se muestra en el diagrama de flujo de la figura 2, para la ejecución de la maniobra de actitud el estado inicial del vehículo debe ser una rotación a cualquier velocidad angular sobre el eje intermedio para que el efecto DZH ocurra naturalmente, y este efecto se puede combinar con el accionamiento de los actuadores de intercambio de impulso 122. Hay diferentes maneras de lograr esta condición inicial: As shown in the flow chart of Figure 2, for the execution of the attitude maneuver the initial state of the vehicle must be a rotation at any angular speed about the intermediate axis for the DZH effect to occur naturally, and this effect can be combined with the actuation of the impulse exchange actuators 122. There are different ways to achieve this initial condition:

• Mediante el uso de actuadores de par externo, como pares magnéticos, propulsores, etc. El par externo aplicado sobre el vehículo durante algún tiempo hará que el vehículo gire a la velocidad angular deseada. Por ejemplo, los actuadores de par externo se pueden utilizar en primer lugar para cancelar la caída de una nave espacial justo después del lanzamiento y luego para establecer la velocidad angular deseada. • By using external torque actuators such as magnetic torques, thrusters, etc. The external torque applied on the vehicle for some time will cause the vehicle to spin at the desired angular velocity. For example, external torque actuators can be used first to cancel the spin of a spacecraft just after launch and then to set the desired angular velocity.

• Mediante el uso de actuadores de transformación de inercia para asignar todo el impulso angular del vehículo (por ejemplo, una nave espacial inicialmente derrumbada) en el eje intermedio de inercia. • By using inertial transformation actuators to assign the entire angular momentum of the vehicle (e.g., an initially collapsed spacecraft) to the intermediate axis of inertia.

• Mediante el uso de las condiciones de liberación de los sistemas de lanzamiento de la nave espacial. En este caso, se darán las condiciones iniciales y no hay necesidad de hardware adicional en el sistema. • By using the release conditions of the spacecraft launch systems. In this case, the initial conditions will be met and there is no need for additional hardware in the system.

El sistema 100 puede comprender una pluralidad de actuadores de transformación de inercia configurados para activar o desactivar el efecto DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo. Del mismo modo, el método 200 puede comprender la activación del efecto DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo.La figura 4muestra una realización del sistema 100 incluyendo los actuadores de transformación de inercia 422 que se pueden utilizar para establecer el estado inicial en el que está presente el efecto DZH. En esta realización, el sistema 100 comprende además una pluralidad de sensores de inercia 412 y un gestor de transformación de inercia 432. The system 100 may comprise a plurality of inertial transformation actuators configured to activate or deactivate the DZH effect by changing the mass distribution within the vehicle. Similarly, the method 200 may comprise activating the DZH effect by changing the mass distribution within the vehicle. Figure 4 shows an embodiment of the system 100 including inertial transformation actuators 422 that may be used to establish the initial state in which the DZH effect is present. In this embodiment, the system 100 further comprises a plurality of inertial sensors 412 and an inertial transformation manager 432.

Los actuadores de transformación de inercia 422 son un conjunto de actuadores configurados para modificar el tensor de inercia del vehículo cambiando su distribución de masa (por ejemplo, el movimiento de transformación de inercia 404). Los actuadores de transformación de inercia 422 pueden ser internos o externos a la estructura primaria del vehículo. En una realización que se muestra en lafigura 5(que representa un sistema de control de actitud mejorado 100 para un vehículo espacial 102 que incluye tres ruedas de reacción en configuración ortogonal como actuadores de intercambio de impulso 122), Los actuadores de transformación de inercia 422 comprenden un conjunto de al menos dos brazos extensibles 502 que pueden extenderse y retraerse, al menos dos masas móviles 504 colocadas a lo largo de los brazos extensibles 502 y sensores de inercia 412 configurados para medir la posición de los brazos extensibles 502. Inertial transformation actuators 422 are a set of actuators configured to modify the inertial tensor of the vehicle by changing its mass distribution (e.g., inertial transformation motion 404). Inertial transformation actuators 422 may be internal or external to the primary structure of the vehicle. In one embodiment shown in FIG. 5 (which depicts an improved attitude control system 100 for a spacecraft 102 that includes three orthogonally configured reaction wheels as momentum exchange actuators 122), inertial transformation actuators 422 comprise a set of at least two extendable and retractable arms 502, at least two movable masses 504 positioned along the extendable arms 502, and inertial sensors 412 configured to measure the position of the extendable arms 502.

Los sensores de inercia 412 están configurados para medir variables indirectas utilizadas para calcular las características de inercia del vehículo (tensor de inercia medido 413). Por ejemplo, el cambio de inercia con respecto a un caso nominal se puede calcular conociendo la longitud y la masa de un par de brazos extensibles 502. Los sensores de inercia 412 pueden incluir sensores de longitud, codificadores angulares, sensores de caudal másico, etc. The inertial sensors 412 are configured to measure indirect variables used to calculate the inertial characteristics of the vehicle (measured inertia tensor 413). For example, the change in inertia relative to a nominal case can be calculated by knowing the length and mass of a pair of extendable arms 502. The inertial sensors 412 may include length sensors, angular encoders, mass flow sensors, etc.

El gestor de transformación de inercia 432 es un módulo configurado para recibir el tensor de inercia medido 413 y decidir el modo de funcionamiento de los actuadores de transformación de inercia 422. El gestor de transformación de inercia 432 es el encargado de controlar los actuadores de transformación de inercia 422 de acuerdo con un tensor de inercia exigido 434. The inertia transformation manager 432 is a module configured to receive the measured inertia tensor 413 and decide the operating mode of the inertia transformation actuators 422. The inertia transformation manager 432 is responsible for controlling the inertia transformation actuators 422 according to a required inertia tensor 434.

En la realización de la figura 4, el gestor de transformación de inercia 432 envía el tensor de inercia exigido 434 a la unidad de control 132, que está configurada para comandar los actuadores de transformación de inercia 422 utilizando una señal de control (entrada de control de inercia 421). El controlador 138 utilizado para controlar los actuadores de intercambio de impulso 122 también puede ser el encargado de controlar los actuadores de transformación de inercia 422; alternativamente, se puede emplear un controlador diferente dedicado. En otra realización, el gestor de transformación de inercia 432 puede controlar directamente los actuadores de transformación de inercia 422 (el gestor de transformación de inercia 432 puede estar integrado en la unidad de control 132). In the embodiment of Figure 4, the inertia transformation manager 432 sends the required inertia tensor 434 to the control unit 132, which is configured to command the inertia transformation actuators 422 using a control signal (inertia control input 421). The controller 138 used to control the momentum exchange actuators 122 may also be responsible for controlling the inertia transformation actuators 422; alternatively, a different dedicated controller may be employed. In another embodiment, the inertia transformation manager 432 may directly control the inertia transformation actuators 422 (the inertia transformation manager 432 may be integrated into the control unit 132).

Los actuadores de transformación de inercia 422 se pueden utilizar para activar y/o desactivar el efecto Dzhanibekov. Además, también se pueden utilizar para desaturar los actuadores de intercambio de impulso 122. En una realización, el sistema 100 incluye dos modos de funcionamiento de los actuadores de transformación de inercia 422: Efecto DZH ACTIVADO (el efecto está activo en el eje de rotación, es decir, la aparición de giros periódicos de 180 grados); efecto DZH DESACTIVADO (el efecto no está activo en el eje de rotación). En otra realización, el sistema 100 incluye los siguientes tres modos de funcionamiento de los actuadores de transformación de inercia 422: Efecto DZH ACTIVADO; efecto DZH DESACTIVADO; desaturación de los actuadores de intercambio de impulso (los actuadores de transformación de inercia lanzan masa fuera del vehículo para eliminar el impulso angular que se ha acumulado debido a perturbaciones externas). The inertial transformation actuators 422 may be used to activate and/or deactivate the Dzhanibekov effect. In addition, they may also be used to desaturate the momentum exchange actuators 122. In one embodiment, the system 100 includes two modes of operation of the inertial transformation actuators 422: DZH effect ON (the effect is active on the axis of rotation, i.e., the occurrence of periodic 180 degree turns); DZH effect OFF (the effect is not active on the axis of rotation). In another embodiment, the system 100 includes the following three modes of operation of the inertial transformation actuators 422: DZH effect ON; DZH effect OFF; desaturation of the momentum exchange actuators (the inertial transformation actuators throw mass outside of the vehicle to remove angular momentum that has built up due to external disturbances).

