DE2741008C2 - Lageregelungssystem für ein Raumfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lagerege'ungssystem wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist

Ein wichtiges jedoch nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Regelung der Lage eines Satelliten in einer -tation^n Erdumlaufbahn, beispielsweise eines Telekommunikationssatelliten, der in großer Höhe in einer Umlaufbahn um die Erde umläuft, die gegenüber der Erdäquatorebene um einen Winkel tx geneigt ist, dessen Wert maximal einige Grad beträgt. Die Lage eines solchen Satelliten muß derart eingestellt werden, daß die vom Satelliten getragenen Elemente, beispielsweise Antennen, immer auf ein bestimmtes Gebiet zur Erde gerichtet sind.

Es sind verschiedene Lagekontrollsysteme für Satelliten bekannt. Bei einem solchen System ist ein großes Drehimpuls- oder Drailrad vorgesehen, dessen Geschwindigkeit durch eine elektrische Korrekturschaltung gesteuert wird. Dadurch können auf äußere Störungen zurückzuführende Abweichungen um die Nickachse korrigiert werden. Wenn sich das Rad um eine feste Achse dreht, dann beeinflußt es jedoch auch die Lage bezüglich der Roll- und der Gierachse. Wenn der Orientierungswinkel des Satelliten um die Rollachse auf dem richtigen Wert gehalten wird, dann ändert sich der Orientierungswinkel um die Gierachse zyklisch um einen Betrag, der etwa der Neigung * der Umlaufbahn gegenüber dem Erdäquator entspricht Wenn das Rad kardanisch aufgehängt ist, dann ist zur Steuerung der Drehachsenlage eine komplizierte Elektronik nötig. Bei anderen bekannten Lageregelungssystemen sind drei Reaktionsräder vorgesehen, die der Roll-, Nick- bzw. Gierachse zugeordnet sind und die jeweils mit Meßfühlern zusammenarbeiten (US-PS 31 16 035). Ein

solches System ist außerordentlich schwer.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lageregelungssystem zu schaffen, das relativ einfach aufgebaut ist, kein großes Gewicht hat und eine ausreichende Lageregelung um alle Achsen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Lageregelungssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Ausdruck »Rad« oder »Inertialrad« kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Bedeutungen haben.

Entweder ist damit ein sogenanntes Reaktionsrad gemeint, welches eine Lagekontrolle durch Austausch von Drehimpuls mit dum Satellitenkörper ermöglicht. Ein solches Reaktionsrad hat eine über einen breiten Bereich variable Drehzahl, wobei die Drehrichtung umkehrbar ist

Oder es ist damit ein Drehimpuls- oder Drallrad gemeint, welches sich im Betrieb immer mit einer so großen Drehzahl dreht, daß sich eine Kreiselstabilität oder ein Widerstand gegen eine Ablenkung senkrecht zur Drehachse ergibt. In der Regel muß ;in soiches Drallrad einen Drall von mindestens 25 Nms aufweisen. Die Drehzahl eines solchen Drallrades ist in der Regel nur in relativ engen Grenzen von etwa ±10% der Nominalgeschwindigkeit variierbar.

Da das Stellorgan eine gewisse Kreiselstabilität aufweisen soll, muß zumindest eines der Räder als Drallrad ausgebildet sein.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die für über der Erde stillstehende Satelliten besonders geeignet ist, sind beide Räder als Drallräder ausgebildet und haben Trägheitsmomente derselben Größenordnung. Die Drehachsen der Räder schließen typischerweise einen Winkel zwischen 10° und 80° ein.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel haben die Räder Drehimpulse verschiedener Größenordnung; ihre Drehachsen schließen einen Winkel zwischen 90° und 130° ein.