Los actuadores de transformación de inercia 422 son elementos opcionales en el sistema 100 ya que las condiciones iniciales (efecto DHZ) y el funcionamiento completo se pueden lograr sin ellos. Sin embargo, su presencia es muy conveniente especialmente para estos tres usos: The inertia transformation actuators 422 are optional elements in the system 100 since the initial conditions (DHZ effect) and the complete operation can be achieved without them. However, their presence is very convenient especially for these three uses:

1. Pueden ayudar a lograr las condiciones iniciales convirtiendo una nave espacial que se derrumba en una nave espacial que gira suavemente sobre el eje deseado. Esto evitará el uso de actuadores de par externo para detumble la nave espacial y establecer las condiciones iniciales correctas. 1. They can help achieve initial conditions by turning a collapsing spacecraft into a spacecraft that rotates smoothly about the desired axis. This will avoid the use of external torque actuators to detumble the spacecraft and establish the correct initial conditions.

2. Pueden cambiar el papel entre los ejes de inercia menor, intermedio y mayor cambiando la inercia habitualmente. Esto es especialmente interesante para hacer que el eje de rotación (uno de los ejes del cuerpo) sea el intermedio o el mayor dependiendo del modo de operación. Por ejemplo, para utilizar el sistema de control de actitud mejorado, este eje debe ser el intermedio; y para lograr un giro constante, este eje debe ser el principal. 2. They can switch roles between minor, intermediate and major axes of inertia by changing the inertia on a regular basis. This is especially interesting to make the rotation axis (one of the body axes) the intermediate or major axis depending on the operation mode. For example, to use the enhanced attitude control system, this axis must be the intermediate axis; and to achieve a constant turn, this axis must be the main axis.

3. Pueden desaturar los dispositivos de intercambio de impulso mejorando su funcionamiento más allá del ahorro de energía y tiempo durante las maniobras de actitud, si se utilizan en combinación con actuadores de liberación de masa. El proceso de desaturación se logra mediante un conjunto de actuadores de transformación de inercia que pueden activar actuadores de liberación de masa una vez que se colocan en el lugar correcto. 3. They can desaturate momentum exchange devices, improving their operation beyond energy and time savings during attitude maneuvers, if used in combination with mass release actuators. The desaturation process is achieved by a set of inertial transformation actuators that can activate mass release actuators once they are placed in the correct location.

El sistema 100 puede incluir un subsistema para desaturar los actuadores de intercambio de impulso en un vehículo. Lafigura 6representa la realización de un subsistema para desaturar los actuadores de intercambio de impulso 122 en un vehículo (por ejemplo, una nave espacial) utilizando los actuadores de transformación de inercia 422. Una serie de sensores 602 monitorean la velocidad de rotación de los actuadores de intercambio de impulso 122 y envían una señal de advertencia 604 cuando la rotación de estado estacionario de estos actuadores está alcanzando su límite (cuando es superior a un umbral de saturación). Una vez que este es el caso, significa que los actuadores de intercambio de impulso 122 están a punto de saturarse y comienza el procedimiento de desaturación. En primer lugar, los sensores 602 envían un orden de desplazamiento 606 a los actuadores de transformación de inercia 422, que se mueven desde su posición inicial a una posición objetivo de acuerdo con la cantidad de impulso angular que se va a liberar. La posición de estos actuadores se ajusta con la ayuda de los sensores de inercia 412, que controlan la posición de los actuadores de transformación de inercia 422. Cuando los actuadores de transformación de inercia 422 están en la posición objetivo, los actuadores de liberación de masa 610 se activan (por ejemplo, mediante una señal enviada desde el gestor de transformación de inercia 432 o la unidad de control 132), que liberan masa según la cantidad de impulso angular necesario para liberarse. Físicamente, esto implicará una reducción en el impulso angular de la nave espacial, ya que parte de ella ha sido liberada al espacio. Cuanto mayor sea la masa liberada y su distancia desde el centro de gravedad durante la liberación, más impulso angular se eliminará del vehículo. De acuerdo con este nuevo impulso angular, los actuadores de intercambio de impulso 122 reducirán su velocidad angular, evitando la saturación. Hay otra forma de desaturar los actuadores de intercambio de impulso 122 utilizando los actuadores de transformación de inercia 422 y no utilizando los actuadores de liberación de masa 610. Para una velocidad angular objetivo del vehículo, es posible transferir el impulso angular de los actuadores de intercambio de impulso 122, logrando su desaturación, a la estructura primaria accionando únicamente los actuadores de transformación de inercia 422. La realización que se muestra en la figura 6, evitando la parte de liberar masa del vehículo, también es válida para este procedimiento de desaturación alternativo. En este caso, se conserva el impulso angular total del vehículo contenido en la estructura primaria y los actuadores de intercambio de impulso. Sin embargo, se gestiona de tal manera que los actuadores de intercambio de impulso 122 se desaturan manteniendo constante la velocidad angular de la estructura primaria. The system 100 may include a subsystem for desaturating the momentum exchange actuators in a vehicle. Figure 6 depicts the embodiment of a subsystem for desaturating the momentum exchange actuators 122 in a vehicle (e.g., a spacecraft) using the inertial transformation actuators 422. A series of sensors 602 monitor the rotational speed of the momentum exchange actuators 122 and send a warning signal 604 when the steady-state rotation of these actuators is reaching its limit (when it is higher than a saturation threshold). Once this is the case, it means that the momentum exchange actuators 122 are about to saturate and the desaturation procedure begins. First, the sensors 602 send a displacement command 606 to the inertial transformation actuators 422, which move from their initial position to a target position according to the amount of angular momentum to be released. The position of these actuators is adjusted with the help of the inertial sensors 412, which monitor the position of the inertial transformation actuators 422. When the inertial transformation actuators 422 are in the target position, the mass release actuators 610 are activated (for example, by a signal sent from the inertial transformation manager 432 or the control unit 132), which release mass according to the amount of angular momentum needed to be released. Physically, this will involve a reduction in the angular momentum of the spacecraft, since some of it has been released into space. The greater the released mass and its distance from the center of gravity during release, the more angular momentum will be removed from the vehicle. According to this new angular momentum, the momentum exchange actuators 122 will reduce their angular velocity, avoiding saturation. There is another way to desaturate the momentum exchange actuators 122 by using the inertia transformation actuators 422 and not by using the mass release actuators 610. For a target angular velocity of the vehicle, it is possible to transfer the angular momentum of the momentum exchange actuators 122, achieving its desaturation, to the primary structure by actuating only the inertia transformation actuators 422. The embodiment shown in Figure 6, avoiding the mass release part of the vehicle, is also valid for this alternative desaturation procedure. In this case, the total angular momentum of the vehicle contained in the primary structure and the momentum exchange actuators is preserved. However, it is managed in such a way that the momentum exchange actuators 122 are desaturated while keeping the angular velocity of the primary structure constant.

Del mismo modo, el método 200 puede comprender además la desaturación de los actuadores de intercambio de impulso 122 mediante la supervisión de la velocidad de rotación de los actuadores de intercambio de impulso 122 y, si la rotación de los actuadores de intercambio de impulso 122 es superior a un umbral de saturación, liberando una cierta cantidad de masa del vehículo. Similarly, the method 200 may further comprise desaturating the pulse exchange actuators 122 by monitoring the rotational speed of the pulse exchange actuators 122 and, if the rotation of the pulse exchange actuators 122 is greater than a saturation threshold, releasing a certain amount of mass from the vehicle.

La presente invención se explicará con más detalle utilizando un ejemplo; en particular, cuando se aplica para mejorar el control de actitud de una nave espacial en condiciones libres de par. En este caso particular, At se utiliza un único intervalo de tiempo de activación. El efecto DZH ocurre naturalmente hasta el tiempo de activación de los actuadores de intercambio de impulso 122 (tres ruedas de reacción). A partir de ese impulso, la maniobra se realiza únicamente por las ruedas de reacción. El tiempo en el que se activan las ruedas de reacción, mientras que el efecto DZH está activo, es una variable de diseño que afecta en gran medida el ahorro de energía y tiempo de esta maniobra combinada (efecto DZH ruedas de reacción). La presente invención logra importantes ahorros en energía y tiempo de maniobra durante las maniobras de actitud. The present invention will be explained in more detail using an example; in particular, when applied to improve the attitude control of a spacecraft under torque-free conditions. In this particular case, a single activation time interval At is used. The DZH effect occurs naturally up to the activation time of the impulse exchange actuators 122 (three reaction wheels). From that impulse, the maneuver is performed solely by the reaction wheels. The time at which the reaction wheels are activated, while the DZH effect is active, is a design variable that greatly affects the energy and time savings of this combined maneuver (DZH effect reaction wheels). The present invention achieves significant savings in energy and maneuver time during attitude maneuvers.

El vehículo 102, una nave espacial esquemáticamente representada en la figura 7A, comprende un cuerpo rígido (denotado por el subíndice b) y tres ruedas de reacción (RWS) (denotado por los subíndices fi, Í2y fe) en configuración ortogonal, con respecto a un marco inercial (denotado por el subíndice /). El movimiento angular de la nave espacial se rige por la ecuación de impulso angular, donde el teorema de Coriolis se aplica para cambiar el observador en las derivadas: Vehicle 102, a spacecraft schematically represented in Figure 7A, comprises a rigid body (denoted by the subscript b) and three reaction wheels (RWS) (denoted by the subscripts fi, Í2, and fe) in orthogonal configuration, with respect to an inertial frame (denoted by the subscript /). The angular motion of the spacecraft is governed by the angular momentum equation, where the Coriolis theorem is applied to change the observer in the derivatives:

H H

El impulso angular total H es la suma del impulso angular debido al movimiento angular rígido de toda la nave espacial (Hb) y el de los tres RWs cuando giran alrededor de sus ejes con respecto a la nave espacial (H<rw>). El tensor de inercia de la nave espacial con respecto al centro de masa de la nave espacial se indica con ib = isc ÍRW, Que es la suma del tensor de inercia de la nave espacial sin RWS (isc) y el tensor de inercia de los RWS independientes (iRW). Finalmente, la matriz i, es una matriz diagonal que contiene los impulsos de inercia de los tres volantes alrededor de sus ejes giratorios y TE es el par externo total aplicado a la nave espacial. La figura 7A muestra un boceto de la nave espacial, el conjunto de 3 RWS ortogonales 122 y los 3 tipos de marcos de referencia utilizados. En este ejemplo, la distribución de la masa de la nave espacial puede ser cambiada (es decir, nave espacial transformable) por dos masas móviles 504 con masa m, que son elementos opcionales. The total angular momentum H is the sum of the angular momentum due to the rigid angular motion of the entire spacecraft (Hb) and that of the three RWs as they rotate around their axes relative to the spacecraft (H<rw>). The inertia tensor of the spacecraft relative to the center of mass of the spacecraft is denoted by ib = isc ÍRW, which is the sum of the inertia tensor of the spacecraft without RWS (isc) and the inertia tensor of the independent RWS (iRW). Finally, the matrix i, is a diagonal matrix containing the inertia momentums of the three flywheels around their rotational axes and TE is the total external torque applied to the spacecraft. Figure 7A shows a sketch of the spacecraft, the set of 3 orthogonal RWS 122 and the 3 types of reference frames used. In this example, the mass distribution of the spacecraft can be changed (i.e., transformable spacecraft) by two movable masses 504 with mass m, which are optional elements.

Ahora, al incluir la definición de H en las ecuaciones de movimiento (ecuación (1)), se obtiene: Now, by including the definition of H in the equations of motion (equation (1)), we obtain:

El término — hace referencia a los cambios de inercia a los que están sometidas las naves espaciales transformables (es un término nulo para otros tipos de vehículos espaciales cuya distribución de masa no se puede cambiar). El par de torsión realizado por los RWS en la nave espacial se define como: The term — refers to the changes in inertia to which transformable spacecraft are subjected (it is a null term for other types of space vehicles whose mass distribution cannot be changed). The torque exerted by the RWS on the spacecraft is defined as:

Los motores RWS deben generar un par siempre que las aceleraciones angulares inerciales RWS motors must generate torque whenever the inertial angular accelerations

del cuerpo del volante motor o del cuerpo no sean cero. Aislando el término l en la ecuación (3) y sustituyéndolo en la ecuación (2), se u b/i puede obtener un sistema de tres ecuaciones diferenciales ordinarias para: of the flywheel body or the body are not zero. Isolating the term l in equation (3) and substituting it in equation (2), a system of three ordinary differential equations can be obtained for:

Por último, la evolución de u ,/b, derivada de la ecuación (3) y haciendo uso de la definición anterior obtenida en la ecuación (4) se expresa así: Finally, the evolution of u ,/b, derived from equation (3) and using the previous definition obtained in equation (4) is expressed as follows:

Para la representación de la actitud de los ejes del cuerpo con respecto al marco inercial, se utiliza una formulación de cuaternión con q = [qx,qy,qz,q w]T. Esta conocida formación evita singularidades y sufre menos efectos de redondeo numérico a diferencia de las matrices de rotación. La relación cinemática utilizada para integrar en el tiempo los cuaterniones, y consecuentemente los ángulos de Euler se expresa como: For the representation of the attitude of the body axes with respect to the inertial frame, a quaternion formulation is used with q = [qx,qy,qz,q w]T. This well-known formation avoids singularities and suffers less numerical rounding effects unlike rotation matrices. The kinematic relationship used to integrate the quaternions, and consequently the Euler angles, in time is expressed as:

Los cuaterniones se transforman fácilmente en ángulos de Euler:0= [=, 9, ? ] T.La figura 7Bmuestra los ángulos de Euler siguiendo el orden de rotación x-y-z. Quaternions are easily transformed into Euler angles: 0= [=, 9, ? ] T. Figure 7B shows the Euler angles following the x-y-z rotation order.

El subsistema transformable elegido para este ejemplo incluye dos masas internas movidas por un sistema de polea-correa en direcciones opuestas a lo largo del eje xby ubicadas a una distancia s del centro de masa de la nave espacial, como se muestra En la figura. En este caso, al describir el movimiento de una de las dos masas, la ubicación de la segunda masa se conoce automáticamente debido a su vínculo a través del cinturón. Para describir el movimiento de una masa en un marco de referencia giratorio, deben incluirse las fuerzas inerciales debidas al movimiento del marco giratorio con respecto al inercial: The transformable subsystem chosen for this example includes two internal masses moved by a pulley-belt system in opposite directions along the x-axis and located at a distance s from the center of mass of the spacecraft, as shown in the figure. In this case, when describing the motion of one of the two masses, the location of the second mass is automatically known due to their link through the belt. To describe the motion of a mass in a rotating frame of reference, the inertial forces due to the motion of the rotating frame relative to the inertial one must be included:

donde m está la masa de una masa móvil,r' y v' son el vector de posición y velocidad con respecto al marco de referencia del cuerpo de la masa ubicada en el positivo x^-axis, F y F, son el vector de las fuerzas totales aplicadas y las fuerzas de inercia sobre la masa, respectivamente. where m is the mass of a moving mass, r' and v' are the position and velocity vectors with respect to the body reference frame of the mass located on the positive x^-axis, F and F, are the vector of the total applied forces and the inertial forces on the mass, respectively.

El vector de fuerzas inerciales se expresa como: The inertial force vector is expressed as:

rf2í ___ rf2í ___

Donde TERM -^ K O b representa la aceleración del marco de referencia del cuerpo visto desde la inercial, es decir, la aceleración gravitacional que actúa a lo largo de la dirección radial orbital y apunta hacia el centro de la Tierra. Los efectos gravitacionales se descuidan debido a la alta maniobrabilidad rotacional de la nave espacial, que no implica un efecto continuo de esta gravedad a lo largo del eje de masas móviles, y el corto tiempo de simulación. Where TERM -^ K O b represents the acceleration of the body's reference frame as seen from the inertial one, i.e. the gravitational acceleration acting along the orbital radial direction and pointing towards the center of the Earth. Gravitational effects are neglected due to the high rotational maneuverability of the spacecraft, which does not imply a continuous effect of this gravity along the axis of moving masses, and the short simulation time.