In alle" Fällen sind die beiden Räder derart angeordnet, daß der Drall des Stellorgans eine Komponente aufweist, die entgegen der positiven Richtung der Nickachse verläuft. Gemäß einer weiteren bei Raumfahrzeugen mit über der Erde stationärer Position zu erfüllenden Bedingung ist der Winkel zwischen den Drehachsen der beken Räder größer als der doppelte Maximalwinkel & zwischen der Ebene der Umlaufbahn und der Äquatorebene (etwa 8°). Wenn zwei identische Räder verwendet werden, dann kann der Winkel zwischen d^n Drehachsen zwischen 10° und 40° liegen.

Um ei.ie erhöhte Zuverlässigkeit zu erreichen, kann das System redundant ausgebildet sein. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man zwei getrennte Stellorgane mit zugeordneter Schaltung vorsieht, von denen eines in Betrieb genommen wird, falls das andere ausfällt. Oft kann es jedoch ausreichen, nur die Schaltung zweifach auszuführen, wenn die Räder magnetisch gelagert sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Achsen der Räder in einer parallel zur Nick—Gier-Ebene oder parallel zur Nick—Roll-Ebene verlaufenden Ebene oder in einer anderen Ebene befinden, die parallel zu einer Ebene liegt, in welcher die Nickachse verläuft Und welche senkrecht auf d<;r Roll-^Gier-Ebene steht

Vorteilhaft ist es, wenn Meßfühler derart angeordnet sind, daß sie Winkelabi/eichungen um die Roll- und die Nickachse bestimmen können, und wenn die Achsen der Räder beide in einer parallel zur Nick- und Gierachse verlaufenden Ebene liegen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß jedes Rad ehien Drehzahlgeber aktiviert, denen elektronische Elemente zur Berechnung der Drehzahl der Räder in einem breiten Bereich zugeordnet sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch geschlossene

ίο elektronische Regelkreise zur Aufnahme der Drehzahlgebersignale und zur Regelung der Drehzahl der Räder auf einen vorbestimmten Wert, der von der die Eingangssignale von den Meßfühlern aufnehmenden elektrischen Schaltung geliefert wird.

Ein Sinuswellengenerator zur Erzeugung einer Sinuswelle mit der Frequenz des Bahnumlaufes kann vorgesehen sein, der einen Sollwert des Drehimpulsvektors relativ zu den orthogonalen Achsen erzeugt Das Ausgangssignal des Sinuswellengenerators kann mit der gemessenen Winkellage des Drehimpulsvektors relativ zu den orthogonalen Achsen durcb eine elektronische Schaltung verglichen werden, die oje äußere Drehmomente erzeugenden Elemente steuert, und die Differenz kann nahe Null oder nahe einem im wesentlichen konstanten Sollwert gehalten werden.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsiormen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines auf einer leicht gegenüber dem Erdäquator geneigten Erdumlaufbahn umlaufenden Raumfahrzeuges;

F i g. 2 eine schematische Ansicht der Anordnung der das Stellorgan bildenden Inertialräder relativ zu den Roll-, Nick- und Gierachsen des Fahrzeuges gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektronischen Steuerschaltung;

Fig.3a eine Ansicht ähnlich Fig. 3 einer abgewandelten Steuerschaltung;

Fig.4 eine graphische Darstellung der Drehimpuls komponenten des in Fig. 2 dargestelllten Stellorgans uid

F i g. 4a und 4b Darstellungen ähnlich F i g. 4 für andere Stellorgane.

In Fig. 1 ist ein Satellit 10 dargestellt, von dem angenommen wird, daß er sich in eirer kreisförmigen stationären Erdumlaufbahn mit einem Radius von 42 500 km befindet. Die Erdumlaufbahn ist um einen Winkel * in der Größenordnung von höchstens einigen