Después de realizar manipulaciones algebraicas con los términos restantes considerando r ' = s ib y proyectando la ecuación (7) en la dirección del eje x b, se obtiene una ecuación de movimiento para la masa móvil: After performing algebraic manipulations with the remaining terms considering r ' = s ib and projecting equation (7) in the direction of the x b axis, an equation of motion for the moving mass is obtained:

Se refiere a la tensión de la correa como resultado de la mitad del par del motor T<m>Refers to the belt tension as a result of half of the engine torque T<m>

sobre el radio de la polea R<m>encargado de mover la correa de distribución. La mitad del par motor se utiliza para mover solo una de las dos masas. El par motor también se incluirá como par externo, (es decir, TE = TMj b) en la ecuación de impulso angular (ecuación (4)), donde el eje del motor está alineado con la ^dirección del eje. Por lo tanto, el acoplamiento entre la dinámica de actitud de la nave espacial y la dinámica de masas móviles se habilita a través de T<m>y las velocidades angulares de la nave espacial (v b/iy y v b/i z). about the pulley radius R<m>in charge of driving the timing belt. Half of the driving torque is used to drive only one of the two masses. The driving torque will also be included as external torque, (i.e. TE = TMj b) in the angular momentum equation (equation (4)), where the motor shaft is aligned with the ^axis direction. Thus, the coupling between the spacecraft attitude dynamics and the moving mass dynamics is enabled through T<m>and the spacecraft angular velocities (v b/iy and v b/i z).

Considerando las masas móviles de la figura 7A como masas puntuales, se calculan los tres impulsos de cambio de inercia del eje principal: Considering the moving masses in Figure 7A as point masses, the three impulses of change of inertia of the main axis are calculated:

con Ib xXo, Ibyyo y lb zza siendo los impulsos de inercia cuando las masas están en el centro de masa de la nave espacial. Por último, es posible derivar analíticamente las derivadas de los with Ib xXo, Ibyyo and lb zza being the inertial impulses when the masses are at the center of mass of the spacecraft. Finally, it is possible to analytically derive the derivatives of the

impulsos de inercia vistos desde el marco del cuerpo, es decir : inertial impulses seen from the body frame, i.e.:

En este ejemplo, se emplea un controlador de bucle cerrado implementado como controlador de derivación proporcional integral (PID) para dirigir la nave espacial utilizando el par RWS (TRw) como entrada de control en la ecuación (4) y la ecuación (5). En cada paso de tiempo de la simulación, el par RWS se actualiza: In this example, a closed-loop controller implemented as a proportional-integral shunt (PID) controller is employed to steer the spacecraft using the RWS torque (TRw) as the control input in equation (4) and equation (5). At each time step of the simulation, the RWS torque is updated:

T T

Donde KP, K, y KD son las ganancias proporcionales, integrales y derivadas dispuestas en matrices diagonales 3 por 3 y el error de los ángulos de Euler (<t>err) es una función de los errores de cuaternión (qerr). El error de estado angular 139 (*err) se puede calcular a partir de los cuaterniones del ángulo exigido qdem (estado angular objetivo 135) y del ángulo medido qmeas (estado angular estimado actual 137). Where KP, K, and KD are the proportional, integral, and derivative gains arranged in 3-by-3 diagonal matrices and the Euler angle error (<t>err) is a function of the quaternion errors (qerr). The angular state error 139 (*err) can be calculated from the quaternions of the required angle qdem (target angular state 135) and the measured angle qmeas (current estimated angular state 137).

Para lograr un estado angular controlado final, las ganancias del controlador PID deben ajustarse para cada maniobra diferente. El procedimiento de ajuste se puede realizar mediante un procedimiento de optimización en el que se minimiza el error de actitud final: To achieve a final controlled angular state, the PID controller gains must be tuned for each different maneuver. The tuning procedure can be performed by an optimization procedure in which the final attitude error is minimized:

Siendo 0 err[i] el io componente del error de ángulos de Euler, t0 y tf los tiempos inicial y final de la simulación, Y tr el tiempo de activación para encender los RWS, normalizado con el período del efecto DZH para estos parámetros de simulación y condiciones iniciales. Debe establecerse el límite inferior de tr para garantizar que el efecto DZH se produce antes de que se enciendan los RWS y Kmax que debe ajustarse para evitar alcanzar el par máximo disponible. Donde SF representa un factor de seguridad: Being 0 err[i] the io component of the Euler angle error, t0 and tf the start and end times of the simulation, and tr the activation time to turn on the RWS, normalized with the period of the DZH effect for these simulation parameters and initial conditions. The lower limit of tr must be set to ensure that the DZH effect occurs before the RWS are turned on and Kmax must be adjusted to avoid reaching the maximum available torque. Where SF represents a safety factor:

Este problema de optimización necesita ser resuelto usando las ecuaciones cinemáticas y dinámicas. Estas ecuaciones forman un sistema dinámico de primer orden: This optimization problem needs to be solved using the kinematic and dynamic equations. These equations form a first-order dynamic system:

Dondexes el vector de estado,ues el vector de control y{es el flujo dinámico del sistema que comprende el conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODE) no lineales que gobiernan la dinámica del sistema (ecuaciones (4) a (6) y (9)). Desde la ec. (9) es una ODE Where x is the state vector, u is the control vector and { is the dynamic flow of the system comprising the set of nonlinear ordinary differential equations (ODE) governing the dynamics of the system (equations (4) to (6) and (9)). Since eq. (9) is an ODE

de segundo orden, la relación cinemática se utiliza para transformar el sistema en 2 ODE de primer orden. Se seleccionó un método numérico Runge-Kutta de cuarto orden para resolver el sistema. Second-order, the kinematic relationship is used to transform the system into 2 first-order ODEs. A fourth-order Runge-Kutta numerical method was selected to solve the system.

El controlador 138 calcula la discrepancia (error de estado angular 139) entre el estado angular objetivo 135 y el estado angular estimado 137 recibido del módulo de guía 134 y el módulo de navegación 136, respectivamente. En caso de que el error sea superior a un umbral, el controlador 138 ordena a los actuadores que funcionen. El controlador 138 contiene tanto el controlador de bucle cerrado RWS que se indica en la ecuación (12) como el controlador de bucle abierto que ordena al motor mover las masas móviles. Estas salidas son tomadas por los actuadores: Los actuadores de transformación de inercia (masas móviles) y los RWS que dan un par de torsión acorde a la entrada del controlador. Estos pares son comandados a la nave espacial, que cambia su estado angular dependiendo de los pares y las perturbaciones dinámicas del entorno. En la práctica, las ecuaciones de movimiento dadas en la ecuación (15) están contenidas dentro de un bloque que simula la nave espacial y se integran numéricamente dado un conjunto de condiciones iniciales y parámetros del problema. Finalmente, el estado medido 113 de la nave espacial es medido por los sensores de actitud 112 que se establecen como una entrada al módulo de navegación 136 del sistema, completando el bucle. The controller 138 calculates the discrepancy (angular state error 139) between the target angular state 135 and the estimated angular state 137 received from the guidance module 134 and the navigation module 136, respectively. In case the error is greater than a threshold, the controller 138 commands the actuators to operate. The controller 138 contains both the closed loop controller RWS indicated in equation (12) and the open loop controller that commands the motor to move the moving masses. These outputs are taken by the actuators: The inertial transformation actuators (moving masses) and the RWS that give a torque according to the controller input. These torques are commanded to the spacecraft, which changes its angular state depending on the torques and dynamic disturbances of the environment. In practice, the equations of motion given in equation (15) are contained within a block that simulates the spacecraft and are numerically integrated given a set of initial conditions and problem parameters. Finally, the measured state 113 of the spacecraft is measured by the attitude sensors 112 which are set as an input to the navigation module 136 of the system, completing the loop.

Cuando se resuelve el problema de optimización y, por lo tanto, el error de actitud permanece dentro del rango de error de la actitud demandada, los requisitos de energía y tiempo para la maniobra con solo RWS y con el efecto DZH en combinación con RWS se comparan entre sí. When the optimization problem is solved and thus the attitude error remains within the demanded attitude error range, the energy and time requirements for the maneuver with RWS alone and with the DZH effect in combination with RWS are compared with each other.