so Winkelgraden gegenüber der Erdäquatorialebene geneigt. Dem Satelliten 10 ist ein Koordiantensystem zugeordnet, desstn drei senkrecht aufeinanderstellenden Achsen die Rollachse x, die Nickachse y und die Gierachse ι des Satelliten bilden. Wenn die Lage des Satelliten korrekt ist, dann liegt die Rollachse χ unter idealen Bedingungen parallel zur Erdäquetorialebene in West-Ostrichtung. Die Gierachse ζ /eigt dann auf das Erdzentrum, und die Nickachse y steht senkrecht auf der Roll- und auf der Gierachse und damit auch senkrecht auf der Ebene !er Umlaufbahn. Da die Umlaufbahn geneigt m. ändert sich die geographische Breite der Sateliitenposition periodisch mit einer Periode von 24 Stunden, Daher muß die Winkellage df;s Satelliten um die Rollachse entsprechend der Bewegung des Satelliten längs seiner Umlaufbahn justiert werden. Auch äußere Slörmom^nte wirken auf den Satelliten. Als Beispiel seien genannte der Sonnenstrahlungsdruck, dessen Einwirkungen auf einen geostationären, d, h.

gegenüber der Erde stationären Satelliten, zu einer Beeinflussung führt, oder aerodynamische Störungen bei Satelliten mit niedriger Umlaufbahn. Weiterhin beeinflussen die Korrektionsdüsen im Betrieb die Winkellage des Satelliten. Diese Einflüsse müssen kompensiert werden. Außerdem muß der Satellit am Anfang einmal ausgerichtet werden, wenn er in die richtige Position der Umlaufbahn gebracht worden ist. Der Satellit 10 weist ein Stellorgan auf, welches oben definiert wurde und dessen Drehimpulsvektor in der Nick—Gier-Ebene (y—2-Ebene) liegt. Zur Regelung der Winkellage macht man von den Beziehungen zwischen den Betriebsdaten des Satelliten Gebrauch. Folgende Beziehungen gelten dabei:

/,Φ + Η,Ψ+ω₀Η, = Μ_άτ

f. Ψ - Η,Φ +O₀H₁ = M_ä. - H₁

I_x und /, sind die Trägheitsmomente des Satelliten um die Roll- bzw. die Gierachse, diese Achsen sind satellitenfest;

H, ist die Komponente des Drehimpulses des Stellorgans (das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Drallräder aufweist) längs der Nickachse y, Hi ist die Komponente des Drehimpulses des Stellorgans längs der Gierachse z;
ΛΓ/ist die zeitliche Ableitung von Hr, ωό ist die Winkelgeschwindigkeit des Satelliten (in rad/sec):

Φ und Ψ sind die Roll- und Gier-Winkel (Euler'sche Winkel):

Mdx und Mdz sind die Roll- und Gier-Störmomente verschiedenen Ursprungs, einschließlich der der intermittierend arbeitenden Korrekturdüsen.

Für die Regelung der Winkellage benötigt man eine Messung zur Feststellung von Winkelabweichungen und eine Korrektur.

Zwei Detektoren 11, 12, die auch zu einem einzigen Detektor kombiniert sein können, messen Abweichungen um die Roll- und die Nickachse. Man kann optische Detektoren (Horizontdetektoren) oder Detektoren verwenden, die Radiofrequenzsignale von einer Quelle auf der Erde empfangen. Es wird angenommen, daß die Detektoren 11 und 12 Analogsignale liefern, jedoch können ebenfalls Digitalsignale abgebende Detektoren verwendet werden.

die Messung zur Steuerung des Gierwinkels wird mit Hilfe von Signalimpulsen durchgeführt, die mit den Rädern 15, 16 verbundene Drehzahlgeber 13, 14 erzeugen. Diese Impulse werden mit Frequenzen f\, h abgegeben, die der Drehgeschwindigkeit der Räder 15 bzw. 16 proportional sind. Die Räder sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen identisch aufgebaut

Die Drehachsen beider Räder 15 und 16 liegen in einer Ebene, die zu der y—z-Ebene des Satelliten 10 parallel verläuft, also zu der Ebene, welche die Gierachse ζ und die Nickachse y aufnimmt Die Drehachsen der Räder 15, 16 schließen einen Winkel ein, der größer ist als der maximale Neigungswinkel α der Satellitenumlaufbahn.

Das Stellorgan umfaßt zwei von unabhängigen Motoren 17, 18 angetriebene Räder, deren Drehzahl zumindest in einem vorbestimmten Bereich um einen Nominalwert variiert werden kann. Der Nominalwert ist normalerweise für beide Räder 15 und 16 gleich.

zumindest wenn die Räder identisch aufgebaut sind. Durch die Variation der Drehzahl der Räder kann folgendes erreicht werden:

% — Der Absolutwert und die Richtung des Drehimpulses /?des die zwei Räder umfassenden Stellorgans können unabhängig von der Richtung des Drehimpulses geändert Werden, so daß auf den Satelliten einwirkende Störmomente, deren Vektor in der

ίο von den Drehachsen der beiden Räder aufgespannten Ebene liegen, aufgenommen werden können; dadurch läßt sich der Satellit um die Richtung des Drehimpulses //des Stellorgans steuern:
— die Richtung des Drehimpulses /7kann getrennt in einem begrenzten Winkelbereich der durch die Drehachsen der Räder aufgespannten Ebene variiert werden, so daß als Ergebnis des Drehimpulsaustausches zwischen den Rädern die Winkelstellung des Satelliten um die Rollachse geändert

Die kurzzeitige Winkelstabilisierung um die senkrecht auf dem Drehimpuls ff und die senkrecht auf der Rollachse Af stehende Achse wird ohne den Einsatz eines aktiven Steuersystems allein durch die Kreiselstabilität des Stellorgans erreicht, d. h. passiv. Eine Langzeitregeiung um diese Achse muß aktiv durchgeführt sein und wird erreicht durch die Anwendung äußerer Drehmomente auf den Satelliten, wie dies im folgenden beschrieben wird.

Die den Detektoren 11, 12 und den Rädern 15, 16 zugeordnete elektronische Steuerschaltung kann in der in Fig.3 angegebenen Foroi aufgebaut sein. Die Steuerschaltung für die Roll- und Nicksteuerung umfaßt ausgehend von den beiden Detektoren 11 und 12 einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verstärker und eine Kontrollschaltung 19, 20. Die Kontrollschaltung 20 bestimmt die Komponente H, des Stellorgandrehimpulses längs der Nickachse /des Satelliten, die nötig ist. um die richtige Orientierung um diese Achse zu erreichen. Die Kontrollschaltung 20 umfaßt üblicherweise ein Tiefpaßfilter, dessen Abschneidefrequenz entsprechend dem Hintergrundrauschen (insbesondere dem Detektorrauschen) gewählt wird, sowie eine Proportional-, Integral- oder Zweifachintegral-Korrekturschaltung, deren Ausgangssignal entweder der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitsänderung entspricht Die Korrekturschaltung könnte auch ein einem Drehimpuls entsprechendes Signal erzeugen; in diesem Falle wäre die Korrekturschaltung als Proportional-, Integral- und Differential-Schaltung auszuführen. Das Ausgangssignal der Korrekturschaltung 20 wird den Eir.^angen eines Analogrechners 21 zugeführt, der die Sollwerte der Drehzahlen der Räder 15 und 16 bestimmt

Die Rollbewegungskontrollschaltung 19 bestimmt die Komponente Hi des Steilorgandrehimpulses, die längs der Gierachse ζ benötigt wird. Ebenso wie die Kontrollschaltung 20 umfaßt die Kontrollschaltung 19 üblicherweise ein Tiefpaßfilter und eine Korrekturschaltung zur Erzeugung von Proportional-, Ableitungs- (zur Dämpfung) und Integrationssignalen (Korrektur). Um statische Abweichungen um die Rollachse zu vermindern, kann ferner noch ein Zweifachintegralsignal erzeugt werden. Die Ausgangssignale der Kontrollschaltung 19 werden einem zweiten Eingang des Analogrechners 21 zugeführt

Dieser Analogrechner 21 bestimmt die Soüwerte der Drehzahl, weiche die Räder 15 und 16 aufweisen

müssen, wenn ihre Dreliimpulse H\ und Hi gerade den Gesamtdreliimpuls ff ergeben sollen, dessen Kompo* nenten H₁ und H/ längs der y- bzw. der z-Achse sind. Diese Rechnung ergibt sich durch einfache Komponentenzerlegung dtff Drehimpulse bezüglich der Nickachse y, wie dies in Fig.4 schematisch dargestellt ist. Die Winkel <xi und «2 sind die Winkel zwischen den Drehachsen der Räder 15 und 16 und der Nickachse y. De' Analogrechner 21 steuert über die Ausgänge 22 und 23 die. Versorgung der die Räder 15 und 16 antreibenden Motoren 17 bzw. 18.