Cuando el controlador de bucle cerrado de RWS se combina con el efecto DZH, el efecto DZH actúa como el “golpe inicial” de la nave espacial, que luego es utilizado por los RWS para colocar la nave espacial en una actitud deseada. El tiempo en el que los RWS se activan una vez que el efecto DZH es una variable de diseño que afecta en gran medida el ahorro de energía y tiempo de esta maniobra combinada. Como la presencia inicial del efecto DZH es necesaria, la configuración inercial de la nave espacial es una que permite este efecto. Un ejemplo de maniobra de actitud donde se = = 300°, 6 = 120°,? = 210° muestran los ángulos de Euler exigidos se muestra en lafigura 8. Se puede ver que los RWS no se activaron hasta el 63 % del período DZH. Después de ese instante, el controlador de bucle cerrado PID es capaz de conducir la nave espacial a los ángulos deseados de Euler sin exceder ni las velocidades angulares máximas ni el par máximo de los RWS. When the RWS closed-loop controller is combined with the DZH effect, the DZH effect acts as the “initial bump” of the spacecraft, which is then used by the RWS to place the spacecraft into a desired attitude. The time at which the RWS are activated once the DZH effect is a design variable that greatly affects the energy and time savings of this combined maneuver. Since the initial presence of the DZH effect is required, the inertial configuration of the spacecraft is one that allows for this effect. An example of an attitude maneuver where θ = 300°, θ = 120°, θ = 210° show the required Euler angles is shown in Figure 8. It can be seen that the RWS were not activated until 63% of the DZH period. After that instant, the PID closed-loop controller is able to drive the spacecraft into the desired Euler angles without exceeding either the maximum angular velocities or the maximum torque of the RWS.

Se realiza una comparación entre la energía y el tiempo empleado en realizar una maniobra determinada mediante la combinación de los RWS con el efecto DZH (ERW+DZH y TRW+DZH, respectivamente) Y los valores mediante el uso de los RWS desde el principio de la simulación (E<rw>yTrw ), es decir, los RWS sin el efecto DZH. Se utilizan dos métricas para cuantificar la comparación: A comparison is made between the energy and time taken to perform a given maneuver by combining the RWS with the DZH effect (ERW+DZH and TRW+DZH, respectively) and the values using the RWS from the beginning of the simulation (E<rw>yTrw ), i.e. the RWS without the DZH effect. Two metrics are used to quantify the comparison:

Siendo Er y Tr las ganancias relativas de energía y tiempo (si son positivas) o pérdidas (si son negativas). Una exploración preliminar de las ganancias de energía y tiempo dentro del espacio 3D de los ángulos de Euler se realiza en lafigura 9A.- Para un ángulo seleccionado ? = 60°, se define una cuadrícula de pares de valores en el plano. Para cada conjunto de ángulos de Euler (= ,> ,? ', una simulación como la de la figura 8 se ejecuta donde ERW+DZH yT<rw>+<dzh>se obtienen. Para analizar el escenario de utilizar solo RWS, la simulación se ejecuta con un tr = 0 para activar los RWS al inicio de cada maniobra, pudiendo calcular ERW y<trw>. Luego, las ganancias de energía y tiempo se calculan mediante la ecuación (16) y se representan con gráficos de contorno. El gráfico de la izquierda muestra que la mayor parte del espacio de diseño de actitud muestra ganancias de energía al combinar RWS con el efecto DZH en comparación con el uso de los RWS independientes. En cuanto a las ganancias de tiempo, el espacio de diseño donde existen ganancias de tiempo es más reducido y concentrado. Estas parcelas segregan las regiones espaciales en el espacio de los ángulos de Euler donde solo se esperan ganancias de energía, solo ganancias de tiempo o tanto ganancias de energía como de tiempo. Er and Tr being the relative energy and time gains (if positive) or losses (if negative). A preliminary exploration of the energy and time gains within the 3D space of Euler angles is performed in Figure 9A.- For a selected angle ? = 60°, a grid of pairs of values is defined in the plane. For each set of Euler angles (= ,> ,?', a simulation like the one in Figure 8 is run where ERW+DZH and T<rw>+<dzh> are obtained. To analyze the scenario of using only RWS, the simulation is run with tr = 0 to activate the RWS at the start of each maneuver, thus being able to calculate ERW and<trw>. Then, the energy and time gains are calculated using equation (16) and represented with contour plots. The left plot shows that most of the attitude design space shows energy gains when combining RWS with the DZH effect compared to using the standalone RWS. As for time gains, the design space where time gains exist is smaller and more concentrated. These plots segregate the spatial regions in the Euler angle space where only energy gains, only time gains, or both energy and time gains are expected.

Para una exploración más profunda de otras regiones utilizando un ángulo y diferente, lasfiguras 9B a 9Fincluyen el conjunto de gráficos para ? = (0°, 120°, 180°, 240°, 300°' como una función de los otros dos ángulos de Euler (> ,= '. Todo el espacio de maniobra 3D se divide en 1728 maniobras de actitud mediante el uso de divisiones de 30° para cada ángulo de Euler. Las constantes del controlador PID y los tiempos de activación de RWS para estos 1728 casos se obtienen a través de la optimización previamente explicada (ecuación (13)), donde se obtienen maniobras controlables. Cada maniobra tiene un conjunto diferente de constantes PID y tiempo de activación de RWS tr dada la presencia del efecto DZH natural. El tiempo de activación tr de los RWS para las simulaciones con RWS independientes se establece en 0 para evitar que se produzca el efecto DZH. For further exploration of other regions using a different y angle, Figures 9B to 9F include the set of graphs for ? = (0°, 120°, 180°, 240°, 300°') as a function of the other two Euler angles (> ,= '). The entire 3D maneuver space is divided into 1728 attitude maneuvers by using 30° divisions for each Euler angle. The PID controller constants and RWS activation times for these 1728 cases are obtained through the previously explained optimization (Eq. (13)), where controllable maneuvers are obtained. Each maneuver has a different set of PID constants and RWS activation time tr given the presence of the natural DZH effect. The activation time tr of the RWSs for the simulations with independent RWSs is set to 0 to avoid the DZH effect from occurring.

Lafigura 10Amuestra las velocidades angulares del satélite w&/¡ contra el tiempo de simulación normalizado con el período DZH durante una simulación del efecto DZH sin la actuación de los RWS. Todo el período DZH se divide en 11 límites para los tiempos de activación de RWS. Estos 1728 casos con su tr resúmante se clasifican entre los intervalos definidos por los límites. El número total de maniobras junto con las que presentan ahorros de energía se muestran enla figura 10B. El hecho de que haya un gran número de maniobras acumuladas en los intervalos de tiempo 5 y 6 sugiere que las zonas de meseta del efecto DZH son más adecuadas para el control de RWS. El porcentaje de maniobras con ahorro energético, que oscila entre el 50 % y el 80 %, se puede ver en lafigura 10C. Finalmente, la ganancia de energía promedio de las maniobras que presentan ahorro de energía se muestra en lafigura 10Dpara cada intervalo de tiempo de activación de RWS. La combinación de RWS y efecto DZH no solo trae un alto porcentaje de maniobras con ganancias de energía, sino también altas ganancias de energía (entre el 50 % y el 80 %). Figure 10A shows the satellite angular velocities w1/i versus simulation time normalized to the DZH period during a simulation of the DZH effect without RWS actuation. The entire DZH period is divided into 11 boundaries for the RWS activation times. These 1728 cases with their summary tr are classified between the intervals defined by the boundaries. The total number of maneuvers together with those presenting energy savings are shown in Figure 10B. The fact that there is a large number of maneuvers accumulated in time steps 5 and 6 suggests that the plateau areas of the DZH effect are more suitable for RWS control. The percentage of energy-saving maneuvers, ranging from 50% to 80%, can be seen in Figure 10C. Finally, the average energy gain of the energy-saving maneuvers is shown in Figure 10D for each RWS activation time step. The combination of RWS and DZH effect not only brings a high percentage of maneuvers with energy gains, but also high energy gains (between 50% and 80%).