Aufgrund der Werte von H< unc* Ht kann es notwendig sein, die Solldrehzahl so hoch oder so niedrig anzusetzen, daß dies praktisch unmöglich wird. Für diesen Fall aktiviert eine Bereichsgrenzen-Detektorschaltung (nicht dargestellt) eine Gasdüse 32, deren Achse in der y—z-Ebene liegt und durch Ausstoß von Masse einen Drehimpuls geeigneter Richtung auf den Satelliten überträgt. Dadurch läßt sich eine Verringerung des nrehimniikes in Richtlina Hpr 'Mickat'hse erreichen.

Wenn die Eingangssignale digital sind, dann kann die Giersteuerungsschaltung so ausgebildet sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die dort dargestellte Schaltung versorgt eine der beiden in entgegengesetzter Richtung wirkenden Düsen des Antriebes 26 (Fig.2) oder zwei einzelne, getrennte Antriebe mit Signalen, welche den öder die Antriebe der gewünschten Richtung betätigen, wenn es notwendig wird, den Winkel des Drehimpulsvektors /Tdes Stellorganes in der y—z-Ebtne auf einen Sollwert einzustellen, der der geographischen Breite des Sat lliten entspricht. Die Achse des Antriebes 26 oder der Achsen symmetrisch angeordneter Antriebe, weiche ein Drehmoment erzeugen, ohne gleichzeitig eine laterale Antriebskraft auf den Satelliten auszuüben, schneidet die Nickachse y.

Die Eingangsschaltung 24 des Giersteuersystems bestimmt zunächst den Winkel β des Drehimpulses /7in der y—z-Ebene, wobei beispielswise die j'-Achse als Ursprungsachse genommen wird. Diese Schaltung 24 kann aus einem Zähler bestehen, der die von den entsprechenden Drehzahlgebern 13 und 14 gelieferten Signale empfängt. Diese Signale haben Frequenzen f\ und /2, die der Drehzahl der Räder 15 bzw. 16 proportional sind. Wenn die Schaltung 24 genügend oft ein Meßsignal abgibt (beispielsweise im Abstand einer oder mehrerer Minuten), dann bleiben die Ausrichtfehler in annehmbarer Größe. Zu diesem Zweck wird die Giersteuerungsschaltung jedesmal von neuem aktiviert, wenn ein periodisches Signal an einen Auslöseeingang 25 gelebt wird. Beim Erhalt des Auslösesignals liefert die^ Schaltung 24 ein Ausgangssignal β für den Winkel von H gemäß folgender Beziehung

a/i - A/i

(2)

wobei a. b, a'und b' Konstanten sind, deren Werte von der Geometrie des Stellorgans abhängen, während /i und /2 die Signalfrequenzen darstellen, die den Drehimpulsen der Räder 15 und 16 proportional sind.

Die Schaltung 24 kann extrem einfach aufgebaut sein. Sie kann aus Registern und zwei Auf-Ab-Zählern bestehen. Ein Zähler speichert Signale der Frequenz a'/i-S-ö'/i. sobald er ein Auslösesignal empfängt Wenn der Inhalt dieses Zählers eine vorbestimmte Zahl N erreicht dann sperrt er die Aufnahme des Signals der Frequenzen af\—bfc durch den anderen Zähler. Der Inhalt des letzteren ist dann proportional zu ß. Die auf diese Weise durchgeführte Berechnung führt außerdem zu einer Filterung, da hochfrequente Störungen ausgeschaltet werden,

Der talsächliche Wert von β und der Sollwert ßo werden in einer Vergleichsschaltung 27 verglichen, welche das Ausgarigssignal der Schaltung 24 Und ein Digifalsignal ßo erhäjt, welch letzteres nach jedem Auslösesignal durch einen Söllwertgenerator 28 geliefert wird. Der Wert des Sollwertes ändert sich periodisch mit der Periode der Umlaufbewegung des Satelliten um die Erde (24 Stunden im Fall eines erdfesten Satelliten). Der Unterschied zwischen β und ßn stellt die Abweichung des Drehimpules um die Rollachse λ· relativ zu einer Bezugsrichtung dar, in welcher die Satellitenantennen ideal ausgerichtet sind. Eine Schwellwertschaltung 29 vergleicht die Abweichung mit einem vorgegebenen Wert. Der vorgegebenen Wert liegt üblicherweise zwischen 0,05° und 0.2".

Jii KnhaiH H;pc*»r \Me*ri iiHprcr*hrjttpn \yjrH übsrnlitts!· £Ü£

Schwellwertschaltung 29 ein Korrektursignal an eine logische Schaltung 30, welche die entsprechenden ■Düsen des Antriebes 26 aktiviert und ein Kompensationssignal erzeugt. Die Schaltung 30 betätigt den Antrieb 26 während einer vorbestimmten Zeit. Kurz bevor der Antrieb 26 aktiviert wird, übermittelt die Schaltung 30 der Rollkontrollschaltung ein Warnsignal, welches die durch den Antrieb 26 zu erwartende Störung übermittelt. Dieses Signal wird der Schaltung

Jo 19 über einen zusätzlichen Eingang zugeführt und minimalisiert eine Nutationsschwingung, wenn der Antrieb den Impuls auf den Satelliten überträgt. Eine solche Nutationsschwingung tritt infolge der Zeitkonstanten auf, mit welcher eine Drehzahländerung der Räder verbunden ist. Ferner können Resonanzfrequenzen des Rollsteuersystems zu einer solchen Nutationsschwingung führen.

Die Vergleichsschaltung 27 kann zusätzlich ein Signal von einem Generator 31 erhalten, welcher so justiert ist.

daß er eine Nullabweichung oder Vorspannung der Räder zuläßt, deren Wert in Versuchen ermittelt wird.

die vor oder nach dem Einbringen des Raumfahrzeuges in die Umlaufbahn durchgeführt werden.

Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten.

abgewandelten Ausführungsform werden die Änderungen im Nenner der Formel (2) vernachlässigt. Diese Näherung führt zu einer Vereinfachung der elektronischen Schaltung.

Es ist auch möglich, β nicht aus den gemessenen Drehzahlen der Räder zu bestimmen, sondern aus den diese Drehzahlen steuernden Signalen (d. h. aus den die Nominaldrehzahl der Räder bestimmenden Signalen). Tßei dieser Näherung kann man die Schaltung der F i g. 3 durch die vereinfachte Schaltung der F i g. 3a ersetzen, in welcher entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen tragen. Bei der Schaltung der Fig.3a liefern die Schaltungen 19 und 20 die Sollwerte für H\ bzw. H₁. Es wird hier angenommen, daß β durch die folgende Gleichung richtig wiedergegeben wird:

-'-■IS

tan β wird durch einen Teiler 33 geliefert da β immer klein ist, so daß man im allgemeinen davon ausgehen kann, daß die Beziehung tan β ungefähr gleich β gilt. Im übrigen ist die Arbeitsweise der Schalrang ähnlich der der F i s. 3.

Wenn die Struktur so ist. daß H, (Nominalwert) sich nicht sehr stark ändert, dann gilt ß~ H\ (Nominalwert). Wenn diese Annahme erfüllt ist, dann kann die Schaltung noch weiter vereinfacht werden.