El mismo conjunto de gráficos que en las figuras 10B a 10D se muestran respectivamente en lasfiguras 11A a 11Cpara analizar el ahorro de tiempo. Como era de esperar al observar la gráfica derecha de las figuras 9A a 9F, el porcentaje de maniobras con ganancias de tiempo, así como las ganancias de tiempo promedio, son menores (entre el 10 % y el 45 %) en comparación con las encontradas anteriormente para la energía. Al interpretar ambos conjuntos de gráficos dados en las figuras 10 y 11, se concluye que la combinación de RWS y efecto DZH para este estudio de caso específico aumenta el consumo de energía por el sistema de control de actitud en gran medida, aunque no siempre reduce el tiempo de maniobra. Si el diseño de la misión espacial se establece para tener un número repetitivo de maniobras con una energía positiva y ganancias de tiempo, esta estrategia será preferencial. The same set of graphs as in Figures 10B to 10D are shown respectively in Figures 11A to 11C to analyze the time savings. As expected by looking at the right graph of Figures 9A to 9F, the percentage of maneuvers with time gains as well as the average time gains are lower (between 10% and 45%) compared to those found previously for energy. By interpreting both sets of graphs given in Figures 10 and 11, it is concluded that the combination of RWS and DZH effect for this specific case study increases the energy consumption by the attitude control system to a large extent, although it does not always reduce the maneuver time. If the space mission design is set to have a repetitive number of maneuvers with a positive energy and time gains, this strategy will be preferential.

Los resultados de las simulaciones concluyen que esta estrategia es más rápida y eficiente energéticamente para ciertas maniobras en comparación con el uso independiente de RWs. Se demuestra que entre el 50 % y el 80 % de las maniobras pueden ahorrar hasta un 70 % de energía en comparación con el uso de RWs independientes. Por otro lado, las ganancias de tiempo pueden ser positivas (en el 10 %-40 % de las maniobras) o negativas (pérdidas) dependiendo de la actitud demandada. The simulation results conclude that this strategy is faster and more energy-efficient for certain manoeuvres compared to the independent use of RWs. It is shown that between 50% and 80% of the manoeuvres can save up to 70% of energy compared to the use of independent RWs. On the other hand, time gains can be positive (in 10%-40% of the manoeuvres) or negative (losses) depending on the requested attitude.

El ejemplo ilustrado en las figuras 7 a 11 corresponde a un único intervalo de tiempo de activación. Sin embargo, el procedimiento de optimización puede calcular una pluralidad M de intervalos de tiempo de activación. Por ejemplo, al considerar dos intervalos de tiempo de activación, el procedimiento de optimización puede calcular dos tiempos de activación iniciales tr l tr2. La maniobra comienza en t = 0 mientras el efecto DZH está activo. En t = tr l , comienza el primer intervalo de tiempo de activación. La duración del intervalo de tiempo puede ser un valor predefinido o una variable de diseño. Durante el primer intervalo de tiempo de activación, el controlador acciona los actuadores de intercambio de impulso 122 de acuerdo con una estrategia de control predeterminada (por ejemplo, siguiendo ciertos puntos de referencia intermedios calculados previamente). El primer intervalo de tiempo de activación finaliza y los actuadores de intercambio de impulso 122 no se accionan, el vehículo se moverá con un movimiento combinado de fenómeno DZH y un efecto inducido por los actuadores de intercambio de impulso. En las t = tr2, se inicia el segundo intervalo de tiempo de activación. Durante este intervalo de tiempo, el controlador acciona de nuevo los actuadores de intercambio de impulso 122, según una estrategia de control, hasta que se alcanza el estado angular objetivo 135. Luego, la maniobra ha terminado. The example illustrated in Figures 7 to 11 corresponds to a single activation time interval. However, the optimization procedure may calculate a plurality M of activation time intervals. For example, by considering two activation time intervals, the optimization procedure may calculate two initial activation times tr l tr2. The maneuver starts at t = 0 while the DZH effect is active. At t = tr l , the first activation time interval starts. The duration of the time interval may be a predefined value or a design variable. During the first activation time interval, the controller actuates the impulse exchange actuators 122 according to a predetermined control strategy (for example, following certain intermediate reference points previously calculated). The first activation time interval ends and the impulse exchange actuators 122 are not actuated, the vehicle will move with a combined movement of DZH phenomenon and an effect induced by the impulse exchange actuators. At t = tr2, the second activation time interval starts. During this time interval, the controller actuates the pulse exchange actuators 122 again according to a control strategy until the target angular state 135 is reached. The maneuver is then terminated.

Como se explicó anteriormente, el sistema 100 puede incorporar actuadores de transformación de inercia 422 capaces de cambiar las propiedades de inercia del vehículo 102 de tal manera que el efecto DZH pueda ser controlado, es decir, puede ser activado o desactivado habitualmente. Los actuadores de transformación de inercia 422 se pueden implementar, por ejemplo, como: As explained above, system 100 may incorporate inertial transformation actuators 422 capable of changing the inertial properties of vehicle 102 such that the DZH effect may be controlled, i.e., may be routinely activated or deactivated. Inertial transformation actuators 422 may be implemented, for example, as:

• Un conjunto de masas móviles en la parte interior del vehículo. Lafigura 12Amuestra un ejemplo de un par de masas 504 moviéndose a lo largo de un eje en direcciones opuestas (para mantener el centro de masa en su lugar). Este tipo de sistema no se limita a dos masas y una dirección. Por ejemplo, Liang et al (“Maniobra de actitud de un satélite usando masas móviles”, Acta Astronautica, vol. 176, pp. 464-475, 2020) utilizó tres masas móviles internas para las maniobras de actitud de satélite. Las limitaciones de esta tipología de subsistemas transformables son impuestas por el espacio interior del vehículo. • A set of movable masses inside the vehicle. Figure 12A shows an example of a pair of masses 504 moving along an axis in opposite directions (to keep the center of mass in place). This type of system is not limited to two masses and one direction. For example, Liang et al. (“Satellite attitude maneuver using movable masses,” Acta Astronautica, vol. 176, pp. 464–475, 2020) used three internal movable masses for satellite attitude maneuvers. The limitations of this typology of morphable subsystems are imposed by the interior space of the vehicle.

• Un conjunto de masas móviles situadas fuera del vehículo con propiedades retráctiles (figura 12B). Aunque normalmente no tienen propiedades retráctiles, las ataduras electrodinámicas para la desorbitación pasiva de satélites se despliegan de manera similar (García-González et al., “Determinación de actitud y control para la fase de preparación de despliegue de una misión de atadura espacial”, Acta Astronautica, vol. • A set of mobile masses located outside the vehicle with retractable properties (Figure 12B). Although they do not normally have retractable properties, electrodynamic tethers for passive satellite deorbiting are deployed in a similar manner (García-González et al., “Attitude determination and control for the deployment preparation phase of a space tether mission,” Acta Astronautica, vol.

193, enero de 2022). Para esta configuración, no hay limitaciones de espacio y las capacidades generales de cambio inercial son mucho mayores que con el uso de masas internas. En la práctica, esto significa que una masa ligera colocada lejos del vehículo contribuirá a una gran modificación de la inercia. 193, January 2022). For this configuration, there are no space limitations and the overall inertial change capabilities are much greater than with the use of internal masses. In practice, this means that a light mass placed far from the vehicle will contribute to a large modification of the inertia.

• Un sistema de válvulas y pistones que mueve los líquidos 1204 dentro de la nave espacial (figura 12C). Dado que la propiedad que cambia la inercia es la masa y no la distancia, se vuelve generalmente menos efectiva para la misma masa y espacio disponible. • A system of valves and pistons that moves the liquids 1204 inside the spacecraft (Figure 12C). Since the property that changes inertia is mass and not distance, it generally becomes less effective for the same mass and available space.

El control de la inercia-morfología se refiere a la propiedad del vehículo transformable que cambia gradualmente la inercia del vehículo debido al movimiento de estas masas sólidas 504 o líquidos 1204. Inertia-morphology control refers to the property of the transformable vehicle that gradually changes the inertia of the vehicle due to the movement of these solid masses 504 or liquids 1204.