In den meisten Fällen sind Sollwertgeneratoren 28 % vorgesehen; sie können jedoch verschiedene Funktionen haben:

Wenn der Winkel α groß ist, dann benötigt man einen Korrektur-tei^lfri, um die Effekte der unterschiedlichen geographischen Breite zu kompensieren, das entspre- in chende Signal hat dann die Form einer Sinuswelle;
wenn äußere Störmomente mit einer Periode von 24 Stunden auf den Satelliten einwirken (beispielsweise durch die Wirkung der Sonne), dann muß der Nominalwert ebenfalls abgeändert werden. Diese \i Abwandlung wird durch ein zusätzliches sinusförmiges Signal simuliert, welches häufig eine Phasenverschiebung gegenüber dem ersten sinusförmigen Signal ■ufweist.

Um den Verbrauch an Treibstoff niedrig zu halten, ;o kann der Antrieb 26 (aber nicht der Antrieb 32) »orteilhafterweise durch Magnetspulen ersetzt werden. Wenn der Winkel α groß ist oder wenn der Satellit bezüglich der Rollachse genau ausgerichtet werden soll !beispielsweise bei einem einer Erdstation zugeordneten Kommunikationssatelliten, der mit einem geringen trhebungswinkel und unter einer hohen geographU •chsn Breite arbeitet), dann liefert der Generator eine Sinuswelle an den Analogrechner 21. Dieses Signal wird iur Rollsteuerung verwendet und führt dazu, daß die jo Cierachse in eine Richtung gesteuert wird, die nicht durch das Erdzentrum geht, sondern die Effekte der ireitenvariation genau kompensiert.

In dem in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsfceispiel besteht das Stellorgan aus zwei Drallrädern, deren Drehimpulse relativ zur Nickacnse ysymmetrisch angeordnet sind.

In dem in Fig.4a scnematisch dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Stellorgan aus einem Drallrad, dessen Drehachse in der y—z-Ebene liegt und einen Winkel von einigen Grad mit der negativen y-Achse einschließt sowie einem Reaktionsgrad (oder einem Drallrad mit einem wesentlich unterhalb dem des ersten Rades liegenden Drehimpuls). Die Achse des Reaktionsrades liegt längs der Gierachse z. In Fig.4a sind die Drehimpulse H\ und Hi der beiden Räder und die Komponenten H₁ und Hi längs der Nick- bzw. der Gierachse beispielhaft dargestellt. Der Drehimpuls des Reaktionsrades wird in Abhängigkeit vom Winkel ω zwischen H\ und dery-Achse gewählt.

Wenn die relativen Drehimpulse der beiden Räder und der Winkel ω in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4a geeignet gewählt werden, dann wird es möglich, eine Lagckontfolle zu erreichen, bei welcher man das Reaktionsrad nur in einer Richtung umlaufend betreibt, so daß die mit der Drehrichtungsumkehr verbundenen Probleme sowie die Probleme der Messung geringer Drehzahlen entfallen. Diese Probleme stellen sich insbesondere dann, wenn konventionelle Lager verwendet werden. Wenn andererseits magntische Lager verwendet werden, dann kann die in Fig.4b dargestellte Ausführungsform vorteilhaft sein.