En una realización, el controlador 138 de la unidad de control 132 implementa un control de transformación inercial de bucle abierto para activar o desactivar el efecto DZH. Los actuadores de transformación de inercia 422 son accionados por el controlador 138 (utilizando el tensor de inercia exigido 434 del gestor de transformación de inercia 432) para activar o desactivar el fenómeno DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo, por ejemplo, utilizando dos masas móviles opuestas 504. Este método, independiente, puede servir como un control de actitud mejorado que no requiere más energía que la necesaria para controlar el efecto DZH por los movimientos de estas masas; aunque está restringido a cambios de actitud de 180°. Para un cambio de actitud preciso, el efecto DZH se combina con los actuadores de intercambio de impulso. In one embodiment, the controller 138 of the control unit 132 implements an open loop inertial transformation control to activate or deactivate the DZH effect. The inertial transformation actuators 422 are actuated by the controller 138 (using the required inertia tensor 434 of the inertial transformation manager 432) to activate or deactivate the DZH phenomenon by changing the mass distribution within the vehicle, for example, by using two opposing moving masses 504. This method, alone, can serve as an improved attitude control that requires no more energy than is necessary to control the DZH effect by the movements of these masses; although it is restricted to attitude changes of 180°. For precise attitude change, the DZH effect is combined with the momentum exchange actuators.

T<m>utiliza un controlador de bucle abierto para controlar el par del motor para conducir las masas móviles a la posición requerida. Las condiciones iniciales para las simulaciones dinámicas son: T<m>uses an open loop controller to control the motor torque to drive the moving masses to the required position. The initial conditions for the dynamic simulations are:

Por un lado, habilitar el efecto DZH significa pasar de un giro estable de la nave espacial sobre el eje principal de inercia al movimiento de volteo DZH periódico. Las masas se mueven hacia adentro (hacia |s| valores pequeños) en la xbdirección del eje para permitir que los ejes de inercia principales e intermedios intercambien roles, es decir, el eje mayor se convertiría en el intermedio y viceversa.Las figuras 13Ay13Bmuestran una simulación dinámica donde el subsistema de transformación de inercia se activa en el tiempo t = 100s, permitiendo que las masas móviles se muevan de la posición inicial al origen (s = 0), lo que permite el efecto DZH. El par motor solo está activo durante unos segundos y modifica ligeramente el impulso angular total de la nave espacial en la ybdirección del eje. Sin embargo, el aumento en la yb velocidad angular del eje de la nave espacial (figura 13A) después de la actuación de transformación de inercia se debe principalmente a la disminución en el ybimpulso de inercia del eje Ibiyy. La conservación del impulso angular implica un aumento de la velocidad angular cuando hay una disminución en el impulso de inercia. La figura 13A muestra el período DZH 232 y la zona meseta 1302. On the one hand, enabling the DZH effect means switching from a stable spin of the spacecraft about the main axis of inertia to the periodic DZH tumbling motion. The masses move inwards (towards small |s| values) in the xbaxis direction to allow the main and intermediate inertia axes to exchange roles, i.e. the major axis would become the intermediate one and vice versa. Figures 13A and 13B show a dynamic simulation where the inertia transformation subsystem is activated at time t = 100 s, allowing the moving masses to move from the initial position to the origin (s = 0), enabling the DZH effect. The torque is only active for a few seconds and slightly modifies the total angular momentum of the spacecraft in the ybaxis direction. However, the increase in the yb angular velocity of the spacecraft axis (Figure 13A) after the inertial transformation actuation is mainly due to the decrease in the ybiinertial momentum of the Ibiyy axis. Conservation of angular momentum implies an increase in angular velocity when there is a decrease in inertial momentum. Figure 13A shows the DZH period 232 and the plateau zone 1302.

Por otro lado, la desactivación del efecto cambia el movimiento de volteo periódico DZH de la nave espacial a una rotación estable alrededor de su eje principal. Las masas se moverán hacia afuera en la xbdirección del eje (hacia |s| valores grandes). Por simple inspección de la ecuación (9), uno puede notar que las fuerzas de inercia centrífugas sentidas por las masas pueden ser utilizadas para ayudar al motor o incluso pasivamente (es decir, sin el uso de energía externa) conducir las masas hacia afuera. En lasfiguras 14Ay14Bse utiliza la actuación pasiva de las masas desde el origen (con una pequeña perturbación que permite que la fuerza centrífuga actúe sobre las masas) hasta la posición final. El tiempo de activación para permitir que las masas se muevan se establece en los cincuenta, lo que coincide con la mitad de la primera meseta en el movimiento de volteo. El efecto se desactiva efectivamente en unos siete segundos. En la figura 14A, l^y l disminuye, ya que la inercia Ibyy aumenta convirtiéndose en el impulso principal de la inercia. On the other hand, deactivation of the effect changes the periodic DZH tumbling motion of the spacecraft to a stable rotation around its main axis. The masses will move outward in the xb-axis direction (towards large |s| values). By simple inspection of equation (9), one can notice that centrifugal inertial forces felt by the masses can be used to assist the engine or even passively (i.e. without the use of external power) drive the masses outward. In Figures 14A and 14B passive actuation of the masses from the origin (with a small perturbation allowing the centrifugal force to act on the masses) to the final position is used. The activation time to allow the masses to move is set in the fifties, which coincides with the middle of the first plateau in the tumbling motion. The effect is effectively deactivated in about seven seconds. In Figure 14A, l^y l decreases, as the inertia Ibyy increases becoming the main impulse of inertia.

Claims (14)

REIVINDICACIONES 1. Un sistema para mejorar el control de la actitud de un vehículo en condiciones libres de par, donde el sistema (100) comprende:1. A system for improving attitude control of a vehicle under torque-free conditions, wherein the system (100) comprises: una unidad de sensor de actitud (112) configurada para medir el estado angular (113) del vehículo (102);an attitude sensor unit (112) configured to measure the angular state (113) of the vehicle (102); una pluralidad de actuadores de intercambio de impulso (122) configurados para intercambiar impulso con el vehículo (102) para el control de actitud; y.a plurality of momentum exchange actuators (122) configured to exchange momentum with the vehicle (102) for attitude control; and. un ordenador de a bordo (130) compuesto por una unidad de control (132), un módulo de guía (134) configurado para obtener un estado angular objetivo (135) y un módulo de navegación (136) configurado para obtener un estado angular estimado (137) a partir del estado angular medido (113);an on-board computer (130) comprising a control unit (132), a guidance module (134) configured to obtain a target angular state (135) and a navigation module (136) configured to obtain an estimated angular state (137) from the measured angular state (113); caracterizado porquela unidad de control (132) está configurada para, tras la recepción del estado angular objetivo (135), comprobar la aparición de un estado de rotación sobre el eje intermedio de inercia del vehículo (102), efecto DZH, y en ese caso:characterized in that the control unit (132) is configured to, after receiving the target angular state (135), check the appearance of a state of rotation about the intermediate axis of inertia of the vehicle (102), DZH effect, and in that case: - caracterizar el efecto DZH, obteniendo al menos un período DZH (232);- characterize the DZH effect, obtaining at least one DZH period (232); - calcular al menos un intervalo de tiempo de activación At¡ (242) durante el período DZH (232); y- ejecutar una maniobra de actitud del vehículo accionando los actuadores de intercambio de impulso (122) durante el intervalo de tiempo de activación At¡ (242) como mínimo.- calculate at least one activation time interval At¡ (242) during the period DZH (232); and - execute a vehicle attitude manoeuvre by actuating the pulse exchange actuators (122) during at least the activation time interval At¡ (242). 2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, donde para ejecutar la maniobra de actitud la unidad de control (132) está configurado para:2. The system according to claim 1, wherein to execute the attitude maneuver the control unit (132) is configured to: - si la hora actual está dentro de un intervalo de tiempo de activación At¡ (242), repetidamente: obtener el estado angular estimado actual (137),- if the current time is within a trigger time interval At¡ (242), repeatedly: get the current estimated angular state (137), calcular el error de estado angular (139) entre el estado angular objetivo (135) y el estado angular estimado actual (137);calculate the angular state error (139) between the target angular state (135) and the current estimated angular state (137); calcular una entrada de control (121) a los actuadores de intercambio de impulso (122) como una función del error de estado angular (139); y.calculating a control input (121) to the pulse exchange actuators (122) as a function of the angular state error (139); and. accionar los actuadores de intercambio de impulso (122) mediante la entrada de control (121); y.actuate the pulse exchange actuators (122) by the control input (121); and. - finalizar la maniobra de actitud cuando el error de estado angular (139) es menor o igual que un umbral.- end the attitude maneuver when the angular state error (139) is less than or equal to a threshold. 3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, donde para ejecutar la maniobra de actitud la unidad de control (132) está configurado para:3. The system according to claim 2, wherein to execute the attitude maneuver the control unit (132) is configured to: el tiempo actual no está dentro de un intervalo de tiempo de activación ñt¡ (242): obtenga un estado angular estimado actual (137), y.the current time is not within a trigger time interval ñt¡ (242): get a current estimated angular state (137), and. vuelva a calcular al menos un intervalo de tiempo de activación Atj (242).recalculate at least one Atj activation time interval (242). 4. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una pluralidad de actuadores de transformación de inercia (422) configurados para activar o desactivar el efecto DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo (102).4. The system according to any of the preceding claims, further comprising a plurality of inertial transformation actuators (422) configured to activate or deactivate the DZH effect by changing the mass distribution within the vehicle (102). 5. El sistema de conformidad con la reivindicación 4, que comprende además un subsistema para desaturar los actuadores de intercambio de impulso (122) que incluye:5. The system according to claim 4, further comprising a subsystem for desaturating the pulse exchange actuators (122) including: una pluralidad de sensores (602) configurados para:a plurality of sensors (602) configured to: controlar la velocidad de rotación de los actuadores de intercambio de impulso (122); y. si la rotación de los actuadores de intercambio de impulso (122) es superior a un umbral de saturación, enviar una orden de desplazamiento (606) a los actuadores de transformación de inercia (422) para que se muevan a una posición objetivo; y.controlling the rotation speed of the pulse exchange actuators (122); and. if the rotation of the pulse exchange actuators (122) is greater than a saturation threshold, sending a movement command (606) to the inertia transformation actuators (422) to move to a target position; and. una pluralidad de actuadores de liberación de masa (610) configurados para liberar masa de los actuadores de transformación de inercia (422).a plurality of mass release actuators (610) configured to release mass from the inertia transformation actuators (422). 6. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, que comprende, además:6. The system according to any of claims 4 to 5, further comprising: una pluralidad de sensores de inercia (412) configurados para medir el tensor de inercia (413) del vehículo (102) utilizado para calcular las características de inercia del vehículo (102); y. un gestor de transformación de inercia (432) configurado para recibir el tensor de inercia medido (413) y controlar los actuadores de transformación de inercia (422) según un tensor de inercia exigido (434).a plurality of inertial sensors (412) configured to measure the inertia tensor (413) of the vehicle (102) used to calculate the inertia characteristics of the vehicle (102); and. an inertia transformation manager (432) configured to receive the measured inertia tensor (413) and control the inertia transformation actuators (422) according to a required inertia tensor (434). 7. El sistema de conformidad con la reivindicación 6, donde los actuadores de transformación de inercia (422) comprenden al menos dos brazos extensibles (502) y al menos dos masas móviles (504) colocadas a lo largo de los brazos extensibles (502), y donde los sensores de inercia (412) están configurados para medir la posición de los brazos extensibles (502).7. The system according to claim 6, wherein the inertial transformation actuators (422) comprise at least two extendable arms (502) and at least two movable masses (504) positioned along the extendable arms (502), and wherein the inertial sensors (412) are configured to measure the position of the extendable arms (502). 8. Un método para mejorar el control de actitud de un vehículo en condiciones libres de par, donde el método (200) comprende:8. A method for improving attitude control of a vehicle under torque-free conditions, wherein the method (200) comprises: obtener (210) el estado angular objetivo (135);obtain (210) the target angular state (135); comprobar (220) la ocurrencia de un estado de rotación sobre el eje intermedio de inercia del vehículo (102), efecto DZH, y en ese caso:check (220) the occurrence of a state of rotation about the intermediate axis of inertia of the vehicle (102), DZH effect, and in that case: - caracterizar (230) el efecto DZH, obteniendo al menos un período DZH (232);- characterize (230) the DZH effect, obtaining at least one DZH period (232); - calcular (240) al menos un intervalo de tiempo de activación Atj (242) durante el período DZH (232) y- calculate (240) at least one activation time interval Atj (242) during the period DZH (232) and - ejecutar (250) una maniobra de actitud del vehículo accionando una pluralidad de actuadores de intercambio de impulso (122) del vehículo (102) durante al menos un intervalo de tiempo de activación Atj (242).- executing (250) a vehicle attitude maneuver by actuating a plurality of pulse exchange actuators (122) of the vehicle (102) during at least one activation time interval Atj (242). 9. El método de conformidad con la reivindicación 8, donde la ejecución (250) de la maniobra de actitud comprende:9. The method according to claim 8, wherein the execution (250) of the attitude maneuver comprises: - si el tiempo actual está dentro de un intervalo de tiempo de activación Atj (242), repetidamente:- if the current time is within an Atj activation time interval (242), repeatedly: obtener (320) el estado angular estimado actual (137),get (320) the current estimated angular state (137), calcular (330) el error de estado angular (139) entre el estado angular objetivo (135) y el estado angular estimado actual (137);calculate (330) the angular state error (139) between the target angular state (135) and the current estimated angular state (137); calcular (340) una entrada de control (121) a los actuadores de intercambio de impulso (122) en función del error de estado angular (139) ycalculate (340) a control input (121) to the pulse exchange actuators (122) based on the angular state error (139) and accionar (350) los actuadores de intercambio de impulso (122) mediante la entrada de control (121) yactuate (350) the pulse exchange actuators (122) by means of the control input (121) and - finalizar (370) la maniobra de actitud cuando el error de estado angular (139) es menor o igual que un umbral.- end (370) the attitude maneuver when the angular state error (139) is less than or equal to a threshold. 10. El método de conformidad con la reivindicación 9, donde la ejecución (250) de la maniobra de actitud comprende:10. The method according to claim 9, wherein the execution (250) of the attitude maneuver comprises: el tiempo actual no está dentro de un intervalo de tiempo de activación Atj (242): obtener (380) el estado angular estimado actual (137) ycurrent time is not within an Atj activation time interval (242): get (380) the current estimated angular state (137) and recalcular (390) al menos un intervalo de tiempo de activación Atj (242).recalculate (390) at least one Atj activation time interval (242). 11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende además permitir el efecto DZH cambiando la distribución de masa dentro del vehículo (102).11. The method according to any one of claims 8 to 10, further comprising enabling the DZH effect by changing the mass distribution within the vehicle (102). 12. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende además la desaturación de los actuadores de intercambio de impulso (122) mediante: control de la velocidad de rotación de los actuadores de intercambio de impulso (122); si la rotación de los actuadores de intercambio de impulso (122) es superior a un umbral de saturación, liberando cierta cantidad de masa del vehículo (102) y/o utilizando los actuadores de transformación de inercia (422) para desaturar los actuadores de intercambio de impulso (122).12. The method according to any one of claims 8 to 11, further comprising desaturating the momentum exchange actuators (122) by: controlling the rotation speed of the momentum exchange actuators (122); if the rotation of the momentum exchange actuators (122) is greater than a saturation threshold, releasing a certain amount of mass from the vehicle (102) and/or using the inertial transformation actuators (422) to desaturate the momentum exchange actuators (122). 13. Un producto de programa informático para el control de actitud mejorado de un vehículo en condiciones libres de par, caracterizado por comprender instrucciones de código de ordenador que, cuando se ejecuta por un procesador, hace que el procesador realice el método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12.13. A computer program product for enhanced attitude control of a vehicle under torque-free conditions, characterized by comprising computer code instructions that, when executed by a processor, cause the processor to perform the method according to any one of claims 8 to 12. 14. El programa informático de conformidad con la reivindicación 13, que comprende al menos un medio de almacenamiento legible por ordenador habiendo registrado en él las instrucciones de código informático.14. The computer program according to claim 13, comprising at least one computer-readable storage medium having computer code instructions recorded thereon.
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TRIVAILO P. M., H. KOJIMA. Discovering Method of Control . Enero-2019, *
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