Bei dieser Ausführungsform ist die Drehachse des ersten Rades mit dem Drehimpuls H\ in Richtung der negativen /-Achse gerichtet, während das zweite Rad ein reines Reaktionsrad ist, das in beiden Richtungen umlaufen kann. Entsprechend kann dessen Drehimpuls H2 je nach Drehrichtung längs der positiven oder längs der negativen z-Achse liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Lageregelungssystem für ein stabilisiertes, auf einer Umlaufbahn umlaufendes Raumfahrzeug mit senkrecht aufeinandestehenden Roll-, Nick- und Gierachsen, mit einem von dem Raumfahrzeug getragenen Meßfühler zur Bestimmung der Winkelabweichurig um mindestens zwei der drei orthogonalen Achsen, mit einem Stellorgan, das mehrere um nicht parallele, realtiv zum Raumfahrzeug feste Drehachsen drehbare Räder sowie elektronische Steuerelemente aufweist, welche mit den Eingangssignale liefernden Meßfühlern und mit dem Antrieb der Räder verbunden sind und die Drehgeschwindig- ι ϊ keit steuern, und mit zumindest einem ein Drehmoment erzeugenden Element, welches durch Massenausstoß oder durch Wechselwirkung mit dem das Raumfahrzeug umgebenden Medium arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan zwei Räder aufweist, von denen mindestens eines ein Drailrad ist, das einen eine Kreiseistabilität crzeu genden Drehimpuls (H) aufweist, wodurch die Orientierung des Raumfahrzeuges bezüglich zwei der orthogonalen Achsen korrigierbar ist, daß der Drehimpuls (H) des Stellorgans eine Kurzzeitstabilisierung um die dritte der orthogonalen Achsen gewährleistet, während die Orientierung um die dritte Achse durch das ein Drehmoment erzeugende Element (26) erreichbar ist

2. Lageregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsen der Räder (15, 16) in einer parallel zur Nick-Gier-Ebene (y—z-Ebene) oder parallel zur Nick-Roll-Ebene (x— y-Ebene) verlaufenden Ebene oder in einer anderen Ebene befinden, die parallel zu einer tbene liegt, in welcher die Nickachse fy-Achse) verläuft und weiche senkrecht auf der Roll-Gier-Ebene (x— z-Ebene) steht.

3. Lageregelungssystem nach einem der Ansprü- 4η ehe 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (11, 12) derart angeordnet sind, daß sie Winkelabweichungen um die Roll- und die Ni^kachse (x- bzw. y- Achse bestimmen können, und daß die Achsen der Räder (15,16) beide in einer parallel zur Nick- und Gierachse (y- bzw. z-Achse) verlaufenden Ebene liegen.

4. Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 1. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Räder (15,16) gleich aufgebaut sind und daß der Winkel (y) w zwischen den Achsen der Räder (15, 16) zwischen 10° und 80° liegt.

5. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche I. 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (15, 16) Drehimpulse (ff\, Hi) verschiedener Größenordnung haben und der Winkel zwischen ihren Drehachsen zwischen 90° und 130° liegt.

6 Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rad (15, 56) ein Drehzahlgeber (13 bzw. 14) zugeordnet ist und daß die elektrischen Steuerelemente den Drehzahlgebern zugeordnete Recheneinheiten (24) umfassen, die die Stellung des Drehitnpulses (Ω) des Stellorgans relativ zu den Fahrzeugachsen bestimmen,

7. Lageregelungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlgeber (13, 14) Signale mit der Geschwindigkeit der Rädei* (15,16) proportionalen Frequenzen (f\ bzw. /2) abgeben und daß die Recheneinheiten (24) die Stellung des Drehimpulses (H) des Stellorgans relativ zu den orthogonalen Achsen dadurch bestimmen, daß sie die Anzahl der Signale der Frequenz (af\—bf-i) zählen, die in einer Zeitspanne auftreten, in welcher eine vorbestimmte Anzahl von Signalen der Frequenz (a'f\ + ό'/ί) gezählt werden kann.

8. Lageregelungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, der der Winkellage des Drehimpulses des Stellorgans relativ zu den orthogonalen Achsen entsprechende Signale zuführbar sind, und daß diese Schaltung mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die äußere Drehmomente liefern kann, wodurch die Winkellage des Drehimpulsvektors veränderbar ist

9. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rad (15, 16) einen Drehzahlgeber (13 bzw. 14) aktiviert dem elektronische Elemente zur Berechnung der Geschwindigkeit der Räder in einem breiter, Bereich zugeordnet sind.

10. Lageregelungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch geschlossenene elektronische Regelkreise zur Aufnahme der Drehzahlgebersignale und zur Regelung der Geschwindigkeit der Räcer (15, 16) auf einen vorbestimmten Wert, der von der die Einsngssignale von den Meßfühlern (11, 12) aufnehmenden elektrischen Schaltung geliefert wird.